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火電廠鍋爐電動給水泵系統優化及節能分析

文檔作者：郭輝王日峰顧志國文檔來源： 1沖國節能減排有限公司北京神華中機能源環保科技有限公司 2．神華神東電力公司		點擊數：	更新時間： 2022年02月25日
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電氣傳動2015年第45卷第10期 ELECTRIC DRIVE 2015 Vo1．45 No．10
火電廠鍋爐電動給水泵系統優化及節能分析
郭輝 ，王日峰 ，顧志國
(1沖國節能減排有限公司北京神華中機能源環保科技有限公司，北京100011；
2．神華神東電力公司新疆米東熱電廠，新疆烏魯木齊830019)
摘要：介紹了火電廠電動給水泵節能改造的方案，分析了給水泵變頻控制節能的原理、優點，針對生產的
實際工況，對設備選型和改造方案進行了具體設計。應用結果表明，該方案達到了設計要求，給水泵液力耦合
器調速改成高壓變頻調速不僅可行，而且必要。變頻改造后，可以延長設備壽命，降低廠用電率，具有明顯的
經濟效益、社會效益，為同類電廠節能改造提供了參考。
關鍵詞：火電廠；電動給水泵；高壓變頻器；節能
中圖分類號：TP13 文獻標識碼：A
Optimizations of Thermal Power Plant M otor—ddven Feed Water Pump System and Energy Saving Analysis
GUO Hui ，WANG Yue-feng ，GU Zhi—guo
(1．China Energy Conservation and Emission Reduction Co．，Lid．，Bering Shenhua Energy Engineering
Environmental Protection Technology Co．，Ltd．，Beifing 10001 1，China；2．Shenhua Shendong Electric
PowerPlant，XinjiangMidongThremalPowerPlant，Urumqi 830019，Xinjiang，China)
Abstract：The energy saving reform ofmotor—driven feed water pump in therm al power plant project was introduced，
analysed the energy saving principle and advantage of~equency conversion．Based on the actual manufacture status，
the equipment selection and alteration project was designed in detail．The results of application show that the method
can meet the design requirement，and the hydraulic coupler feed water pump is replaced with variable speed feed water
pump，is not only feasible，but also necessary．After~equeney conversion transform ation，it can prolong the service
life of equipment，reduce power consumption rate，and has obvious economic benefit and social benefit．A reference of
the change to the heat engine plant in the sanle condition was provided．
Key words：thermal power plant；motor—driven feed water pump；high voltage inverter；energy saving
