火电厂锅炉电动给水泵系统优化及节能分析.pdf

电气传动2 0 1 5 年第4 5 卷第 1 0 期 E L E C T R I C D R I V E 2 0 1 5 V o 1 ． 4 5 N o ． 1 0 火电厂锅炉电动给水泵系统优化及节能分析 郭辉 ， 王 日峰 ， 顾志国 1 冲 国节能减排有限公 司 北京神 华中机能源环保科技有限公 司， 北京 1 0 0 0 1 1 ； 2 ． 神华神东电力公司 新疆米东热电厂， 新疆 乌鲁木齐8 3 0 0 1 9 摘要 介绍了火电厂电动给水泵节能改造的方案 ， 分析了给水泵变频控制节能的原理、 优点， 针对生产的 实际工况， 对设备选型和改造方案进行了具体设计。应用结果表明， 该方案达到了设计要求 ， 给水泵液力耦合 器调速改成高压变频调速不仅可行， 而且必要。变频改造后， 可以延长设备寿命 ， 降低厂用电率， 具有明显的 经济效益、 社会效益， 为同类电厂节能改造提供了参考。 关键词 火电厂； 电动给水泵； 高压变频器； 节能 中图分类号 T P 1 3 文献标识码 A Op t i mi z a t i o n s o f Th e r ma l Po we r P l a n t M o t o r d dv e n F e e d Wa t e r P ump S y s t e m a n d En e r g y S a v i n g An a l y s i s GUO Hu i ， WANG Yu e - f e n g ， GU Z h i g u o 1 ． C h i n a E n e r g y C o n s e r v a t i o n a n d E mi s s i o n R e d u c t i o n C o ． ， L i d． ， B e r i n g S h e n h u a E n e r g y E n g i nee r i n g E n v i r o n m e n t a l P r o t e c t i o n T e c h n o l o g y C o ． ， L t d ． ， B e ifi n g 1 0 0 0 1 1 ， C h i n a ； 2 ． S h e n h u a S h e ndo n g E l e c t r i c P o w e r P l a n t ， X i n j i a n gMi d o n gT h r e m a l P o w e r P l a n t ， U r u mq i 8 3 0 0 1 9 ， X i n j i a n g ， C h i n a A b s t r a c t T h e e n e r g y s a v i n g r e f o r m o f m o t o r d ri v e n f e e d w a t e r p u m p i n t h e rm a l p o w e r p l a n t p r o j e c t w a s i n t r o d u c e d ， a n a l y s e d t h e e n e r g y s a v i n g p r i n c i p l e a n d a d v a n t a g e o f e q u e n c y c o n v e r s i o n ． Ba s e d o n t h e a c t u al ma n u f a c t u r e s t a t u s ， t h e e q u i p me n t s e l e c t i o n a n d alt e r a t i o n p r o j e c t w a s d e s i g n e d i n d e t a i l ． Th e r e s u l t s o f a p p l i c a t i o n s h o w t h a t t h e m e t h o d c a n me e t t h e d e s i g n r e q u i r e me n t ， a n d t h e h y d r a u l i c c o u p l e r f e e d w a t e r p u mp i s r e p l a c e d wi t