火电厂电动给水泵系统节能改造工程技术难点和实施方案分析

中通协泵业分会 2018-06-18 16:50:22

1引言

在火力发电厂中,风机和水泵也是最主要的耗电辅机设备,且容量大、耗电多。加上这些设备都是长期连续运行和常常处于低负荷及变负荷运行状态,其节能潜力则更加巨大。发电厂铺机电动机的经济运行,直接关系到厂用电率的高低。随着电力行业改革的不断深化,厂网分家,竟价上网等政策的实施,降低厂用电率,从而降低发电成本提高电价竞争力,已经成为各发电厂努力追求的经济目标 。

我国火电机组的平均煤耗为350g/kW.h,比发达国家高出30~50g/kW.h,而厂用电率的高低是影 响供电煤耗和发电成本的主要因素之一。为了改变这种状况,缩小与发达国家的差距,国内火电厂的风机和水泵也已纷纷增设调速装置,经过近20年来的努力,火力发电厂在主要辅机节能改造方面取得了骄人的业绩,已经有相当大部分的风机和水泵完成了变频调速节能改造工作。目前,我国煤电机组综合升级改造正在步入“深水区”,发电厂在大量的风机和水泵已经进行了变频调速节能改造的情况下,“动刀”号称火电机组“心脏”的液力耦合器调速的电动给水泵已经势在必行了。

由于电动给水泵的改造不仅仅是变频改造而已,还包括液力耦合器的改造和前置泵的改造工作;不仅牵涉到电气系统、机械驱动系统的改造,还要牵涉到高压水路系统的改造工作;而且给水泵的安装位置又十分紧凑,就给液力耦合器和前置泵的改造增加了难度,同时必须另找地方建造变频器房。另外由于发电厂给水系统的重要性,决定了其对设备可靠性的要求极高,必须配备可靠性指标动态响应招标特别高的给水泵专用高压变频器;同时对给水系统的控制、连锁、保护的要求也特别高,还牵涉到DCS系统扩容改造和组态设计改造等问题,涉及面极广,工作量巨大,因而往往使人望而却步。所以给水泵系统节能改造的关键是要拿出可靠性最高,改动最小,投资最少,节能效果最好的科学合理的改造方案来。

2 电动给水泵节能改造存在的问题

2.1 给水泵可靠性要求高

由于发电厂给水系统的重要性,决定了其对设备可靠性的要求极高,必须配备可靠性指标特别高和动态响应快的专用高压变频器;同时对给水系统的控制、连锁、保护的要求也特别高。还牵涉到DCS系统的扩容改造和组态设计改造,涉及面很广,工作量巨大。

2.2 给水泵系统改造涉及面广,工程量大

(1)由于给水泵系统(包括前置泵和液力耦合器)安装位置紧凑,其机械传动系统的改造难度很大;

(2)给水系统回路的改造工作量也很大,且质量要求高(因为给水压力高);

(3)电气系统的改造工作相对来说难度较小,但是由于给水泵系统设备安装位置紧凑,必须在较远的地方建变频器房,还要配备通风冷却设备,也增加了动力电缆和信号电缆的成本。

 2.3 节能效果并不理想(若保留液力耦合器)

水泵系统与风机系统不同的是管路系统都有静扬程存在,管路性能曲线的静扬程越高,水泵性能曲线和管路性能曲线的夹角就越小,则变速调节流量时,改变相同流量时的转速变化就越小,其轴功率的减小值也越小,还有可能引起管路的水击,因此水泵系统的调速节能效果比风机要差一些。尤其是锅炉给水泵系统的静扬程(汽包压力)占到额定扬程的60~80%,当流量减少到50%时,转速只能降低15~20%%,轴功率只减少35%~40%左右,而远远达不到87.5%。

电动给水泵一般都配备液力耦合器调速运行,虽然液力耦合器属于低效的调速装置,但是用在风机水泵调速控制时,也有明显的节能效果;若用变频器代替液力耦合器调速的话,虽然也有较好的节电率(100%—转速比),但是节电量却有限,因此节电的经济效果并不理想。若是变频改造时保留液力耦合器的话,则节电率还要下降6~8%左右,当机组处于高负荷运行或低负荷单泵运行时可能会出现不但不节能还反而费能的情况,因为降速所节省的功率将不足以抵消变频器加上液力耦合器总共10~12%左右的功率损耗。

