一、項(xiàng)目概況

河南汝州市瑞平煤電有限公司成立于2004年6月，注冊(cè)資本金10億元，是由中國(guó)平煤神馬集團(tuán)和河南天瑞集團(tuán)按照6∶4的比例共同出資建設(shè)的合資企業(yè)，電廠位于汝州市汝河南岸汝南工業(yè)區(qū)，于2007年投產(chǎn)運(yùn)營(yíng)，屬國(guó)家發(fā)改委批準(zhǔn)的熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組，經(jīng)營(yíng)范圍為發(fā)電和供熱，項(xiàng)目建設(shè)規(guī)模為300MW，現(xiàn)有兩臺(tái)150MW超高壓供熱汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組和兩臺(tái)每小時(shí)480噸超高壓、再熱、循環(huán)流化床鍋爐，固定資產(chǎn)12億元。

圖1：廠區(qū)概貌

二、給水泵系統(tǒng)

每臺(tái)鍋爐給水系統(tǒng)配套兩臺(tái)3800kW鍋爐給水泵，共計(jì)4臺(tái)，單臺(tái)給水泵流量593m³/h，揚(yáng)程1770m，采用一用一備的運(yùn)行方案，單臺(tái)給水泵即能滿足鍋爐滿負(fù)荷運(yùn)行，給水泵系統(tǒng)由電動(dòng)機(jī)、液力偶合器、給水泵本體組成（見圖2）。其工藝流程是除氧器的水通過給水泵增壓后，經(jīng)過高壓加熱器送至鍋爐汽包（圖3黑色尖頭方向），鍋爐通過燃燒發(fā)熱將水變成高溫高壓的蒸汽，推動(dòng)汽輪機(jī)做功，實(shí)現(xiàn)鍋爐蒸汽系統(tǒng)和給水系統(tǒng)的汽水平衡。

圖2：給水泵組成

圖3：現(xiàn)場(chǎng)給水系統(tǒng)圖

為保證整個(gè)鍋爐系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，改造前機(jī)組通過調(diào)節(jié)給水泵液偶輸出轉(zhuǎn)速的方式改變給水流量，保持汽包的液位穩(wěn)定。由于給水泵轉(zhuǎn)速較高，液力偶合器主要由兩部分組成，一是增速齒輪，這一部分的作用是把電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速，升高至滿足給水泵額定工況的運(yùn)行轉(zhuǎn)速；二是泵輪、渦輪、勺管、和循環(huán)油系統(tǒng)，其作用是通過勺管調(diào)節(jié)循環(huán)油，改變偶合器內(nèi)的充油量，從而調(diào)節(jié)渦輪轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)輸出轉(zhuǎn)速的調(diào)速。機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，就采用單臺(tái)給水泵供水運(yùn)行方式，另外一臺(tái)泵處于備用狀態(tài)，兩臺(tái)給水泵之間只需按規(guī)程進(jìn)行定期倒泵操作。

三、可行性分析

3.1存在的問題

瑞平電廠在采用液力偶合器調(diào)速時(shí)，雖然能滿足鍋爐供水調(diào)節(jié)的功能，但是發(fā)現(xiàn)存在以下問題：

（1）給水泵采用液偶傳動(dòng)調(diào)速運(yùn)行，傳動(dòng)損失大、系統(tǒng)效率低，造成大量能源浪費(fèi)。

（2）調(diào)速范圍有限為50～95%，轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定，高速段減小了設(shè)備的出力能力，低速段影響節(jié)能效益的發(fā)揮；

（3）調(diào)速精度低，線性度差，響應(yīng)慢，不大適應(yīng)自動(dòng)控制要求；

（4）液偶調(diào)速器采用高壓傳動(dòng)油工作，在機(jī)械能傳遞過程中產(chǎn)生大量熱量損失。

（5）電機(jī)雖然可以不帶載啟動(dòng)，但仍然有5倍左右的沖擊電流，影響電網(wǎng)穩(wěn)定；

（6）由于存在較為復(fù)雜的油系統(tǒng)，液偶維護(hù)量較大，單臺(tái)4000KW的液力偶合器平均每年的維護(hù)費(fèi)用就近20W，嚴(yán)重浪費(fèi)人力及影響生產(chǎn)。同時(shí)由于液力偶合器啟動(dòng)時(shí)仍具有的較大沖擊電流，會(huì)對(duì)電廠的系統(tǒng)穩(wěn)定造成影響，瑞平電廠技術(shù)人員尋找適合的替代方案，經(jīng)多方對(duì)比發(fā)現(xiàn)，利用高壓變頻器替換目前給水泵液偶調(diào)速控制，具有完美的解決方案。同液偶調(diào)速方案相對(duì)比，高壓變頻器調(diào)速系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢(shì)：

（7）調(diào)速范圍寬0-140%，調(diào)速精度高，響應(yīng)速度快

（8）效率高（大于96%），且在20%負(fù)荷以上時(shí)均穩(wěn)定在96%

（9）可實(shí)現(xiàn)真正的軟啟動(dòng)，對(duì)電動(dòng)機(jī)和電網(wǎng)無沖擊，可降低給水泵及電動(dòng)機(jī)的故障率，減少維修費(fèi)用

