一、項目概況

    河南汝州市瑞平煤電有限公司成立于2004年6月，注冊資本金10億元，是由中國平煤神馬集團和河南天瑞集團按照6∶4的比例共同出資建設的合資企業(yè)，電廠(chǎng)位于汝州市汝河南岸汝南工業(yè)區，于2007年投產(chǎn)運營(yíng)，屬?lài)野l(fā)改委批準的熱電聯(lián)產(chǎn)機組，經(jīng)營(yíng)范圍為發(fā)電和供熱，項目建設規模為300MW，現有兩臺150MW超高壓供熱汽輪機發(fā)電機組和兩臺每小時(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(chǎng)區概貌

    二、給水泵系統

    每臺鍋爐給水系統配套兩臺3800kW鍋爐給水泵，共計4臺，單臺給水泵流量593m³/h，揚程1770m，采用一用一備的運行方案，單臺給水泵即能滿(mǎn)足鍋爐滿(mǎn)負荷運行，給水泵系統由電動(dòng)機、液力偶合器、給水泵本體組成（見(jiàn)圖2）。其工藝流程是除氧器的水通過(guò)給水泵增壓后，經(jīng)過(guò)高壓加熱器送至鍋爐汽包（圖3黑色尖頭方向），鍋爐通過(guò)燃燒發(fā)熱將水變成高溫高壓的蒸汽，推動(dòng)汽輪機做功，實(shí)現鍋爐蒸汽系統和給水系統的汽水平衡。


                    

                                            圖2：給水泵組成


                    

                                       圖3：現場(chǎng)給水系統圖

    為保證整個(gè)鍋爐系統的穩定運行，改造前機組通過(guò)調節給水泵液偶輸出轉速的方式改變給水流量，保持汽包的液位穩定。由于給水泵轉速較高，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)機的額定轉速，升高至滿(mǎn)足給水泵額定工況的運行轉速；二是泵輪、渦輪、勺管、和循環(huán)油系統，其作用是通過(guò)勺管調節循環(huán)油，改變偶合器內的充油量，從而調節渦輪轉速，實(shí)現輸出轉速的調速。機組正常運行時(shí)，就采用單臺給水泵供水運行方式，另外一臺泵處于備用狀態(tài)，兩臺給水泵之間只需按規程進(jìn)行定期倒泵操作。

    三、可行性分析

    3.1存在的問(wèn)題

    瑞平電廠(chǎng)在采用液力偶合器調速時(shí)，雖然能滿(mǎn)足鍋爐供水調節的功能，但是發(fā)現存在以下問(wèn)題：

    （1）給水泵采用液偶傳動(dòng)調速運行，傳動(dòng)損失大、系統效率低，造成大量能源浪費。

    （2）調速范圍有限為50～95%，轉速不穩定，高速段減小了設備的出力能力，低速段影響節能效益的發(fā)揮；

    （3）調速精度低，線(xiàn)性度差，響應慢，不大適應自動(dòng)控制要求；

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

    （5）電機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)穩定；

     （6）由于存在較為復雜的油系統，液偶維護量較大，單臺4000KW的液力偶合器平均每年的維護費用就近20W，嚴重浪費人力及影響生產(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 )對電廠(chǎng)的系統穩定造成影響，瑞平電廠(chǎng)技術(shù)人員尋找適合的替代方案，經(jīng)多方對比發(fā)現，利用高壓變頻器替換目前給水泵液偶調速控制，具有完美的解決方案。同液偶調速方案相對比，高壓變頻器調速系統具有以下優(yōu)勢：

    （7）調速范圍寬0-140%，調速精度高，響應速度快

    （8）效率高（大于96%），且在20%負荷以上時(shí)均穩定在96%

    （9）可實(shí)現真正的軟啟動(dòng)，對電動(dòng)機和電網(wǎng)無(wú)沖擊，可降低給水泵及電動(dòng)機的故障率，減少維修費用

    （10）輸入功率因數高可達0.95以上，只吸收很少的無(wú)功

    （11）易維護；改造、調試周期短；故障時(shí)可切換工頻運轉，適用于不允許停機的場(chǎng)合。

    3.2 具有的優(yōu)勢

    在確定采用高壓變頻器進(jìn)行改造后，瑞平電廠(chǎng)開(kāi)始對國內高壓變頻器主要生產(chǎn)廠(chǎng)家進(jìn)行考察和篩選，利德華福公司的高壓變頻調速系統，對比其它產(chǎn)品具有如下優(yōu)勢：

    （1）采用單元串聯(lián)多電平拓撲結構，輸入輸出諧波含量小，功率因數高，結構可靠。

    （2）應用無(wú)速度傳感器的矢量控制技術(shù)，控制精度高，響應速度快。

    （3）產(chǎn)品應用近10000套為國內最多，充分經(jīng)過(guò)市場(chǎng)檢驗，產(chǎn)品成熟可靠，故障率低。

    （4）電廠(chǎng)應用業(yè)績(jì)最多，在3000套以上，熟悉電廠(chǎng)工藝工況，對實(shí)施方案的設計有豐富經(jīng)驗，保證系統的可靠性。并且在給水泵的改造上有成功經(jīng)驗，例如300MW機組的大唐耒陽(yáng)電廠(chǎng)、包頭東華熱電用戶(hù)曾經(jīng)前去考察。