另外由于给水泵电动机功率太大,因而变频器的投资也大,再加上发电厂的电价是以上网电价甚至是成本电价计算的,所以回收期长,节能改造的经济效果并不理想。

前置泵改造方案分析

由于给水泵入口水温较高,使得给水近似饱和水,为了保证给水泵不发生汽蚀,一般高压给水泵都要设置低速前置泵。给水先通过前置泵升压后再进入主给水泵。这样就使主给水泵入口的压力大于给水温度所对应的汽化压力与给水泵必须汽蚀余量之和,还要留有一定的压力余量,才能避免主给水泵的汽蚀。前置泵是在给水泵电动机直接驱动下定速运行的。给水 泵 电 动 机 变 频 调 速 改 造 后 ,前 置 泵 如 何 运 行,是 变频改造必须要解决的问题。

3.1 前置泵定速运行方案:

就是将前置泵与主给水泵电动机脱开(公众号:泵管家),配备独立的电动机驱动定速运行。实现这一方案需要设计院设计前置泵电动机基础,配备一台高压电动机、一面高压开关柜、相应的电力电缆及控制电缆,这一方案造价较高,现场条件亦不许可,故难于实现。(如果供电容量允许,也可以采用低压电动机拖动。)

3.2 更换前置泵变速运行方案:

更换一台扬程大一档的前置泵调速运行,将原配备的前置泵拆除,安装和改造工程量较大,更换后轴功率增加很多,会使能耗增加。(经综合技术经济比较,亦不可取。)

3.3 不用前置泵,给水泵增加诱导轮变速运行方案:

原前置泵不用,改造给水泵:在给水泵一级叶轮前增加一级诱导轮。给水泵芯包需要返厂改造,改造时间需要三个月,工期长费用高且改造后轴功率增加较多,影响运行的经济性,所以也不可取。

3.4 前置泵直接变速运行方案:

 前置泵不作任何改造,随主给水泵调速运行,改造工作量最小,但是必须保证改造后在机组任何运行工况下给水泵都不会发生汽蚀。这就需要在改造前根据设备和机组运行参数,进行详细的技术核算,只有在确保给水泵在任何运行工况下都不会发生汽蚀的情况下才能让前置泵直接随主泵调速运行。

经过对大量机组的给水前置泵的技术分析后确定:对于大多数机组来说,前置泵随主泵调速运行是可行的,无论是机组正常变负荷运行还是突然甩负荷工况下都不会使给水泵发生汽蚀现象。前置泵到底改与不改,完全取决于前置泵扬程的大小。具体来说,对于200MW机组,前置泵扬程在75~80m以上的就可以不改,对于300~350MW机组,前置泵扬程在95~100m以上的就可以不改,对于600~660MW 机组,前置泵扬程在130~140m以上的就可以不改,而随主泵调速运行。经调查统计绝大部分电厂的前置泵是满足上述扬程要求而可以不改的,只有少数机组的前置泵由于所选扬程太低而必须进行定速电动机拖动改造。例如宁夏马莲台电厂330MW机组的前置泵扬程只有46m,内蒙乌拉特电厂330MW机组的前置泵扬程也只有47.5m,还不到设计要求的一半,所以必须进行定速电动机拖动改造。相反也有个别的机组其前置泵的扬程特别高,例如河北保定热电厂200MW机组的前置泵扬程竟高达174m,有的给水泵则本身已经带有诱导轮。对于那些不经过改造就可以随主泵调速运行的前置泵,又何必多此一举的进行定速驱动改造呢?要知道前置泵定速驱动改造需要增加一台高压(或低压)电动机,一面电气控制柜;另外基础和水路系统也要进行改造,不但增加改造投入,而且工作量巨大,改造周期长,有的电厂还会受到现场安装空间的限制。所以前置泵一律进行定速电动机拖动改造方案不符合发电厂节能改造的原则。对于发电厂以节能为目的的技术改造必须符合以下三个原则:

(1)必须坚持安全可靠的原则;

(2)必须坚持低投入高产出取得最佳经济效益的原则;

(3)必须坚持现场适宜和改动最小的原则。

4液力耦合器改造方案分析 

液力耦合器是一种液力传动装置,又称液力联轴器。液力耦合器其结构主要由壳体、泵轮、涡轮三个部分组成。由于锅炉给水泵的扬程高,所以转速高(5500~6000r/min),用于给水泵调速的液力耦合器的内部带有增速齿轮箱,接近6000 r/min,再通过液耦降速。

液力耦合器在实际工作中的情形是:电动机带动主动齿轮旋转,从动齿轮驱动泵轮旋转,泵轮带动液压油进行旋转,涡轮即受到力矩的作用,在液压油量较小时,当其力矩不足于克服负载的起步阻力矩,所以涡轮还不会随泵轮的转动而转动,增加液压油,作用在涡轮上的力矩随之增大,作用在涡轮上的力矩足以克服负载起步阻力而起步,其液压油传递的力矩与负载力矩相等时,转速随之稳定。负载的的力矩和转速成平方比,当随着液压油量的增加,输出力矩加大,涡轮的转速随之加大,达到调节转速的目的。

液力耦合器的泵轮不能调速运行是一个认识误区,大量的液力耦合器驱动的设备进行变频改造的实践已经有力地证明液力耦合器的泵轮是可以调速运行的。只是存在下面两个问题需要解决:

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。可以将主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。

如果保留液力耦合器,由于液力耦合器的容积损耗和摩擦损耗约占额定传送功率的3~4%,另外由于液力耦合器的最高转速只有96~97%额定转速,所以存在额定传送功率3~4%的丢转损耗,加起来会减少6~8%的节电率。所以在进行变频改造时一般都去掉液力耦合器以提高节电率;但是对于给水泵系统又必须保留齿轮箱,给改造增加了难度和工作量。

电动给水泵进行变频改造的关键是如何改造液力耦合器,以满足电动机调速运行时,输出轴能够按增速齿轮箱功率输出。其改造方案有三种:

方案一是将液力耦合器更换成增速齿轮箱,就是购买一台增速齿轮箱,其造价高,工期长,同时需要改造给水泵基础等,改造工作量大,改造周期长。改造后只适合由变频器拖动运行,不适合作为工频泵备用,因为大功率给水泵工频起动是个问题。

方案二是将液力耦合器改造成增速齿轮箱,不需要改造给水系统基础,在液力耦合器内部将泵轮和涡轮实现直联,就像液体调速离合器(噢密嘎离合器)一样,可以实现主动轮和从动轮直联。改造最好是具有可恢复性的。但是必须要由液力耦合器厂家进行改造,改造工作量大,改造周期长,且属非标产品,运行稳定性还有待考验。

方案三是通过对液力耦合器进行改造,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。但这是以减少6~8%的节电率为代价的,而这对于给水泵改造来说又是弥足珍贵的。因为除了调速效率的损耗之外,液力耦合器还有两项固有的损耗:

(1)首先液力耦合器具有约3~4% 的丢转率,这不仅意味着其最高转速达不到电动机的额定转速,同时也意味着传送功率的损耗,而液力耦合器的传动效率等于转速比,所以丢转损耗还意味着占传送功率3~4% 的功率损耗。

(2)除了丢转损耗外,液力耦合器的冷却水系统和油泵系统等辅助设备以及液力耦合器的机械损耗和容积损耗等也要消耗一定的功率,约占传送功率3~4%,这两部分损耗加起来就要占到传送功率的6~8%。

液力耦合器改造方案一和方案二都是高效的改造方案,区别在于方案二是不可恢复的,而方案一可以做成可恢复的。当变频器因为重故障须退出运行时,方案一可以恢复液力耦合器功能,作为工频备用泵使用;而方案一当电动机切换至工频时将很难起动。方案三在切换时最为方便,但这是以减少6~8%的节电率为代价的,而这对于给水泵改造来说又是弥足珍贵的。所以是一种低效的改造方案,当机组处于高负荷运行或低负荷单泵运行时可能会出现不但不节能还反而费能的情况,因为降速所节省的功率将不足以抵消液力耦合器加上变频器总共10~12%左右的功率损耗。由以上的分析可以看出:液力耦合器调速电动给水泵的节能改造在拆除和保留液耦的问题上将面临“鱼与熊掌不可兼得” 的艰难选择。要视各发电厂的具体情况而定。

