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200MW火电机组给水泵变频节能改造的研究与应用

浏览次数: 日期:2020-3-23 9:57:17

摘要:文章介绍了200MW火电机组配置的给水泵综合节能改造的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,提出了改造方案。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0.41%,同时具有安全稳定、操作简便、效益显著等特点。

关键词:高压变频器、前置泵、汽蚀、综合厂用电率


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。

徐矿集团新疆阿克苏热电公司2×200MW热电联产机组,位于新疆阿克苏市,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。结合国内火电机组已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。

高压变频调速通过改变定子电动机的频率实现调速。

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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0~100%,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3180rpm,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3500rpm。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758.4m3/h变为636.7m3/h,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:Q2/Q1 = n2/n1;  H2/H1 = (n2/n1)2 ; P2/P1= (n2/n1)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330t/h(基本在电厂负荷较低水平)此时转速由5195r/min下降到3268r/min,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n1下降到n2时,在上述理论计算中,流量应由Q1下降到Q11,(扬程由H降为H1)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H11’,相对于变转速后的系统来说,管阻由R1增加到R2(幅度较小),流量应由Q1下降到Q11’。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Q1下降到Q11,此时的Q11> Q11’。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:

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图1 转速特性图

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,1用1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已。

 

三  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。

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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

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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:

3.3.1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。


3.3.3   1a方案说明

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图3 1a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。


3.3.4   1b方案说明

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图4 1b 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

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图5 2a 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。

变频改造的给水泵新增一台容量6300kVA/6kV的合康高压变频器。液力耦合器改造为增速箱,液力耦合器原本就是由增速齿轮组+液力联轴器组合而成,本方案根据耦合器内部零部件的结构,原封不动地保留原耦合器高速增速齿轮副及涡轮轴,并在高速轴间采用齿形联轴器柔性连接。此方案中保持原耦合器大齿轮,去掉原来耦合器的泵轮、涡轮及涡轮套,原小齿轮轴与涡轮轴间采用专门设计的齿形联轴器柔性连接。齿形联轴器通过鼓形量的设计和侧隙选择,可以部分消除带负荷运行时齿轮轴轴心线与涡轮轴轴心线不同心的影响,转子需要进行高速动平衡实验。


3.3.6   2b方案说明

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图6 2b 将液力耦合器更换为增速齿轮箱方案

此方案取消液力耦合器调节功能,两台给水泵只对其中一台进行变频改造作为运行泵,保留另外一台液耦调速给水泵作为备用泵。


3.4方案比较与选择

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在上述的方案中,从电厂节能改造的角度上来考虑,在实现能量节约的前提下,运行的安全稳定性及可靠性始终是放在第一位的。通过以上四个方案的介绍,我们可以得出下面的分析结论:

方案1a,1b对原有系统的改造是最小的,将液力耦合器改造成多功能液力耦合器。所谓多功能液力耦合器就是在保留液力耦合器调速功能的基础上增加液力耦合器的增速齿轮箱输出功能。实现这一改造后,液力耦合器具备了两种功能,一是工频运行时的液力耦合器的调速功能(这是原来就有的);二是变频运行时(将勺管固定在最大转速位置)的增速齿轮箱输出功能(这是改造后新增的)。两种功能可以通过勺管进行切换。虽然这是以减少3-5%的节电率为代价的,但这对于给水泵改造后的安全稳定性来说又是弥足珍贵的。

方案2a,2b中,一是将液力耦合器更换成增速齿轮箱,就是购买1台增速齿轮箱,其造价高,工期长,可能还需要改造给水泵基础等,改造工作量大,改造周期长。一是将液力耦合器改造成增速齿轮箱,不需要改造给水泵基础,但是要由液力耦合器厂家进行改造,工作量大,改造周期长,且属非标产品,运行稳定性很难保证。改造不具有可恢复性。另外在极端情况下(例如变频器故障、另外一备用泵故障),给水泵的给水量就无法调节了,严重影响锅炉系统的安全。