    （5）6kV/4000kW產(chǎn)品額定電流將達到450A以上，將遇到很多設計難點(diǎn)，而利德華福公司有豐富的大功率變頻器的設計經(jīng)驗，已投運的設備最大達18000KW，5000KW功率以上的投運設備有100余套。

    （6）依托于全球500強企業(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；利用集團優(yōu)勢，柜內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)鍵的負載，其可靠運行肯定是第一位的，所以產(chǎn)品的可靠性也是改造時(shí)首要考慮的對象。經(jīng)過(guò)多方對比和綜合考慮，瑞平電廠(chǎng)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4臺給水泵進(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(kāi)度至最大輸出，只承載傳動(dòng)和增速作用。變頻器通過(guò)電氣特性控制電動(dòng)機轉速實(shí)現給水泵的流量調節。由于沒(méi)有拆除液力偶合器，對液力偶合器的維護同樣存在；同時(shí)由于液力偶合器本身的效率問(wèn)題，仍存在一定的節能率下降。

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

    結合現場(chǎng)情況，我公司初步設計的方案為拆除液力偶合器，在電機和水泵之間增加增速齒輪箱，這樣可減少液偶的中間損失，使給泵系統效率最高。但由于工期及增速齒輪箱廠(chǎng)家供貨周期的問(wèn)題，最終用戶(hù)保留了三臺液力偶合器，在變頻器控制運行時(shí)，液力偶合器勺管開(kāi)度至100%輸出，據現場(chǎng)反饋，在同等負荷下，沒(méi)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(chǎng)仍計劃在檢修時(shí)將剩余液偶拆除。


                    

                                 圖4：保留液偶畫(huà)面

                    
                    

                                   圖5：拆除液偶增加齒輪箱畫(huà)面


                    

                                        圖6：現場(chǎng)齒輪箱圖片

    現場(chǎng)兩個(gè)機組4臺給水泵，采取一用一備的形式，且全部配備變頻器，當一臺給水泵故障時(shí)，可立即啟動(dòng)備用泵運行來(lái)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(kāi)關(guān)QS41、QS42和QS43組成（見(jiàn)上圖）。要求QS42和QS43之間存在機械互鎖邏輯，不能同時(shí)閉合。變頻運行時(shí)，QS43斷開(kāi)，QS41和QS42閉合；工頻運行時(shí)，QS41和QS42斷開(kāi)，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)使負載投入工頻電網(wǎng)運行。

    五、節能效益分析

    對于系統變頻改造前有液偶調速設備，節能計算如下：

    5.1工頻狀態(tài)下的耗電量計算

    Pd：電動(dòng)機功率；Cd：年耗電量值； U：電動(dòng)機輸入電壓；I：電動(dòng)機輸入電流；cosφ：功率因子； T：年運行時(shí)間；δ：?jiǎn)呜摵蛇\行時(shí)間百分比

    電機耗電功率計算公式：Pd =×U×I×cosφ　…①

    累計年耗電量公式：Cd= T×∑（Pd×δ）　…②

    根據計算公式①②，通過(guò)計算可得出工頻情況下各負載的耗電量,綜合高速、低速運行的時(shí)間，計算出平均工頻運行功率。

    5.2變頻狀態(tài)下的年耗電量計算

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

                     …③

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

    由液力偶合器的運行特性可知，…④

    其中：為實(shí)際轉速，為電機額定轉速。

    累計年耗電量公式：Cb= T×∑（Pb×δ）　…⑤

    其中：Cb：年耗電量值；為變頻時(shí)功耗；T：年運行時(shí)間；δ：?jiǎn)呜摵蛇\行時(shí)間百分比。

    變頻器的效率曲線(xiàn)可從下圖中查出。


                    

                                   圖7變頻器的效率曲線(xiàn)

    根據計算公式③④⑤，通過(guò)計算可得出變頻情況下各負載的耗電量，根據加權時(shí)間得出設備在變頻調速下運行的平均功率。

    5.3節能計算

    年節電量：ΔC= Cd－Cb …⑥

    節電率=（ΔC/Cd）×100% …⑦

    變頻改造后，根據公式⑥⑦，可計算出各負載上變頻后與工頻相比每年的節電情況。

                     

                                       圖8 現場(chǎng)DCS畫(huà)面截圖

    由現場(chǎng)采集的DCS的圖片以及現場(chǎng)運行人員反饋，當時(shí)機組運行負荷為73MW，給水泵的轉速為2974r/min（額定轉速4725r/min），如原有液偶的情況下，轉速也基本相當，根據液偶的效率可計算出在此轉速節電率在30%左右，秋季和春季運行情況和圖片中的運行狀態(tài)基本相同；機組冬季和夏季負荷會(huì )稍高，達到100MW以上，所以節電率會(huì )降低，約在15%左右。

    七、小結

    隨著(zhù)電廠(chǎng)節能優(yōu)化的深入，常規的送風(fēng)機、引風(fēng)機、凝結水泵等負載均已完成節能改造，電廠(chǎng)的降耗就必須尋找新的突破口。給水泵作為鍋爐系統最大的用電設備也是最重要的輔機設備，由于前幾年對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(zhù)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(chǎng)對于給水泵的變頻器改造開(kāi)始進(jìn)行有意的嘗試，通過(guò)多個(gè)項目的改造實(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，對機組的安全運行沒(méi)有影響，同時(shí)帶來(lái)的經(jīng)濟效益也是相當可觀(guān)。給水泵的變頻改造在近期將會(huì )成為電廠(chǎng)節能改造的熱點(diǎn)。