h v a r i a b l e s p e e d f e e d wa t e r p u mp ，i s n o t o n l y f e a s i b l e ，b u t als o n e c e s s a r y ． Af t e r e q u e n e y c o n v e r s i o n t r a n s f o rm a t i o n ，i t c a n p r o l o n g t h e s e r v i c e l i f e o f e q u i p me n t ，r e d u c e p o w e r c o n s u mp t i o n r a t e ， a n d h a s o b v i o u s e c o n o mi c b e n e fi t a n d s o c i al b e n e fi t ． A r e f e r e n c e o f t h e c h a n g e t o t h e h e a t e n g i n e p l a n t i n t h e s a n l e c o n d i t i o n wa s p r o v i d e d ． Ke y wo r d s t h e r ma l p o we r p l a n t ； mo t o r d r i v e n f e e d wa t e r p u mp；h i g h v o l t a g e i n v e r t e r ；e n e r g y s a v i n g 火电厂电动给水泵作为机组辅机中最大的 耗 电设备 ， 其耗 电率占全厂用 电的2 0 ％～3 0 ％， 是 全厂耗电量最高的辅机设备 ， 直接影响到厂用 电 指标和全厂经济效益。高压变频调速具有系统 效率高、 能实现电动机软启动、 功率因数高、 调节 品质好等诸多优点[1] ， 因此对燃煤电厂电动给水 泵进行变频改造是提高机组经济性重要措施。 1 给 水泵液 力耦合 器调速 改变频调 速 的必要性 液力耦合器相对于定速泵和调节阀的控制 方式有着无级调速的优点 ， 一段 时期内广泛应用 于2 0 0 Mw和3 0 0 Mw等级的机组中， 但因其调 速转换效率随着转速降低而下降， 综合效率相对 较低。根据液力耦合器的设计原理 ， 液力耦合器 实现无级变速 ， 勺管开度越接近 1 0 0 ％， 其滑差越 小， 传递效率越高。 图1 中的液力耦合器效率曲线表明了液力耦 合器的传递特性 ， 可以清楚地看到 ， 虽然电动给 水泵组能够利用转速调节方式控制给水量， 但在 变负荷工况下 ， 尤其在低负荷情况下 ， 比如给水 泵转速在 6 0 ％时能量损耗就达到4 2 ％左右 ， 而发 作者简介 郭辉 1 9 7 2 一 ， 男， 工学博士， 高级工程师， E m a i l g u o h u i s h e n h u a ． C C 6 0 郭辉， 等 火电厂锅炉电动给水泵系统优化及节能分析 电气传动2 0 1 5 年第4 5 卷第l 0 期 电机组很难保证始终维持在9 0 ％以上负荷运行。 1 ．0 O ．9 O． 8 瓣 0 ． 3 O ．2 0 ． 1 O 输 出转速 比 图1 液力耦合器调速和变频调速的效率对比 F i g ． 1 C o m p s o n 0 f e c i e n c y a n d V a r i a b l e e n c y a d j u s t a b l e a n d d r a u l i c C o u e r 液力耦合器驱动调速的电动给水泵的节电 潜力是 很大 的 ， 其原 因是 按技术规 范进行设 计 时 ， 锅炉机组 的最大连续蒸发量是按汽轮机组的 最大进汽量的1 ．0 5 ～ 1 ． 1 0 倍计算的， 给水泵的最大 流量是按锅炉最大连续蒸发量 的 1 ． 0 5 ～ 1 ． 1 0 计算 的， 液力耦合器是按最大流量配套的， 机组投产 后 ， 即便在额定工况运行 ， 给水泵 液力耦合器 已 经偏离额定工况 1 0 ％左右 ， 近年来 3 0 0 Mw机组 年平均负荷率一般在 6 5 ％～ 7 5 ％， 偏离额定工况效 率明显降低， 这是液力耦合器的最大弊端 ， 效率 低， 损耗大， 运行中经常出现油温过高等异常情况。 