火電廠電動給水泵作為機組輔機中最大的
耗電設備，其耗電率占全廠用電的20％～30％，是
全廠耗電量最高的輔機設備，直接影響到廠用電
指標和全廠經濟效益。高壓變頻調速具有系統
效率高、能實現電動機軟啟動、功率因數高、調節
品質好等諸多優點[1]，因此對燃煤電廠電動給水
泵進行變頻改造是提高機組經濟性重要措施。
1 給水泵液力耦合器調速改變頻調
速的必要性
液力耦合器相對于定速泵和調節閥的控制
方式有著無級調速的優點，一段時期內廣泛應用
于200 Mw和300 Mw等級的機組中，但因其調
速轉換效率隨著轉速降低而下降，綜合效率相對
較低。根據液力耦合器的設計原理，液力耦合器
實現無級變速，勺管開度越接近100％，其滑差越
小，傳遞效率越高。
圖1中的液力耦合器效率曲線表明了液力耦
合器的傳遞特性，可以清楚地看到，雖然電動給
水泵組能夠利用轉速調節方式控制給水量，但在
變負荷工況下，尤其在低負荷情況下，比如給水
泵轉速在60％時能量損耗就達到42％左右，而發
作者簡介：郭輝(1972一)，男，工學博士，高級工程師，Email：guohui@shenhua．CC
60
郭輝，等：火電廠鍋爐電動給水泵系統優化及節能分析 電氣傳動2015年第45卷第l0期
電機組很難保證始終維持在90％以上負荷運行。
1．0
O．9
O．8
瓣
0．3
O．2
0．1
O
輸出轉速比
圖1 液力耦合器調速和變頻調速的效率對比
Fig．1 Comp~son 0f e~ciency and Variable~ ency
adjustable and~draulic Cou~er
液力耦合器驅動調速的電動給水泵的節電
潛力是很大的，其原因是按技術規范進行設計
時，鍋爐機組的最大連續蒸發量是按汽輪機組的
最大進汽量的1．05～1．10倍計算的，給水泵的最大
流量是按鍋爐最大連續蒸發量的1．05～1．10計算
的，液力耦合器是按最大流量配套的，機組投產
后，即便在額定工況運行，給水泵液力耦合器已
經偏離額定工況10％左右，近年來300 Mw機組
年平均負荷率一般在65％～75％，偏離額定工況效
率明顯降低，這是液力耦合器的最大弊端，效率
低，損耗大，運行中經常出現油溫過高等異常情況。
變頻調速裝置可以使電動設備處于最佳運
行狀態，大大提高運行效率，達到節能目的。目
前，電動機的變頻調速裝置技術已非常成熟【2_3】，
在技術可行且不產生安全隱患的前提下，提高在
低負荷工況下電泵組的效率，降低電泵運行時的
電耗是十分必要的。
液力耦合器在運行中，泵輪轉速 要稍大于
渦輪的轉速 ，只有這樣泵輪出口油壓才能高于
渦輪人口油壓，從而完成轉矩傳遞。泵輪與渦輪
的轉速差與泵輪轉速之比如下式：
： ( B— )／ B
式中：．s為液力耦合器的滑差。
液力耦合器在工作過程中的能量損失主要
是液體在工作腔內的流動損失和進人工作輪人
口處的沖擊損失、工作輪與空氣的摩擦損失，以
及軸承、密封、齒輪齒等的機械損失，因此液力耦
合器的輸出功率P2總是小于輸入功率P 。
液耦調速器與變頻調速改造后的唯一區別就
是兩者的效率不同【4]，變頻器的效率一般保持在
97％以上，而液力耦合器的效率在90％以下，兩者
的效率差成了節能的來源，而節能計算也是圍繞
著計算液力耦合器的運行效率計算。對照圖1，
變頻調速效率曲線和液力耦合器效率曲線圍成的
三角區域就是液力耦合調速電動給水泵改為變頻
調速后的節能空間。相同負荷條件下，效率相差
很大，75％負荷率以下，可以節電20％及以上。
2 電動給水泵變頻改造實施方案
國內某電廠單機容量330 MW，配置3臺液
耦調速電動給水泵，帶前置泵。給水泵電機
5 500 kW／6 kV，出水流量559．9訛，揚程2 353 m，
液力耦合器為YOT51型，輸入轉速l 491 r／min，
輸出轉速5 900 dmin。每臺機組配置3臺50％額
定容量電動給水泵，采用液力耦合器調節給水泵
控制給水流量。系統如圖2所示，鍋爐給水泵、給
水前置泵、液力耦合器工作油泵和潤滑油泵由同
一臺電動機拖動，給水前置泵、工作油、潤滑油油
泵與給水泵電動機同步恒速轉動。
圖2 液力耦合器調速給水泵系統不意圖
