200MW火电机组给水泵变频节能改造探讨.docx

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1、介绍了200MW火电机组配置的给水泵综合节能改造必要性及给水泵高压变频器的工作原理，针对该厂现有给水泵设备配置能耗偏高的情况，提出改造方案。对给水泵前置泵是否改造进行了技术论证，排除了给水泵在低负荷阶段，变频运行时出现给水泵汽蚀的担忧。对给水泵综合节能改造方案从经济性、可行性和改造后实施的效果进行了细致对比分析，总结了改造运行后的优势，使综合厂用电率下降了041%,同时具有安全稳定、操作简便、效益显著等特点。一、引言随着国民经济稳步持续发展，资源和环境所面临的压力越来越大，国家出台了煤电节能减排升级与改造行动计划等系列节能减排法律法规，严厉的节能减排政策迫使火电企业加大节能技术改造。面对经济发

2、展新常态下电力行业的发展现状和高度竞争的市场环境，火电企业必须节约能耗，以增强市场竞争力，谋求自身的生存发展。热电公司2x200MW热电联产机组，位于市，两台机组于2011底建成投产发电，给水泵采用液力耦合器调节技术，耗电量占综合厂用电量的21.7%-23.1%,给水泵的耗电占各辅机设备之首。目前，国内在运火电机组配置给水泵有汽泵、液力耦合器、电泵、变频调节等多种方式。结合国内火电机组己完成节能改造的给水泵运行效能情况,高压变频技术以具备精准电压调节、启动性能好等诸多优势，尤其在节能方面，得到广泛的认可。多年来，高压变频调节技术在市场的应用日趋成熟，本文针对阿克苏热电公司在创新采用给水泵高压变

3、频器“一拖二”模式、液力耦合器外接辅助润滑油系统进行改造的研究和应用予以介绍，并对比分析改造前后的节电效果，以供参考。二、给水泵变频改造的论证2.1 变频器的工作原理把电压和频率固定不变的交流电变换为电压或频率可变的交流电的装置称作“变频器”，变频器首先要把三相或单相交流电变换为直流电，然后再把直流电变换为三相或单相交流电，变频器同时改变输出频率与电压，也就是说改变了电机运行曲线，使电机运行曲线平行下移。因此变频器可以使电机以较小的启动电流，获得较大的启动转矩，即变频器可以启动重载负荷。变频器具有调压、调频、稳压、调速等基本功能，内部结构复杂但使用简单，广泛的应用到各个工业领域。高压变频调速通

4、过改变定子电动机的频率实现调速。式中n为转速，f为频率，P为极对数，S为转差率，磁极对数、转差率不变时，转速和电源频率成正比。连续地改变电源频率，就可以平滑地调节电动机的转速。高压变频器可实现恒转矩，无级调速，调速范围大，可以为O100%,在整个调速范围内都具有较高的效率（大于96%）,具有电机软起动功能，解决了起动冲击问题。电厂变频调速节能技术能够通过改变电机工作电源的频率和幅度的方式,进而改变电机的运转速度，使输出功率随着负荷的变化而变化，实现对交流异步电机的软启动、变频调速、提高运转精度、改变功率因数、过流/过压/过载保护等功能，同时可实现低负荷运转时节省电能的目的。2.2 给水前置泵同

5、轴运行的可行论证根据电厂给水泵运行情况分析，850rpm时对应的给水泵转速为3l80rpm,流量大概为170m3,对应的负荷90MW左右。而机组一般最低运行负荷为100MW,对应的转速大约为350OrPm。所以在保证最低转速的要求下，能满足电厂最低发电负荷要求并能满足给水泵的最小汽蚀余量，此方式是可行的。目前，电厂在用的给水泵汽蚀余量在额定工况下为61.7m,在50%负荷下必需汽蚀余量为54.4m,此时流量由758.4m3h变为636.7m3h,前置泵的扬程为93m。如果仅根据相似定律来进行计算（流量比与转速比一致，压力比与转速比的平方一致：Q2Q1=n2nl;H2/H1=（n2nl）2；P2