变频调速装置 可以使 电动设 备处于最佳运 行状态， 大大提高运行效率 ， 达到节能 目的。目 前， 电动机的变频调速装置技术已非常成熟【2 _ 3 】 ， 在技术可行且不产生安全隐患的前提下 ， 提高在 低负荷工况下电泵组的效率， 降低电泵运行时的 电耗是十分必要的。 液力耦合器在运行中， 泵轮转速 要稍大于 涡轮的转速 ， 只有这样泵轮出口油压才能高于 涡轮人口油压， 从而完成转矩传递。泵轮与涡轮 的转速差与泵轮转速之 比如下式 B ／ B 式中 ．s 为液力耦合器的滑差。 液力耦合器在工作过程中的能量损失主要 是液体在工作腔内的流动损失和进人工作轮人 口处的冲击损失 、 工作轮与空气的摩擦损失， 以 及轴承、 密封、 齿轮齿等的机械损失， 因此液力耦 合器的输出功率P 2 总是小于输入功率P 。 液耦调速器与变频调速改造后的唯一 区别就 是两者的效率不 同【 4 ] ， 变频器的效率一般保持在 9 7 ％以上， 而液力耦合器的效率在9 0 ％以下， 两者 的效率差成了节能的来源， 而节能计算也是围绕 着计算液力耦合器的运行效率计算。对照图 1 ， 变频调速效率 曲线和液力耦合器效率曲线 围成的 三角区域就是液力耦合调速电动给水泵改为变频 调速后的节能空间。相同负荷条件下， 效率相差 很大 ， 7 5 ％负荷率 以下 ， 可以节电2 0 ％及以上。 2 电动给水泵变频改造实施方案 国内某 电厂单 机容量 3 3 0 MW， 配置 3台液 耦调 速 电动 给 水 泵 ， 带 前 置泵 。给 水 泵 电 机 5 5 0 0 k W／ 6 k V， 出水流量 5 5 9 ． 9讹 ， 扬程2 3 5 3 m， 液力耦合器 为 Y OT 5 1 型 ， 输入转速 l 4 9 1 r ／ mi n ， 输出转速5 9 0 0 d m i n 。每台机组配置3 台5 0 ％额 定容量电动给水泵 ， 采用液力耦合器调节给水泵 控制给水流量 。系统如图2 所示 ， 锅炉给水泵 、 给 水前置泵、 液力耦合器工作油泵和润滑油泵由同 一 台电动机拖动， 给水前置泵、 工作油、 润滑油油 泵与给水泵电动机 同步恒速转动 。 图2 液力耦合器调速 给水泵 系统不意 图 Fi g ． 2 h e ma t i c d i a g r a m o f h y d rau l i c c o u p l e r o f v a r i a b l e s p e e d f e e d wa t e r pu mp s y s t e m 2 ． 1 改造方案的分析与选择 一 个合适 的锅炉给水泵液耦调速改变频方 案应该全 面考虑 和比较改造后设备长期运行 的 安全性 、 节能效益、 投资回报率 、 施工工期、 运行 的维护费用等多种要素， 综合比较后在确保长期 运行安全的基础上 ， 电厂的锅炉液耦调速电动给 水泵变频改造方案归纳如下 。 1 对 3 台液力耦合器调速电动给水泵中的 A， B泵进行变频调速改造 ， 保 留 C泵液耦调速功 能， 作为备用泵。 2 液力耦合器变频改造 时 ， 保持液力耦合器 的所有外部结构 以及内部结构不变 ， 不需要拆除 液力耦合器内部原有的工作油泵和润滑油泵， 从 而不会破坏液力耦合器的原始结构。 3 不拆除液力耦合器的原始工作油泵以及 润滑油泵 ， 保持原始的机组油系统设计理念 ， 从 而不需要对整个机组 的油管路进行拆 除或进行 大的更改， 不需要在机组现场进行大规模的焊接 施工。 4 变频改造后， 主给水泵与前置泵用同一台 电动机驱动 ， 前置泵的运行方式 由原来的定速改 为变速运行 ， 对前置泵进行校核 ， 以确保变频改 6】 电气传动 2 0 1 5 年第4 5 卷第1 0 期 郭辉， 等 火电厂锅炉电动给水泵系统优化及节能分析 造后能满足给水泵 的汽蚀余量的要求。 5 采用保留液力耦合器方式 ， 将液力耦合器 的原有功能全部保留， 无需单独配润滑油系统等 功能 ； 当变频器出现故障后可以迅速切换 到工频 运行， 等变频器故障排除后在切换回变频运行。 综合比较， 采用的变频改造方案具有新增设 备少， 施工工期短， 节能效益以及投资回报率高， 降低了设备长期运行的维护费用 ， 保证设备长期 运行 的安全稳定性的多种优点 ， 图 3 给出了改造 的工艺方案示意图。 