（10）輸入功率因數(shù)高可達(dá)0.95以上，只吸收很少的無功

（11）易維護(hù)；改造、調(diào)試周期短；故障時(shí)可切換工頻運(yùn)轉(zhuǎn)，適用于不允許停機(jī)的場(chǎng)合。

3.2 具有的優(yōu)勢(shì)

在確定采用高壓變頻器進(jìn)行改造后，瑞平電廠開始對(duì)國(guó)內(nèi)高壓變頻器主要生產(chǎn)廠家進(jìn)行考察和篩選，利德華福公司的高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)，對(duì)比其它產(chǎn)品具有如下優(yōu)勢(shì)：

（1）采用單元串聯(lián)多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，輸入輸出諧波含量小，功率因數(shù)高，結(jié)構(gòu)可靠。

（2）應(yīng)用無速度傳感器的矢量控制技術(shù)，控制精度高，響應(yīng)速度快。

（3）產(chǎn)品應(yīng)用近10000套為國(guó)內(nèi)最多，充分經(jīng)過市場(chǎng)檢驗(yàn)，產(chǎn)品成熟可靠，故障率低。

（4）電廠應(yīng)用業(yè)績(jī)最多，在3000套以上，熟悉電廠工藝工況，對(duì)實(shí)施方案的設(shè)計(jì)有豐富經(jīng)驗(yàn)，保證系統(tǒng)的可靠性。并且在給水泵的改造上有成功經(jīng)驗(yàn)，例如300MW機(jī)組的大唐耒陽電廠、包頭東華熱電用戶曾經(jīng)前去考察。

（5）6kV/4000kW產(chǎn)品額定電流將達(dá)到450A以上，將遇到很多設(shè)計(jì)難點(diǎn)，而利德華福公司有豐富的大功率變頻器的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，已投運(yùn)的設(shè)備最大達(dá)18000KW，5000KW功率以上的投運(yùn)設(shè)備有100余套。

（6）依托于全球500強(qiáng)企業(yè)、電氣巨頭施耐德公司的先進(jìn)的管理理念和質(zhì)量控制體系，產(chǎn)品的質(zhì)量及可靠性大幅提升；利用集團(tuán)優(yōu)勢(shì)，柜內(nèi)主要低壓元器件均采用施耐德產(chǎn)品。

給水泵作為鍋爐最為關(guān)鍵的負(fù)載，其可靠運(yùn)行肯定是第一位的，所以產(chǎn)品的可靠性也是改造時(shí)首要考慮的對(duì)象。經(jīng)過多方對(duì)比和綜合考慮，瑞平電廠最終選定北京利德華福電氣技術(shù)有限公司的HARSVERT-VA06/490產(chǎn)品對(duì)4臺(tái)給水泵進(jìn)行改造。

四、實(shí)施方案

以下兩種方案均為可行的給水泵改造方案:

方案一：將液力偶合器保留不變，勺管開度至最大輸出，只承載傳動(dòng)和增速作用。變頻器通過電氣特性控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)給水泵的流量調(diào)節(jié)。由于沒有拆除液力偶合器，對(duì)液力偶合器的維護(hù)同樣存在；同時(shí)由于液力偶合器本身的效率問題，仍存在一定的節(jié)能率下降。

方案二：拆除液力偶合器，更換為增速齒輪箱實(shí)現(xiàn)剛性傳遞聯(lián)接；解決系統(tǒng)機(jī)械力矩傳遞中的效率損失問題。此種方法前期施工周期較長(zhǎng)，同時(shí)投入相對(duì)會(huì)增加。但系統(tǒng)效率提高，很快就能收回增加的投資。

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況，我公司初步設(shè)計(jì)的方案為拆除液力偶合器，在電機(jī)和水泵之間增加增速齒輪箱，這樣可減少液偶的中間損失，使給泵系統(tǒng)效率最高。但由于工期及增速齒輪箱廠家供貨周期的問題，最終用戶保留了三臺(tái)液力偶合器，在變頻器控制運(yùn)行時(shí)，液力偶合器勺管開度至100%輸出，據(jù)現(xiàn)場(chǎng)反饋，在同等負(fù)荷下，沒有拆除液偶的給水泵電流比拆除液偶的要大將近10A，所以瑞平電廠仍計(jì)劃在檢修時(shí)將剩余液偶拆除。

圖4：保留液偶畫面

圖5：拆除液偶增加齒輪箱畫面

圖6：現(xiàn)場(chǎng)齒輪箱圖片

現(xiàn)場(chǎng)兩個(gè)機(jī)組4臺(tái)給水泵，采取一用一備的形式，且全部配備變頻器，當(dāng)一臺(tái)給水泵故障時(shí)，可立即啟動(dòng)備用泵運(yùn)行來給鍋爐供水，所以變頻器的主回路采用一拖一手動(dòng)旁路的方案是既經(jīng)濟(jì)又可靠地主回路方案。