5 结束语

随着我国火电机组综合节能改造的逐步深入,发电厂在大量的风机和水泵已经进行了变频调速节能改造的情况下,低投入,高回报的项目已经越来越少,因此:号称火电机组“心脏”的液力耦合器调速的电动给水泵系统的节能改造,引(风机)增(压风机)合一的大风机变频调速改造,以及号称是除了调速风机之外最节能风机的动叶可调的轴流式风机的调速改造已经成为今天发电厂节能改造的主战场。尽管都面临着改造投资和节能效益之间的严峻考量,但是在今天降低厂用电率的强烈需求下也势在必行了。

对于液力耦合器调速的电动给水泵系统的节能改造,关键是要拿出可靠性最高、改动最小、投资最少、节能效果最好的科学合理的改造方案来。具体机组的给水泵系统节能改造应根据设备(前置泵、液力耦合器、主给水泵及电动机)的铭牌参数和运行参数,以及给水泵的配置情况进行节能计算,选择既经济又可靠的方案进行改造;并且一定要选用可靠性高和满足给水泵调速、保护和备用泵快速起动要求的高压变频器产品,以保证改造后给水系统的运行可靠性和快速响应能力。

由以上分析可见,对于前置泵,大多数额定扬程高的泵以及给水泵带诱导轮的可以不用改造,让其随主泵调速运行即可,但要根据设备参数和运行参数经过严格的防汽蚀校验。只有少数额定扬程特别低的前置泵才需要进行定速电动机拖动改造。给水泵双泵并列调速运行时,一定要根据具体系统的“抢水”程度,严格核算其降速范围,并留有一定的裕量,必须避免汽蚀的发生。建议在低负荷时(≦65%额定负荷)单泵运行,以彻底避免汽蚀的发生。

液力耦合器的改造方案,最好是采用将液耦改造成增速齿轮箱输出,或者是更换成增速齿轮箱,尽量不要保留液力耦合器调速功能,因为保留液力耦合器的话就会增加占传送功率6~8%的功率损耗,使得本来就不十分乐观的节能效益显得更加捉襟见肘了。所以保留液力耦合器的方案是一种低效的不彻底的改造方案,尤其是当机组处于高负荷运行或低负荷单泵运行时可能还会出现“不但不节能还反而费能”的情况,因为有限的降速所节省的电功率将不足以抵消液力耦合器加上变频器总共约占传送功率10~12%左右的功率损耗,结果是反而比工频运行时还要费能。

火电厂液力耦合器驱动的电动给水泵节能改造,应当区别对待,不能一概而论:应该改造的就一定要改造,而且要改造到位,如液力耦合器,除了保留(或者更换)增速齿轮箱,一定不能保留其调速功能,因为这将使得本来就是“骨头上剔肉”的节能改造工程显得更加“捉襟见肘”了。而不一定需要改造的就不要多此一举的进行改造了,如前置泵,大部分是可以随主泵调速运行的。另外因为改造不仅费工费时,增加设备投资,还要增加运行成本;有的工程甚至还受到现场空间的限制,对于这样的工程就更没有必要“非改不可”了。

目前行业内有的企业在改了几台给水泵以后就申请了专利,企图束缚住别人的手脚,这不简直无异于“圈地”么!而其保护的所谓“专利技术”,只不过是低效的不彻底的改造方案,要么就是多此一举的改造方案而已,其实都不是可以“独霸天下”的所谓“专利技术”。真正的技术应该是实事求是地根据各个发电厂具体的设备和运行工况作出的“恰到好处”的,符合火电厂节能改造“可靠性、经济性、现场适宜和改动最小”原则的改造方案。发电厂电动给水泵节能改造的滚滚洪流绝不是那家的一家之言可以左右的。


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