Fig．2 ~ hematic diagram of hydraulic coupler of
variable speed feed water pump system
2．1 改造方案的分析與選擇
一個合適的鍋爐給水泵液耦調速改變頻方
案應該全面考慮和比較改造后設備長期運行的
安全性、節能效益、投資回報率、施工工期、運行
的維護費用等多種要素，綜合比較后在確保長期
運行安全的基礎上，電廠的鍋爐液耦調速電動給
水泵變頻改造方案歸納如下。
1)對3臺液力耦合器調速電動給水泵中的
A，B泵進行變頻調速改造，保留C泵液耦調速功
能，作為備用泵。
2)液力耦合器變頻改造時，保持液力耦合器
的所有外部結構以及內部結構不變，不需要拆除
液力耦合器內部原有的工作油泵和潤滑油泵，從
而不會破壞液力耦合器的原始結構。
3)不拆除液力耦合器的原始工作油泵以及
潤滑油泵，保持原始的機組油系統設計理念，從
而不需要對整個機組的油管路進行拆除或進行
大的更改，不需要在機組現場進行大規模的焊接
施工。
4)變頻改造后，主給水泵與前置泵用同一臺
電動機驅動，前置泵的運行方式由原來的定速改
為變速運行，對前置泵進行校核，以確保變頻改
6】
電氣傳動2015年第45卷第10期 郭輝，等：火電廠鍋爐電動給水泵系統優化及節能分析
造后能滿足給水泵的汽蝕余量的要求。
5)采用保留液力耦合器方式，將液力耦合器
的原有功能全部保留，無需單獨配潤滑油系統等
功能；當變頻器出現故障后可以迅速切換到工頻
運行，等變頻器故障排除后在切換回變頻運行。
綜合比較，采用的變頻改造方案具有新增設
備少，施工工期短，節能效益以及投資回報率高，
降低了設備長期運行的維護費用，保證設備長期
運行的安全穩定性的多種優點，圖3給出了改造
的工藝方案示意圖。
圖3 液力耦合器改造的工藝方案示意圖
Fig_3 Schematic diagram ofprocess~heme of
hydraulic coupler transformation
2．2 高壓變頻器控制方式
要求最大限度地達到節能目的，提高給水泵
組節能效率(機組年平均負荷率70％計算，改造
后給水泵組年度加權平均能耗應比改造前降低
23％)，同時保證備用給水泵的安全、可靠備用。
本工程將對A給水泵、B給水泵在原液力耦合器
調速基礎上進行高壓變頻調速改造，控制方式采
用手動一拖一方式。采用一臺高壓變頻調速系
統拖動一負載，其電氣原理示意接線圖如4所
示。該方案在設計中考慮：1)工頻旁路隔離刀閘
QS3設置聯鎖保護，QS2與QS3為雙頭隔離刀閘，
防止誤操作；2)在變頻運行狀況下，QS1，QS2閉
合，QS3斷開。如運行過程中變頻器發生故障
停機，則啟動備用泵B泵，斷開母線側高壓開關
QF后，斷開QS1，QS2，閉合Qs3，使A泵處于工
頻備用狀態；3)待變頻器故障排除后，斷開QS3，
閉合QS1，QS2，閉合母線側高壓開關QF、變頻啟
動A泵，同時B泵停機進入備用狀態。
系
統
高
壓
母
線
圖4 手動切換方式接線圖
Fig．4 Manual switching mode wiring diagram
2-3 前置泵改造方案
火電廠鍋爐給水泵，人口水溫近似飽和水
62
溫，為保證不發生汽蝕，安裝設置了低速前置
泵。給水先通過前置泵升高壓力后，再進人給水
泵。這樣就使給水泵人口的壓力大于給水溫度
所對應的汽化壓力，避免了給水泵的汽蝕。給水
泵組進行變頻調速型液力耦合器電動給水泵改
造后，前置泵如何運行，是繼續保持定速運行，還
是由給水泵電動機同軸驅動變速運行，成為必需
解決的技術關鍵。
機組電動給水泵的前置泵，由給水泵電動機
同軸驅動是出于設計、安裝和使用的方便和習慣，
并不是前置泵要定速運行，前置泵設計為同軸定
速方式，是因為液力耦合器調速時，前置泵不能變
速運行，為節省一臺單獨驅動的電動機，由給水泵
電動機同軸驅動定速運行。關鍵是前置泵揚程所
提供的有效汽蝕余量，在變速運行工況下，無論轉
速高低，都要始終高于給水泵必需汽蝕余量。給
水泵電動機改為變頻調速運行時，前置泵也同時
改為變頻調速運行，既安全可靠又經濟合理。
2．4 液力耦合器改動方案
依據設備安全可靠原則，液力耦合器改造原
則是：1)保留耦合器軸頭油泵的功能，確保突發狀