图3 液力耦合器改造的工艺方案示意图 Fi g _ 3 S c h e ma t i c di a g r a m o f p r o c e s sh e me o f h y d r a u l i c c o u p l e r t r a n s f o r ma t i o n 2 ． 2 高压变频器控制方式 要求最大限度地达到节能目的， 提高给水泵 组节能效率 机组年平均负荷率7 0 ％计算 ， 改造 后给水泵组年度加权平均能耗应比改造前降低 2 3 ％ ， 同时保证备用给水泵的安全、 可靠备用。 本工程将对A给水泵、 B给水泵在原液力耦合器 调速基础上进行高压变频调速改造， 控制方式采 用手动一拖一方式。采用一台高压变频调速系 统拖动一负载 ， 其电气原理示意接线图如4 所 示。该方案在设计中考虑 1 工频旁路隔离刀闸 QS 3 设置联锁保护 ， QS 2 与 QS 3 为双头隔离刀闸， 防止误操作； 2 在变频运行状况下 ， Q S 1 ， Q S 2 闭 合 ， Q S 3断开 。如 运行过程 中变频 器发生 故障 停 机 ， 则启动备用泵 B泵 ， 断开母线侧高压开关 Q F 后， 断开Q S 1 ， Q S 2 ， 闭合 Q s 3 ， 使 A泵处于工 频备用状态； 3 待变频器故障排除后 ， 断开Q S 3 ， 闭合Q S 1 ， Q S 2 ， 闭合母线侧高压开关Q F 、 变频启 动A泵， 同时B 泵停机进入备用状态。 系 统 高 压 母 线 图4 手动切换 方式接线 图 Fi g ．4 Ma n u a l s wi t c hi n g mo de wi r i n g d i a g r a m 2 - 3 前置泵改造方案 火电厂锅炉给水泵， 人 口水温近似饱和水 6 2 温 ， 为保 证不 发生 汽蚀 ， 安装设 置 了低速 前置 泵。给水先通过前置泵升高压力后 ， 再进人给水 泵。这样就使给水泵人口的压力大于给水温度 所对应的汽化压力 ， 避免了给水泵 的汽蚀 。给水 泵组进行变频调速型液力耦合器电动给水泵改 造后， 前置泵如何运行 ， 是继续保持定速运行， 还 是由给水泵电动机同轴驱动变速运行， 成为必需 解决的技术关键 。 机组电动给水泵的前置泵 ， 由给水泵电动机 同轴驱动是 出于设计、 安装和使用的方便和习惯 ， 并不是前置泵要定速运行， 前置泵设计为同轴定 速方式 ， 是 因为液力耦合器调速时 ， 前置泵不能变 速运行 ， 为节省一台单独驱动的电动机 ， 由给水泵 电动机同轴驱动定速运行。关键是前置泵扬程所 提供的有效汽蚀余量， 在变速运行工况下， 无论转 速高低 ， 都要始终高于给水泵必需汽蚀余量。给 水泵电动机改为变频调速运行时 ， 前置泵也同时 改为变频调速运行， 既安全可靠又经济合理。 2 ． 4 液力耦合器改动方案 依据设备安全可靠原则， 液力耦合器改造原 则是 1 保留耦合器轴头油泵的功能， 确保突发状 态下整个机组能惰性停机， 不至于损害机组设 备； 2 保留机组轻载启动和柔性连接的功能， 保 护驱动设备在故障下， 不发生卡死或咬死现象 ； 3 尽量保留原操作习惯， 确保机组安全运行。 液力耦合器勺管保持 1 0 0 ％开度运行 ， 其润 滑油系统保留， 将液力耦合器 内部工作油油泵和 润滑油泵保 留， 增设外置式工作油 、 润滑油系统 ， 通过油管路 与耦合器相连 ， 油泵均采用 1 1 0 0 ％ 容量， 新增油泵与原耦合器油泵互为备用 ， 一运 一 备。 3 变频改造 节能效果 表1 、 表2 为机组相同负荷条件下A 泵改造前 后测取的电流值。B电泵电流下降值与A泵相 当 ， 计算中认为与 A泵一样 。由表 2 可得在不 同 负荷段的电流下降平均值为 1 2 8 A， 电泵工频运 行时其功率因数根据实测电能量计算 ， 负荷从 1 9 0 Mw至 3 3 0 Mw变化时， 其功率因数 自0 ． 8 2 逐步上升至 0 ． 8 9 5 ； 电泵变频运行 时当机组 负荷 从 1 9 0 Mw 至 3 3 0 MW 变化时 ， 变频器频率基本 在 3 5 Hz 至4 5 Hz 之间变化 ， 变频器输入功率因数 基 本维持在 0 ． 9 9 ， 因此 ， 计算时变频状态取其功 率因数为固定0 ．9 9 。 堡 熊 兰 郭辉， 等 火电厂锅炉电动给水泵系统优化及节能分析 电气传动 2 0 1 5 年第4 5 卷第l 0 期 表1 变频改造前机组各负荷段A电泵数据 Ta b ． 