方案1a与1b的比较中,1b对两台液耦都进行了外接辅助油系统改造,每台需增加两台油泵,看似增加了改造的工作量,但在实际的改造中,仅仅增加了两台小功率供油泵电机(箱体外部增配工作/润滑油泵定速驱动电动机独立工作),对原有的液耦结构不需做改动,增加的工作量和成本可忽略。

另外在系统的安全冗余考虑中,一用一备,轮换使用是保证系统安全、稳定且长期运行的保证。在1a,2a,2b方案中,都是将固定的一台给水泵进行改造,在以后的运行中也是这一台水泵长期运行(在设备的管理上是不科学的),这对于系统的使用寿命是不利的,安全冗余性能下降(一台给水泵设备长期使用,由于短板理论,整个一用一备的系统寿命也缩短了)。

综合以上的分析,决定在实际改造过程中选择1b的改造方案,即增加一台变频器,对两台液耦外接辅助润滑油系统进行改造,实现给水泵变频器 “一拖二”运行模式,一运一备。


3.5给水泵液力耦合器改造难点说明

在选定的方案1b中,液力耦合器的主油泵是由电动机的轴直接驱动的,当电动机调速运行后,会出现油压不够的问题,会使液力耦合器不能正常工作。需要将主供油泵改为由定速电动机驱动来解决液力耦合器工作油压稳定的问题,另外润滑油泵也需做相应的处理。液力耦合器的工作油泵和润滑油泵与给水泵电动机传动机构脱离,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。保留液力耦合器内置辅助油泵,增加两台外置工作油、润滑油泵,单独配置定速电机。


3.6给水泵变频器“一拖二”运行模式说明

由于给水泵工作过程中,需要保持锅炉给水系统的稳定均匀性,给水系统设备庞杂,机组长时间持续运行过程中,难免出现需要切换运行的时候,给水泵变频运行的切换就比较繁琐,所以给水泵变频器“一拖二”的运行方式在实际使用过程中受到了一定的限制,具体切换操作需采用“三倒两切”方式,如下表。

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这是两台给水泵共用一台变频器的“一拖二”切换过程,在机组运行中让工频备用泵转换为变频运行泵运行操作是比较繁琐,所以不建议在机组运行中进行变频泵的“一拖二”切换。但在机组相关检修中可以进行变频泵的切换,此时的切换就非常的简单。检修过程后的“一拖二”运行避免了某一台水泵单一长期运行产生损坏造成直接的经济损失和延宕检修工期,大大提高了整个给水系统的使用寿命。

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图7   高压给水泵电气接线原理图  

 

4  给水泵改造前后的对比分析

4.1改造前的理论计算

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工频调节:电机全速,通过液耦调节水泵转速实现生产工艺调节;

变频调节:通过调节频率改变电机转速实现生产工艺调节。

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以330T/H(100MW)运行时间为70%,563T/H(180MW)为30%运行时间计算,年运行时间为6000h的发电量:100MW×6000h×70%+180 MW×6000h×30%=7.44亿度。年节约电费=770×4200h×0.225元/kwh+443×1800h×0.225元/kwh=90.71万元。 


4.2改造后的实际效益

给水泵综合节能改造后,从连续运行日的发电情况和给水泵耗电量对比发现,改造后较改造前给水泵日耗电平均节约2.4万千瓦时左右,则年节约电费=2.4万kwh/24h×6000h×0.225元/kwh=135万元。

