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600MW空冷機組電動給水泵改變頻執行方案選擇及節能淺析

瀏覽次數·▩•╃│: 日期·▩•╃│:2020-3-23 11:58:10

摘要·▩•╃│:隨著近幾年我國和全球經濟✘╃、能源和環保形勢的發展✘☁☁☁✘,火力發電企業目前面臨的形勢也出現了一些新的變化✘↟。內蒙古大板發電有限責任公司積極響應國家政策,對電廠600MW亞臨界空冷燃煤汽輪發電機組的電動給水泵實施變頻節能改造.

關鍵詞·▩•╃│:高壓變頻器✘☁☁☁✘,電動給水泵✘☁☁☁✘,液力耦合器✘☁☁☁✘,節能


1. 大板電廠給水泵改造的背景和必要

1.1改造背景

大板電廠採用電動給水泵✘☁☁☁✘,沒有安裝汽動給水泵✘☁☁☁✘,因此在機組調峰和低負荷狀態下造成很大的電能浪費✘☁☁☁✘,不符合國家能源發展方向和環保要求✘↟。對電動給水泵進行節能改造勢在必行✘↟。隨著近幾年我國和全球經濟✘╃、能源和環保形勢的發展✘☁☁☁✘,火力發電企業目前面臨的形勢也出現了一些新的變化✘↟。

(1)國家能源結構調整深入推進✘☁☁☁✘,火電結構調整面臨新壓力✘↟。

(2)節能標準日益提高✘☁☁☁✘,對火電節能降耗工作提出更高要求✘↟。

(3)大功率電動機節能技術✘↟。


1.2改造的必要性

液力耦合調速電動給水泵,是發電廠生產過程的主要輔機之一✘↟。燃煤火力發電機組鍋爐全配置的液力耦合器調速電動給水泵,耗電量約佔單元機組發電量的2.5%~4%左右(因純凝✘╃、供熱✘╃、空冷✘╃、壓力等因素而不同)✘☁☁☁✘,是機組輔機中最大的耗電裝置✘☁☁☁✘,尤其是空冷機組✘☁☁☁✘,廠用電率高達10%左右✘↟。

與傳統的安裝在管道上的調節閥相比✘☁☁☁✘,液力耦合器具有30%左右的節能效果✘↟。但耦合器調速過程泵輪和渦輪有滑差存在✘☁☁☁✘,輸出端轉速由高到低✘☁☁☁✘,滑差由小到大✘☁☁☁✘,滑差本質上是一種摩擦的表現形式✘☁☁☁✘,摩擦就會生熱✘☁☁☁✘,這個熱量不會去做功的✘☁☁☁✘,是純粹的損耗✘↟。電動給水泵耗費的電功率除了正常所需外✘☁☁☁✘,液力耦合器滑差調節產生的熱耗損失了部分功率✘☁☁☁✘,直接影響到全廠的供電煤耗✘╃、發電成本等指標✘↟。


2.專案簡介

內蒙古大板發電有限責任公司(以下簡稱·▩•╃│:大板電廠)位於赤峰市巴林右旗大板鎮✘↟。一期工程安裝兩臺600MW亞臨界空冷燃煤汽輪發電機組✘↟。兩臺機組於2013年透過168小時試執行✘☁☁☁✘,同年9月投入商業執行✘↟。兩臺機組透過板巴1號線和板巴2號線併入500kV東北電網✘↟。每臺機組安裝有3臺滿足機組35%容量電動給水泵組✘↟。所有電動給水泵組均佈置在汽機房零米✘☁☁☁✘,每臺機組的電動給水泵為縱向順列布置✘↟。電動給水泵電動機✘╃、液力耦合器及給水泵與前置泵連體佈置✘↟。電動機同軸驅動給水泵和前置泵✘☁☁☁✘,由液力耦合器調速實現給水泵的流量調節✘↟。正常執行時三臺給水泵全部執行✘☁☁☁✘,無備用;機組負荷低於460MW時✘☁☁☁✘,兩臺給水泵執行✘☁☁☁✘,1臺備用✘↟。給水泵組技術規範如表1--表4所示·▩•╃│:

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3改造方案

目前對全配置液力耦合器調速電動給水泵進行節能改造的解決方案主要有·▩•╃│:

(1) 置換式——將原液力耦合器置換成增速齒輪箱✘☁☁☁✘,用變頻器調節給水泵電動機輸出轉速✘↟。

(2)直驅式——將原液力耦合器泵輪和渦輪拆除✘☁☁☁✘,用聯軸器將輸入軸和輸出軸連線起來;用變頻器調節給水泵電動機輸出轉速✘↟。

(3)多功能液力耦合器——不改變液力耦合器✘☁☁☁✘,正常工作時✘☁☁☁✘,將液力耦合器的勺管調節到100%位置✘☁☁☁✘,再用變頻器調節給水泵電動機輸出轉速✘↟。

(4) 高速直驅傳動系統——將給水泵電動機更換成高速電動機✘☁☁☁✘,直接驅動給水泵高速執行;給前置泵增加一臺電動機✘☁☁☁✘,拖動前置泵定速執行✘↟。


3.1 給水泵變頻調速改造方案

在現有的35%容量電動給水泵組不做調整的前提下✘☁☁☁✘,每臺電動給水泵進行變頻改造✘↟。隨著電力電子技術的發展✘☁☁☁✘,近年來✘☁☁☁✘,高壓變頻器技術已經成熟✘☁☁☁✘,主要優點有·▩•╃│:

(1)速度控制範圍寬✘☁☁☁✘, 1%~100%;

(2)調節精度✘☁☁☁✘,±0.5%;

(3)整機效率97%✘☁☁☁✘,功率因數不低於0.95;

(4)軟啟/軟停✘☁☁☁✘,對廠用電系統衝擊小✘↟。

提高給水調節品質被公認為是一種節能✘╃、高效的交流調速方式✘☁☁☁✘,在工業領域內被廣泛應用✘↟。用變頻器替代液力耦合器控制鍋爐給水泵也許是兼顧了投資和節電兩個方面最合適的改造方法✘↟。

變頻調節給水泵轉速與液偶間接調速不同✘☁☁☁✘,變頻器透過改變給水泵電動機的供電頻率直接調節給水泵的轉速✘☁☁☁✘,始終讓電動機具有較高的工作效率✘☁☁☁✘,同時✘☁☁☁✘,電動機的功率消耗也與給水泵的轉速有了三次方的關聯關係✘☁☁☁✘,如果再改變液力耦合器的工作方式或乾脆採用機械方式傳遞動力到給水泵✘☁☁☁✘,液力耦合器的熱損耗也被消除了✘↟。


3.2液力耦合器改造方案

電廠原有給水泵配置✘☁☁☁✘,是主泵和前置泵由一臺電動機同軸驅動✘↟。主泵和電動機之間配置有增速液力耦合器(詳見圖一)✘↟。根據工況需要✘☁☁☁✘,調節液力耦合器勺管開度✘☁☁☁✘,來控制液力耦合器輸出轉速✘☁☁☁✘,達到調節給水泵轉速的目的✘↟。

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 圖一

給水泵進行變頻改造的關鍵是如何改造液力耦合器✘↟。以滿足其輸入(電動機)軸變速執行時✘☁☁☁✘,輸出(主泵)軸能夠按增速齒輪箱功能變速輸出✘↟。其改造方案有:

方案一·▩•╃│:置換式——將液力耦合器更換成增速齒輪箱(詳見圖二);將前置泵軸調轉1800✘☁☁☁✘,增加前置泵電動機獨立驅動前置泵工作✘↟。

特點·▩•╃│:改造成本價高;施工時間長✘↟。

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 圖二

方案二·▩•╃│:直驅式——把液力耦合器改造成增速齒輪箱✘☁☁☁✘,拆除液力耦合器泵輪和渦輪及其相關部件✘☁☁☁✘,用聯軸器將輸入軸和輸出軸連線起來✘↟。再將前置泵調轉1800✘☁☁☁✘,增加前置泵電動機獨立驅動前置泵工作(詳見圖三)✘↟。

