給水泵是火力發電廠最重要的輔機之一, 其運行的正常與否直接關系到整個電廠能否安全穩定運行。目前, 國外在330MW 以上機組的泵和風機上已普遍應用調速設備, 我國在經過長時間摸索以后, 也在一些大功率的旋轉設備上加裝調速設備。液力耦合器采用液體傳遞動力, 以實現調速、隔絕軸系振動。變頻器通過對電源頻率的改變, 實現電機轉速的調節, 進而改變被驅動設備的轉速。
1．調速的目的
目前, 我國火力發電廠裝機容量正向大容量、高參數方向發展, 對于主要輔機運行可靠性的要求越來越高, 每一個環節的故障都可能導致整個系統的癱瘓。同時, 電廠更加重視成本節約, 調速節能正在成為趨勢。調速運行的主要目的包括以下兩個方面。
1.1提高系統可靠性及運行的安全性, 改善軸系運行的機械狀況, 延長設備使用壽命
以給水泵為例, 一方面電動機需要軟啟動, 另一方面, 由于機組長期在低負荷模式下運行, 由此導致的管道振動、閥門漏流、閥門磨損、電機線圈溫度高等問題十分常見, 而選擇把泵降低到合理的轉速則可以緩解上述問題, 降低事故率, 進而提高了系統可靠性及運行的安全性。
1.2降低廠用電量, 節約成本
減少廠用電量最根本的辦法是選擇高效率的泵。只有在得到需要的流量和壓頭的同時控制轉速, 泵的高效率范圍隨著轉速的變化而平移, 才能使水泵一直在較高的效率下運行。
2.不同調速方式的特點
轉速調節的方式多種多樣, 其中以液力耦合器和變頻器最為常見, 液力耦合器幾乎已經在所有工業領域廣泛應用。變頻器在過去幾年也取得了不錯的應用效果, 尤其是低壓變頻器(380 V、220 kW 以下) 憑借良好的節能效果和相對成熟的設計, 在工業領域得到了廣泛的應用。近年來, 高壓變頻器在可靠性等方面進行了較大幅度改善, 也日益應用在多個領域。
2. 1液力耦合器的特點
液力耦合器是一種液力傳動裝置, 主要由殼體、泵輪、渦輪3 個部分組成, 其性能特點如下。
2.1.1能使電機空載啟動, 調速范圍寬, 可實現從零調節; 沒有電氣連接, 對環境要求不高。
2.1.2技術成熟, 結構簡單, 操作方便; 結構合理,維修方便。
2.1.3價格便宜, 對精度要求低; 本身存在轉差(3%左右) , 負載不能達到電機額定轉速, 屬于有附加轉差調速裝置; 故障率低, 運行時需加專用的密封冷卻系統; 液壓油老化后需定時更換。
2.1.4適用于不同等級的高低電壓、中大容量電機配用, 功率范圍寬。
2. 2高壓變頻器的特點
變頻調速器是將一恒定電壓、頻率的電源在變頻器內部經整流后變成直流, 再經過逆變器轉換成頻率與電壓比值一定，電壓、頻率連續可調的三相交流電源。高壓變頻器的性能特點如下。
2.2.1調速范圍寬, 可以實現從零轉速到工頻轉速范圍內平滑調節, 使電動機實現軟啟動, 停機時電流沖擊極小, 軟啟動時母線的電壓下降較少, 降低了啟動電流, 所以可以延長電動機的使用壽命。頻率的調整是根據電機在低頻下的壓頻比系數調整電壓和頻率的輸出, 在低轉速下, 電機不僅發熱量低, 而且輸入電壓低, 將使電機絕緣老化速度降低。
2.2.2無須升壓變換, 降低了裝置的損耗, 提高了可靠性, 解決了高壓電力變換的困難。
2.2.3性能指標高, 在調速中轉差率小, 損耗不增加, 能保持較高的功率因數, 變頻器效率達95% 以上, 對電機產生諧波污染較小, 噪聲低, 轉矩脈動很低, 不會導致電機等機械設備的共振, 同時也減少了傳動機構的磨損, 變頻器與電機的連接受場地約束較小。
2.2.4高壓變頻器在發電廠中小功率給水泵電機調速方面已有應用, 但在大功率給水泵電機調速方面尚缺乏足夠的應用經驗。
2.2.5對供電質量要求高。電壓、頻率瞬時有較大波動變頻器保護就會動作, 恢復后不能馬上重新啟動變頻器, 影響設備繼續正常運轉。