1 Fr e q u e n c y c o n v e r s i o n r e n o v a t i o n b e f o r e t h e p o we r u n i t A e l e c t ri c p u mp d a t a 表2 变频改造后机组各负荷段A电泵数据 Ta b ． 2 Th e p o we r f r e q u e n c y c o n v e r t e r u n i t A e l e c t ri c p u mp d a t a 根据变频器技术协议中关于变频装置总效 率 含变压器 的要求及其承诺 ， 变频器总效率 ≥ 9 6 ％， 计算时取9 6 ％， 单台前置泵、 油泵、 空水冷等 实际运行功率为1 0 2 k W。电泵变频改造后， 当按 照年度运行7 9 0 0 h 计算时， 图5 为A电动给水泵 工、 变频电流对比示意图， 电流平均下降 1 2 8 A 。 图 6 为电厂 1 号机组变频给水泵综合节 电率趋势 图 ， 机组不 同负载 锅炉给水流量 各工况下节能 率达 9 ％一3 2 ％， 年度节能量可达 1 1 4 0 万 k W h ， 按照上网电价 0 ． 2 8 8 6 元／ k W h 计算 ， 每年可产生 经济效益 3 2 9 万元 。 6 0 0 5 0 0 垂 l 0 0 0 负荷， Mw 图 5 A电动 给水泵工 、 变频 电流对 比 F i g ． 5 El e c t ric wa t e r p ump A v a r i ab l e f r e q u e n c y c u r r e n t c o mp a r i s o n 垂 垂 O 0 0 0 0 0 O 0 0 0 0 0 O 0 0 0 0 0 0 2 0 0 2 3 0 2 5 0 2 7 0 2 9 0 3 0 0 3 3 0 负荷／ MW 图6电厂 1 号机组变频给水泵综合节 电率 F i g ． 6 Un i t 1 p o we r p l a n t f r e q u e n c y c o n v e r s i o n wa t e r s u p p l y p u mp c o mp r e h e n s i v e e n e r g y s a v i ng r a t e A给水泵变频改造后的节能效果如表 3 所示。 在 1 9 0 MW负荷时 ， 给水泵在变频工况下E 匕 ] Ⅱ况 下的节电率为3 0 ． 5 8 ％； 2 5 0 Mw 负荷时 ， 变频工况 给水泵节电率为 l 7 ． 6 1 ％左右， 3 3 0 Mw负荷时 ， 给水泵节电率9 ．4 4 ％。可以看出， 随着机组负荷 的降低 ， 变频器节能降耗的幅度及 优势越 明显 ， 随着机组参与调峰幅度的增加 ， 给水泵 电机变频 改造将降低给水泵电机的耗电率， 进一步减少能 源消耗， 提高能源的利用效率。 表3 A给水泵变频 改造后 的节 能效果 T ab ． 3 Th e e ffe c t o fe n e r g y s a v i n gp u mpA a f t e r f req u e n c y c o n v e r s i o n t r an s f o r ma t i o n 4结论 通过研究分析， 液力耦合器调速给水泵替代 为变频调速给水泵， 可明显提高给水泵的运行效 率 ， 节能效果显著 ， 是电厂节能降耗的有效途 径。因此， 在电站给水泵的节能改造上将有较大 的发展前景。 参考 文献 [ 1 ] 贾贵玺， 张臣堂， 马志刚． 高压变频调速技术的研究及其应 用E J ] ． 电气传动， 1 9 9 9 ， 2 9 4 1 4 1 7 ． [ 2 ] 马小亮． 大功率风机 ， 泵节能调速发展方向探讨 [ J ] ． 电气传 动 ， 1 9 9 9 ， 2 9 1 3 - 6 ． [ 3 ] 李遵基， 姜萍， 李济英． 中压变频器在火电厂送风机控制中 的应用[ J ] ． 中国电力， 2 0 0 0 ， 3 3 6 7 5 7 7 ． [ 4 ] 韩安容． 通用变频器及其应用[ M] ． 北京 机械工业出版社 ， 2 0 0 4 ． [ 5 ] 孙立新． 给水泵高压变频控制技术的研究与应用[ J ] ． 电站 系统工程 ， 2 0 1 3。 2 9 2 7 5 7 8 ． 收稿 日期 2 0 1 4 1 1 - 1 0 修改稿 日期 2 0 1 5 - 0 4 2 2 6 3