態下整個機組能惰性停機，不至于損害機組設
備；2)保留機組輕載啟動和柔性連接的功能，保
護驅動設備在故障下，不發生卡死或咬死現象；
3)盡量保留原操作習慣，確保機組安全運行。
液力耦合器勺管保持100％開度運行，其潤
滑油系統保留，將液力耦合器內部工作油油泵和
潤滑油泵保留，增設外置式工作油、潤滑油系統，
通過油管路與耦合器相連，油泵均采用1×100％
容量，新增油泵與原耦合器油泵互為備用，一運
一備。
3 變頻改造節能效果
表1、表2為機組相同負荷條件下A泵改造前
后測取的電流值。B電泵電流下降值與A泵相
當，計算中認為與A泵一樣。由表2可得在不同
負荷段的電流下降平均值為128 A，電泵工頻運
行時其功率因數根據實測電能量計算，負荷從
190 Mw至330 Mw變化時，其功率因數自0．82
逐步上升至0．895；電泵變頻運行時當機組負荷
從190 Mw至330 MW變化時，變頻器頻率基本
在35 Hz至45 Hz之間變化，變頻器輸入功率因數
基本維持在0．99，因此，計算時變頻狀態取其功
率因數為固定0．99。
熊堡
蘭
郭輝，等：火電廠鍋爐電動給水泵系統優化及節能分析 電氣傳動2015年第45卷第l0期
表1 變頻改造前機組各負荷段A電泵數據
Tab．1 Frequency conversion renovation before
the power unit A electric pump data
表2 變頻改造后機組各負荷段A電泵數據
Tab．2 The power frequency converter unit A electric pump data
根據變頻器技術協議中關于變頻裝置總效
率(含變壓器)的要求及其承諾，變頻器總效率≥
96％，計算時取96％，單臺前置泵、油泵、空水冷等
實際運行功率為102 kW。電泵變頻改造后，當按
照年度運行7 900 h計算時，圖5為A電動給水泵
工、變頻電流對比示意圖，電流平均下降128 A。
圖6為電廠1號機組變頻給水泵綜合節電率趨勢
圖，機組不同負載(鍋爐給水流量)各工況下節能
率達9％一32％，年度節能量可達1 140萬kW·h，
按照上網電價0．288 6元／kW·h計算，每年可產生
經濟效益329萬元。
600
500
垂
l00
0
負荷，Mw
圖5 A電動給水泵工、變頻電流對比
Fig．5 Electric water pump A variab le
frequency current comparison
垂
垂
《
O00
000
O00
000
O00
000
0 200 230 250 270 290 300 330
負荷／MW
圖6 電廠1號機組變頻給水泵綜合節電率
Fig．6 Unit 1 power plant frequency conversion water supply
pump comprehensive energy saving rate
A給水泵變頻改造后的節能效果如表3所示。
在1 90 MW負荷時，給水泵在變頻工況下E匕] Ⅱ況
下的節電率為30．58％；250 Mw 負荷時，變頻工況
給水泵節電率為l7．61％左右，330 Mw負荷時，
給水泵節電率9．44％。可以看出，隨著機組負荷
的降低，變頻器節能降耗的幅度及優勢越明顯，
隨著機組參與調峰幅度的增加，給水泵電機變頻
改造將降低給水泵電機的耗電率，進一步減少能
源消耗，提高能源的利用效率。
表3 A給水泵變頻改造后的節能效果
Tab ．3 The efect ofenergy savingpumpA after
frequency conversion tran sformation
4 結論
通過研究分析，液力耦合器調速給水泵替代
為變頻調速給水泵，可明顯提高給水泵的運行效
率，節能效果顯著，是電廠節能降耗的有效途
徑。因此，在電站給水泵的節能改造上將有較大
的發展前景。
參考文獻
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收稿日期：2014—11-10
修改稿日期：2015-04—22
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