圖7：主回路示意圖

此方案是手動(dòng)旁路的典型方案。原理是由3個(gè)高壓隔離開關(guān)QS41、QS42和QS43組成（見上圖）。要求QS42和QS43之間存在機(jī)械互鎖邏輯，不能同時(shí)閉合。變頻運(yùn)行時(shí)，QS43斷開，QS41和QS42閉合；工頻運(yùn)行時(shí)，QS41和QS42斷開，QS43閉合。功能:在檢修變頻器時(shí)，有明顯斷電點(diǎn)，能夠保證人身安全，同時(shí)也可手動(dòng)使負(fù)載投入工頻電網(wǎng)運(yùn)行。

五、節(jié)能效益分析

對(duì)于系統(tǒng)變頻改造前有液偶調(diào)速設(shè)備，節(jié)能計(jì)算如下：

5.1工頻狀態(tài)下的耗電量計(jì)算

Pd：電動(dòng)機(jī)功率；Cd：年耗電量值； U：電動(dòng)機(jī)輸入電壓；I：電動(dòng)機(jī)輸入電流；cosφ：功率因子； T：年運(yùn)行時(shí)間；δ：?jiǎn)呜?fù)荷運(yùn)行時(shí)間百分比

電機(jī)耗電功率計(jì)算公式：

累計(jì)年耗電量公式：

根據(jù)計(jì)算公式①②，通過計(jì)算可得出工頻情況下各負(fù)載的耗電量,綜合高速、低速運(yùn)行的時(shí)間，計(jì)算出平均工頻運(yùn)行功率。

5.2變頻狀態(tài)下的年耗電量計(jì)算

不管是用液偶調(diào)速還是變頻調(diào)速，所需要的軸功率是相同的，可推出變頻后軸功率公式：

其中：為液偶時(shí)工頻功耗；為變頻時(shí)功耗；為負(fù)載軸功率；為電機(jī)效率；為液偶效率；為變頻器效率。

由液力偶合器的運(yùn)行特性可知，

其中：為實(shí)際轉(zhuǎn)速，為電機(jī)額定轉(zhuǎn)速。

累計(jì)年耗電量公式：

其中：Cb：年耗電量值；為變頻時(shí)功耗；T：年運(yùn)行時(shí)間；δ：?jiǎn)呜?fù)荷運(yùn)行時(shí)間百分比。

變頻器的效率曲線可從下圖中查出：

圖8 變頻器的效率曲線

根據(jù)計(jì)算公式③④⑤，通過計(jì)算可得出變頻情況下各負(fù)載的耗電量，根據(jù)加權(quán)時(shí)間得出設(shè)備在變頻調(diào)速下運(yùn)行的平均功率。

5.3節(jié)能計(jì)算

年節(jié)電量：ΔC= Cd－Cb …⑥

節(jié)電率 =（ΔC/Cd）×100% …⑦

變頻改造后，根據(jù)公式⑥⑦，可計(jì)算出各負(fù)載上變頻后與工頻相比每年的節(jié)電情況。

圖9 現(xiàn)場(chǎng)DCS畫面截圖

由現(xiàn)場(chǎng)采集的DCS的圖片以及現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行人員反饋，當(dāng)時(shí)機(jī)組運(yùn)行負(fù)荷為73MW，給水泵的轉(zhuǎn)速為2974r/min（額定轉(zhuǎn)速4725r/min），如原有液偶的情況下，轉(zhuǎn)速也基本相當(dāng)，根據(jù)液偶的效率可計(jì)算出在此轉(zhuǎn)速節(jié)電率在30%左右，秋季和春季運(yùn)行情況和圖片中的運(yùn)行狀態(tài)基本相同；機(jī)組冬季和夏季負(fù)荷會(huì)稍高，達(dá)到100MW以上，所以節(jié)電率會(huì)降低，約在15%左右。

七、小結(jié)

隨著電廠節(jié)能優(yōu)化的深入，常規(guī)的送風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)、凝結(jié)水泵等負(fù)載均已完成節(jié)能改造，電廠的降耗就必須尋找新的突破口。給水泵作為鍋爐系統(tǒng)最大的用電設(shè)備也是最重要的輔機(jī)設(shè)備，由于前幾年對(duì)于變頻器的可靠性有顧慮，基本未進(jìn)行變頻改造，但是隨著這幾年變頻器的發(fā)展，技術(shù)逐步成熟，可靠性大大提高，各個(gè)電廠對(duì)于給水泵的變頻器改造開始進(jìn)行有意的嘗試，通過多個(gè)項(xiàng)目的改造實(shí)例證明，給水泵的變頻改造是可行的，我們公司提供的改造方案成熟可靠，對(duì)機(jī)組的安全運(yùn)行沒有影響，同時(shí)帶來的經(jīng)濟(jì)效益也是相當(dāng)可觀。給水泵的變頻改造在近期將會(huì)成為電廠節(jié)能改造的熱點(diǎn)。