6、PI=（n2nl）3）,转速变为原来的83%,则前置泵的扬程由93m变为64.7m,满足超出给水泵汽蚀余量为54.4m要求。当补水量进一步减少，运行在330th（基本在电厂负荷较低水平）此时转速由5195rmin下降到3268rmin,水泵的负荷为23%,如果仅根据相似定律来进行计算，此时前置泵的压力下降到36.3m,而此时给水泵的允许的汽蚀余量是随着流量的减小而减小的，所需的水泵汽蚀余量为38m左右，此时处于水泵汽蚀的临界状态。但实际水泵中的运行的工况点除了和水泵本身相关外，还和水泵所处的管路密切相关。从下图中可以看出，当转速由nl下降到n2时，在上述理论计算中，流量应由Ql下降到QH,（扬

7、程由H降为HI）但在实际运行中，汽包水位较高，整个管路中有较大的阻力，扬程只能由H降为Hll相对于变转速后的系统来说，管阻由Rl增加到R2（幅度较小），流量应由Ql下降到QllL而对于前置泵来说，流量比与转速比是一致的。变转速后的流量由Ql下降到Qll,此时的Q11Q11L即是前置泵的流量在变转速后的瞬时是超过给水泵的，这就会使得给水泵的进口处的压力（前置泵的出口压力，即扬程）要高于理论计算值36.3m,可满足水泵必需汽蚀余量38m。在变转速过程中的给水泵流量及前置泵的扬程可描述为：其物理原理是：只要前置泵的流量始终大于主泵流量，前置泵和主给水泵之间的管道中就不可能出现脱流”现象，也就不可能产

8、生汽蚀。至于压力，在降速初期，由于主泵流量减少的更多些，所以压力会比工频运行时有所升高，以后随着转速的降低而降低。总之，只要前置泵的流量始终大于主给水泵流量，前置泵和主给水泵之间的管道中就不可能出现“脱流现象，没有产生严重汽蚀问题地的可能。理论研究和现场试验都已经证明了这一点。以上分析对于单泵运行模式（200MW机组设计2台100%的泵，I用I备）是科学合理的。当给水泵调速运行时其允许的汽蚀裕量是随着流量的减小而减小的，前置泵是允许调速运行的。其关键是2泵在同时调速运行时，哪一个的流量减小得更多些。如果主给水泵的流量比前置泵的流量减小得更快些的话,就基本不用担心给水泵组在调速运行时主泵汽蚀的问

9、题了。主给水泵由于静扬程（汽包压力）的存在，并且占到其额定扬程的比例还很大，所以在泵组调速运行时，主给水泵流量的减小与转速的降低是不成比例的，而是流量比恒大于转速比。而前置泵流量的减小基本上与转速的一次方成正比，所以主给水泵流量的减小要比前置泵来得更快些，这样就会使前置泵和主给水泵之间的管道中的压力增加，最终当前置泵的流量降低到给水泵流量的数值时，前置泵出口压力不再增加，泵组在调速运行时的汽蚀问题基本不会发生。2.3 给水泵汽蚀分析对给水泵前置水泵不做任何处理的方案中，当电机的转速处于较低水平的时候产生了汽蚀的问题，先对这一问题做一分析说明。从目前公开的资料和现场反馈中发生汽蚀的改造基本上都发

10、生在给水泵双泵并列运行时（300MW及以上机组设计3台50%的泵，2用1备情况）。由于并联同时运行的主给水泵的总流量与前置泵的总流量相同，在运行时由于给水泵所在管道结构和阻力系数不同，会导致并列运行的两台主给水泵的流量并不相同，发生所谓的“抢水”现象。在高转速运行时，总流量较大，两给水泵中的流量差别比例不大，流量的差别不是很明显；但当转速降低到一定程度以后，总流量较小，其流量的差别将越来越明显。那么主泵流量较大的那一台泵所需的汽蚀余量就较大，会大于前置泵所提供的压力，从而发生汽蚀。可以采取的补救措施是：2台泵不要以同一转速运行，而是各自以出口流量作为过程变量闭环控制其转速，使得两台泵的出口流量