3.兩種調節方式的經濟性比較
現以330MW 機組給水泵組為例對變頻與液力耦合器兩種調速方式進行比較。該機組給水泵原設計為3×70% 額定容量電動給水泵組,配液力耦合器調速。隨著變頻調速技術的日漸成熟,針對變頻調速效率較高的特點, 對1 臺電動給水泵配置高壓變頻器調速方式與1 臺電動給水泵配置液力耦合器調速方式進行綜合技術經濟性比較。
3. 1經濟性比較考慮的因素
在進行經濟性比較時主要考慮以下因素: 到廠煤價; 機組年利用時間和機組年運行時間; 機組負荷性質; 電廠發電成本; 電廠建設每千瓦投資額; 泵組價格; 泵組運行效率和耗電量; 泵組安裝、維護、檢修(包括檢修設施) 等費用。
3. 2經濟性比較的方法和取值
經濟性比較采用原電力工業部1982 年2 月頒布的《電力工程經濟分析暫行條例》(以下簡稱《條例》) 中規定的“年費用最小法”。其計算公式如下:
F = Z ?[r (1+ r) n(1+ r) n- 1]+ U
式中: F 為年費用; r 為投資回收率, 取0. 08; n 為工程的經濟使用年限, 按《條例》取20 年; Z 為折算到投產年份的設備總價格;U 為折算年運行費。
3. 3設備總價格
設備總價格包括: 設備費(前置泵和給水泵本體、配套設備和電動機)、設備運雜費、設備安裝和施工管理費等。對兩種調節方式費用差別不大的項目予以忽略。耦合器調速設備總費用為300 萬元(公眾號:泵管家), 變頻調速設備總費用為650 萬元,采用液力耦合器調節方式的電動給水泵組設備總價格比采用變頻調節方式的電動給水泵組設備總價格低350 萬元。
3. 4泵組年耗電量
泵組年耗電量按機組運行負荷模式計算, 根據供熱電廠的特點和該熱電廠提供的機組運行負荷模式, 按年發電設備運行7 098 h 計算。液力耦合器調節方式年總計耗電量26. 17×106 kW ?h, 年費用610. 92 萬元。變頻調節方式年總計耗電量22. 47×106 kW ?h, 年費用575. 44 萬元。電動給水泵組采用高壓變頻器調節方式的比采用液力耦合器調節方式全年省電約3. 70 × 106 kW ? h, 年費用降低35. 48 萬元。
高壓變頻器設備中電容為其易損耗件。采用電解電容的高壓變頻器中電容的使用壽命為7～ 8 年;采用薄膜電容和安規電容的高壓變頻器中電容使用壽命約為15 年, 其更換費用約為40 萬元。國產液力耦合器的主要部件(包括泵輪、渦輪、主驅動變速箱等) 承諾使用壽命為30 年, 其易損件為傳動軸承、密封件和油泵。其中軸承和密封件需要3 年更換, 每次更換費用約為2 萬元; 油泵的轉動部件需要5 年更換, 每次更換費用約為3 000 元。進口液力耦合器承諾使用壽命為30 年, 其中軸承可保證工作10 萬h,只需定期更換工作油。所以, 無論采用何種調節方式, 都應在電廠服役期內考慮上述因素。
4結論
經過綜合技術經濟比較, 電動給水泵如采用高壓變頻器調節方式比采用液力耦合器調節方式, 用電量少, 年費用低。變頻調速是當代最先進、最高效的調速技術。低壓變頻器在火電廠已得到了廣泛應用，在實現自動控制和節能降耗上收到了良好效果，已被社會所公認。高壓變頻器在火電廠的送、引風機、排粉機、灰渣泵、循環水泵、汽機凝結水泵、母管制給水泵等技術改造、新建、擴建機組中，已經和正在廣泛得到應用。高壓變頻器在電廠的應用，已經和正在得到人們的普遍重視。330MW 機組建議采用高壓變頻調節方式的給水泵組。但是需要特別指出的一點是, 目前高壓變頻器在大功率電機調速方面仍有技術欠缺, 而鍋爐給水泵是火力發電廠最重要的輔機之一, 其運行的正常與否直接關系到整個電廠能否安全穩定運行, 因而在選擇其調速方式時還要根據實際情況。