200MW汽轮机组电动给水泵变频调速改造可行性研究

本文就200MW汽轮机组电动给水泵变频调速，进行了综合技术经济比较，液力耦合器调速给水泵变更为变频调速给水泵，节能效果显著，节电率可达20%以上。 1、概述 国内电网中装有200MW汽轮发电机组近150台，每台机组给水泵按2×100%额定容量计，有近300台液力耦合器调节电动给水泵。由统计资料得知，给水泵耗电量占发电量的2.5%，占生产厂用电率的近30%。每台机组年平均发电量按126000万kwh计，每台给水泵的年耗电量为3150万kwh，150台机组给水泵年耗电量为472500万kwh，给水泵耗电量降低0.5个百分点，则年节电94500万kwh，折合成标准煤相当节煤35万吨。给水泵做为生产过程的主要辅机，其耗电量是很大的，直接影响供电煤耗、影响发电成本、影响能源消耗。因此对电动给水泵的调节方式进行优化，对电动给水泵进行变频改造可行性研究是十分必要的。 2、电动给水泵进行变频调速改造可行性分析 200MW汽轮发电机组，电动给水泵调速方式，一般均设计为2×100%额定容量配液力耦合器进行调速。这一调节方式，做为传统调节方式，已成为常规设计方案。但随着变频调速技术的成熟和应用，有必要进行变频调速与液力耦合器调速的综合技术经济比较和优选。 2.1 技术比较 2.1.1 变频调速装置 变频调速是利用变频装置作为变频电源，通过改变异步电动机定子的供电电源频率f，使同步转速n1变化，从而改变异步电动机转速n，实现调速的目的。其原理结构见（图1） 其技术状况是： （1）速度控制范围宽可在1%-100%之间进行调节。 （2）调节精度可达到±0.5%（100%速度时）。 （3）整机效率97%，功率因数0.95以上。 （4）具有工业网络及通讯接口，便于实现闭环自动控制。且保护功能完善。 （5）使用寿命长，故障率低，维护量小。 （6）节电率高，与液力耦合器比较节电率可达20%以上。 （7）没有液力偶合器高转速丢转现象。 （8）软启动软停止，可延长电机使用寿命。 2.1.2 液力耦合器装置 液力耦合器是以鼠笼型电动机为原动机，以油做工质，由原动机驱动增速齿轮，由增速齿轮驱动泵轮（主动轮）将机械功率传递给工质油带动涡轮（从动轮）旋转，从动轮与水泵相连接，通过勺管控制给水泵转数。其结构系统见（图2） 其技术状况是： （1）转差功率损耗大，变为热量通过油水冷却系统散发掉。 （2）安装在电动机和给水泵之间，需要坚固的基础。 （3）压力油系统、勺管调节系统维护量大。 （4）电动机定速运行，启动时冲击电流较大影响电机使用寿命。 （5）高速情况下，由于转差率影响丢转3%左右。 （6）耦合器效率一般较低，额定转速下94%，变速条件下，随转速降低而降低，变化很大。 2.2 经济比较 经济比较主要是变频调速给水泵与液力耦合器调速给水泵年运行费用的比较。也就是年耗电量的比较。 通过上述比较变频调速年节电为6012320kwh占年发电量的近0.5%节电率为20%。平均电价按0.28元计，年节约运行费用为6012320kwh×0.28元≈168万元。一般2.5年以内即可回收投资。 3、给水泵对变频器的要求 给水泵，作为电力生产过程的重要辅机，对高压变频器有很高的要求。首要的是要求高压变频器具有很高的可靠性，主要包括： （1）变频器平均无故障运行小时数≥80000小时 （2）对电网电压波动的适应能力强，即能够在较大的电网电压波动范围内正常工作。这个范围一般是-30%～+10%。 （3）直接高压变频输出，变频器效率≥96%,功率因数0.95以上。 （4）应符合国家标准GB/T14549 GB/T 15543-1995和IEEE519-1992标准。输入电流谐波4%,输出电压、电流谐波3%。 （5）输出波形好，du/dt＜1000 V/微妙 共模电压＜500V不存在引起电动机发热和影响电动机绝缘问题。可以使用普通异步电动机，对电缆长度没有限制。 （6）调速范围0-100% 调速精度0.5% （7）启动到满负荷时间15-30秒。 （8）变频器应具有自启动功能。应完全满足《火力发电厂厂用电设计技术规定》对1类电动机的自起动要求，具体包括： ①满足最低母线电压（65%）要求。 ②满足空载自起动要求。即备用电源空载状态自动投入失去电源的工作段时形成的自起动。 ③满足失压自起动要求，即运行中突然出现事故低电压，当事故消除、电压恢复时形成的自起动。 ④满足带负荷自起动要求，即备用电源已带一部分负荷，又自动投入失去电源的工作段时形成的自起动。 ⑤满足低电压保护动作于断路器跳闸的最高时限（9s-10s） 要求，即在低电压保护动作前完成自起动。确保机组安全运行。 ⑥自起动过程无扰动，无冲击，利于厂用电压恢复。 4、高压给水泵变频调速设计和改造中需要注意的问题 4.1 高压给水泵变频调速设计 给水泵变频调速可分为有增速齿轮箱给水泵与电动机经增速齿轮箱连接的变频调速和无增速齿轮箱给水泵与电动机直接连接的变频调速 4.1.1 给水泵与电动机经增速齿轮箱连接的变频调速 目前国内运行中的电动给水泵，多为异步电动机，由于电动给水泵转数多在3000-6000r/min之间，因此异步电动机变频调速需要在电动机和给水泵之间配备增速齿轮箱。 前置泵既可以单独布置，也可以与给水泵电动机同轴布置。为节约前置泵的耗电量，以同轴布置为宜。同轴布置设计制造时，应注意核算前置泵要满足给水泵有效汽蚀余量和必需汽蚀余量。即保证给水泵在再循环流量对应的最低转数条件下前置泵满足给水泵必需汽蚀余量。 4.1.2 给水泵与电动机直接连接的变频调速 增速齿轮箱做为齿轮增速装置，无疑是有机械损耗的（3%左右）为进一步降低给水泵耗电量，采用同步转数为3600rpm的异步电动机（6kV 60Hz）配备相同转数的高压给水泵变频调速，取消增速齿轮箱，实现电动机和给水泵直接连接。较有增速齿轮箱的变频调速可提高效率3%，这一变频调速方案较耦合器调速方案增加一台变频器，减少增速齿轮箱和耦合器一套，减少联轴器两对，减少压力油系统，其配套给水泵采用诱导轮技术还可以省掉前置泵，省掉相应管道、阀门、热工仪表、耦合器基础等，综合比较给水泵与电机直接连接的变频调速较液力耦合器调速只增加350万。由于变频调速年可节省运行费用168万元，所以增加初投资350万元，可在2.1年回收（这里尚未计算取消增速齿轮后，提高效率3%节电量的相应费用）。 4.2 运行中电动给水泵的变频改造 为降低运行中电动给水泵的耗电量，对运行中的电动给水泵进行变频改造是十分必要的。 运行中的电动给水泵进行变频改造，首要的是选择满足高压给水泵要求的变频器和选择适当位置，布置高压变频器，进行一次和控制系统的相应改造，这是毫无疑义的。重要的是对液力耦合器的相应改造，这一部分改造的主要内容是取消液力耦合器的调节部分，保留液力耦合器的增速部分。即拆除液力耦合器的压力油系统、拆除勺管调速系统，拆除泵轮和涡轮改为对轮连接。取消同轴齿轮油泵增加一台备用齿轮油泵与原电动齿轮润滑油泵连锁。 5、结论 综合上述技术经济分析，200MW汽轮机组，给水泵由液力耦合器调速变更为变频器调速,技术上是可行的；经济上是可取的,采用电动机与给水泵直接连接的变频调速综合技术经济比较最佳。为实现降低能源消耗20%的目标,将2×100%额定容量液力耦合器调节的电动给水泵,其中一台改为变频调节,作为运行泵；另一台液力耦合器调节的电动给水泵，作为备用泵，就可以有效降低给水泵耗电量。有效的达到节能降耗的目的。