11、基本相同，以避免“抢水”现象的发生。即使是这样，也只是在一定程度上（或一定的转速范围内）避免了汽蚀的发生，不能从根本上防止汽蚀。因为采用这种控制方式时，虽然可以控制出口流量基本一致（也是有一定难度的），但是原来在等速运行时流量较大的那一台泵的转速就会降低，导致前置泵的流量相应的下降,当2台泵的转速差别大到一定程度时,其前置泵的流量就会小于主泵流量，同样会发生汽蚀。只是会比2台泵等速运行时发生得稍迟而己。给水泵的改造方案3.1 给水泵运行方式概况一台机组配置100%容量的电动给水泵2台，1台运行，1台备用，通过液力耦合器调节给水泵转速控制给水流量。给水泵运行方式为一用一备。锅炉应用的液耦调速给水

12、泵组包括给水泵、液耦工作油泵/润滑油泵，由耦合器输入轴同轴驱动，给水泵通过液力耦合器滑差调速，而工作油油泵/润滑油油泵与给水泵电动机同步恒速转动，见下图。增速内轮图2液力耦合器调速给水泵系统示意图3.2 给水泵设备技术参数编号项目单位给水泵前置泉1型号HPTmk-200-320-5SBQ03.102入口压力MPa1.81.03出口压力MPa181.84入口献t/h758.45出口流量Vh7256抽头流量t/h33.47中间抽头压力MPa7.528进口温度C1709给水密度kgm3897310扬程m16569311转速r/min5195149312汽蚀余量m61.713效率%83.814轴功率k

13、W365821815生产厂冢=tm电力皿r表1蛤水泵和前置泵叁数型号YOCQ-X51额定传输功率5100kW输入转速1493r/min就出转速5550r/min生产厂家,际电力设备总厂表2蛤水泵液力耦合器叁数型号YKS800-4功率50kW功率因数0.916000V电流544A绝等等级F哂1493生产厂家上海电气上海电机厂有限公司表3蛤水泉电机参数3.3 给水泵改造选择给水泵的改造方案中主要问题集中在液力耦合器如何处理方面。主要有以下改造方案：331完整保留液耦结构，勺管开度维持在最大值附近。方案a：保留原有液耦不做任何改变，勺管开度维持在最大值附近，增加一台变频电机,此变频电机单独配在一台给

14、水泵电机上，另外一台不作任何改变。使用时仅仅使用一台变频运行，故障状态下再启动另外一台备用液耦调速的水泵。方案b：保留原有液耦不做任何改变，勺管开度维持在最大值附近，增加一台变频电机,此变频电机配在两台给水泵电机上，实现“一拖二”的运行方式。实际使用过程中在检修的时候进行给水泵的切换，在正常运行中尽量避免操作，在故障状态下同a中的方式运行。3.3.2 对现有液耦进行改造a将液力耦合器改造为增速箱。b.将液力耦合器拆除，增加一新增速箱。333Ia方案说明图3Ia单台变频运行，另一台不做任何改变，备用给水泵液力耦合器调速进行变频改造后，仍保留液力耦合器的全部功能，给水泵正常工作时液力耦合器勺管固定

15、开度在100%,利用给水泵电动机变频控制对给水泵进行调速。改造一台给水泵组的液力耦合器，液力耦合器的工作油泵和润滑油泵与给水泵电动机脱离，液力耦合器箱体外部增配工作/润滑油泵定速驱动电动机独立工作。334Ib方案说明图4Ib耦合器变频器对给水泵电机一拖二的调节给水泵液力耦合器调速进行变频改造后，仍保留液力耦合器的全部功能，给水泵正常工作时液力耦合器勺管固定开度在100%,利用给水泵电动机变频控制对给水泵进行调速。改造两台给水泵组的液力耦合器，利用开关组合，拟实现变频器对给水泵电机“一拖二”的调节，电动机变频/工频采用手动切换，配手动旁路开关。给水泵工作方式为一台运行一台备用，变频运行泵故障跳闸时,联锁启动工频备用泵。3.3.5 2a方案说明6VtlMBdkVfijaARA泉B泵图52a液力耦合器改造成增速箱两台给水泵组只对其中一台进行变频调速改造，另一台仍保留原有液耦工频调速方式,给水泵组长期正常运行方式为一台变频在运调速，利用给水泵电动机变频控制进行调速。变频