考虑到新疆电力市场供大于求的特殊性,如机组年运行小时安5000h计算,则年节约电费=2.4万kwh/24h×5000h×0.225元/kwh=112.5万元。


4.3 改造前后经济性对比

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图8  给水泵改造前后日耗电量对比图

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图9 机组日发电量与日节电率的关系图

给水泵改造后呈现的节电特点:在机组额定负荷50%-100%之间运行时,机组负荷越低,节电量越多,当机组满负荷运行时,给水泵日节电量仍能达到2万千瓦时。


4.4投资回报经济性评价

给水泵综合节能改造项目整套系统投入费用487万元(分期5年定额支付),回收投资年限(按年运行5000小时计算)为487/112.5=4.33年。

通过改造后的运行工况分析、测试的数据及结果分析可知,高压变频器在技术经济等方面都是优越的、先进的,替换液力耦合器后投资回报期在4。5年左右。它和液力耦合器相比,不仅技术先进,而且经济合理,应用范围广泛,尤其在电厂给水泵的改造中取得了成功的经验。变频技术替代液力耦合器装置理论可行变为现实,技术上先进,运行上安全可靠,节能成效显著,经济效益可观。

 

五、给水泵综合改造项目节能评估

5.1节电量可观

变频器节能主要表现在变频节能、功率因数补偿节能和软启动节能,在此次给水泵的综合节能改造投入运行后表现突出。对比给水泵改造前后的运行工况,在机组的不同负荷阶段节电效果不同,但给水泵改造后的平均节电率均在30%左右,日节电量平均大于2.4万千瓦,从节电率趋势图可以看出,机组低负荷阶段运行时,节电率越大,此节点特性非常符合目前新疆电力过剩、火电机组长期低负荷运行工况的特点,节电效果显著。


5.2对厂用电网及设备有较好的保护作用

电厂给水泵,功率大、电压等级高,大型电机采用硬启动的方式会对电网造成严重的冲击,对电网容量要求较高,启动时产生的大电流和震动对电机及机械设备的损害也较大,极大地降低了设备、管路的使用寿命。而使用变频节能装置后,利用变频器的软启动功能将使启动电流从零开始,最大值也不至于超过额定电流,减轻了对电网的冲击,电机和机械设备的使用寿命相应地得到了延长。


5.3可大幅提高精度

电机变频改造控制的核心就是采用计算机数字控制取代模拟控制、交流调速取代直流调速,这种控制方式的调整,不仅可以节约电能,实现电机的软启动,同时可以从本质上提高运转精度、完善生产工艺流程、改善运行环境。

变频调速以其高效率、高功率因数、以及优异的调速和启制动性能等诸多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速手段。变频调速用于电厂交流电动机是现代电动机调速应用最广、效果最好的调速方式之一,也是目前电动机调速的主流方法之一。

 

六、结论

阿克苏热电公司此次对#2机组给水泵所采用的北京合康新能科技股份幸运飞艇官网针对给水泵现场配置设计的变频器“一拖二”模式、对两台给水泵液耦润滑油系统进行外接辅助润滑油系统进行的综合改造项目,采用的方法科学合理,特别是在改造前充分对给水泵的前置泵进行专业论证,避免了给水泵汽蚀的担忧。另外,对液力耦合器的改造选择了外接辅助润滑油系统,将勺管全开保留液耦功能,安全可靠,操作简便。

针对目前电厂给水泵辅助液力耦合器运行中效率较低导致厂用电较高的情况,从给水泵液力耦合器、液耦润滑油系统出发,分别研究各个环节中对水泵系统效率影响的因素及参数,给出水泵及润滑油系统改造方案、调速方案,形成电厂水泵节能的完整技术体系,最终使电厂给水泵效率、装置及系统效率达到最优值。

该改造方案实施后,节电效果超过预期,该厂综合厂用电率降低0。41%,节能效益可观。


作者简介:

谭元鸿(1970-),男,工程师,徐矿集团新疆阿克苏热电公司给水泵综合节能改造项目课题负责人,从事电厂生产技术管理、节能减排、指标管控等方面工作。

张建宇(1965-),男,工程师,从事电厂安全生产管理、技术节能改造等方面工作。

刘 源(1971-),男,工程师,协助从事电厂安全生产管理、技术节能改造等方面工作。


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