特點·▩•╃│:需要液力耦合器返廠改造✘↟。週期長✘☁☁☁✘,費用高✘☁☁☁✘,且屬非標產品✘☁☁☁✘,執行穩定性很難保證✘↟。

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 圖三

方案三·▩•╃│:多功能液力耦合器——液力耦合器不做任何改造✘☁☁☁✘,只是在變頻器控制給水泵電動機時✘☁☁☁✘,將液力耦合器的勺管強制到100%位置;增加外部補油泵✘☁☁☁✘,使液力耦合器輸入轉速較低的時候✘☁☁☁✘,補充潤滑油和工作油壓力(詳見圖四)✘↟。

特點·▩•╃│:改造方便✘╃、改造成本低✘↟。液力耦合器的滑差未能改善✘☁☁☁✘,傳動效率低✘☁☁☁✘,節能效果不理想✘↟。

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 圖四

此種改造方式✘☁☁☁✘,液力耦合器具有兩種功能,變頻執行時✘☁☁☁✘,由於液力耦合器勺管在100%的位置✘☁☁☁✘,液力耦合器轉速近似於1·▩•╃│:1輸出(只受制於液體滑差和傳動效率);變頻器故障時✘☁☁☁✘,恢復液力耦合器原有功能✘☁☁☁✘,還原給水泵由液力耦合器調速的功能✘☁☁☁✘,使給水泵組工頻執行✘↟。

方案四·▩•╃│:高速電動機驅動——將原給水泵電動機更新為高速電動機✘↟。拆除液力耦合器;增加前置泵電動機獨立驅動前置泵工作(詳見圖五)✘↟。

特點·▩•╃│:改造成本高✘↟。機組傳動效率高;施工簡單;前置泵不用調轉方向;機組穩定性高;節能效果能達到最理想效果✘↟。

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 圖五

3.2.1液力耦合器改造方案比較

方案比較主要是三種液力耦合器改造方案年總收益的比較✘↟。假定機組進汽量相同✘☁☁☁✘,燃料量相同✘↟。

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注·▩•╃│:由於齒輪箱的訂貨期等原因✘☁☁☁✘,大板電廠採用方案三✘☁☁☁✘,即將液力耦合器改造成多功能液力耦合器✘↟。使液力耦合器具有兩種功能✘☁☁☁✘,工頻執行時的調速功能和變頻執行時的增速齒輪箱輸出功能✘↟。

3.2.2方案選擇

綜合各種方案✘☁☁☁✘,大板電廠最終選擇了一拖一不帶旁路✘☁☁☁✘,將液力偶合器改造為增速齒輪箱✘☁☁☁✘,並將兩臺35%A✘╃、C水泵更換為50%水泵的方案✘↟。保留B給水泵✘☁☁☁✘,同時將前置泵增容✘☁☁☁✘,仍同軸驅動✘↟。

由於進口齒輪箱和給水泵✘╃、前置泵的訂貨週期長✘☁☁☁✘,一號機停機大修時間短✘☁☁☁✘,按期完成全部改造已無可能✘↟。因此✘☁☁☁✘,大板電廠透過專題會議研究決定✘☁☁☁✘,將一個合同分成“變頻改”造和“增容改造”兩個部分✘↟。2017年1號機大修期間✘☁☁☁✘,只施工給水泵“變頻改”造部分✘↟。

此次淺談只針對變頻改造✘↟。

 

3.3電控部分改造方案

(1)廠用電接線

大板電廠以500kV一級電壓接入系統✘☁☁☁✘, 500kV出線2回✘☁☁☁✘,至赤峰500kV變電所✘↟。500kV廠內配電裝置採用一臺半斷路器接線✘☁☁☁✘,一期建設2個完整串和1個半串(2臺斷路器)✘↟。發電機採用發電機-變壓器組單元接線方式✘☁☁☁✘,發電機出口不設定斷路器✘↟。

每臺機組設2臺三繞組高壓廠用工作變壓器✘☁☁☁✘,由發電機出口引接;每臺機組設定2段10kV高壓廠用工作母線段和2段6kV高壓廠用工作母線段✘↟。並設2段6kV公用母線段✘↟。兩臺機組設2臺三繞組高壓廠用起動/備用變壓器✘☁☁☁✘,其電源引接廠內500kV配電裝置✘↟。

廠用電系統採用10kV✘╃、 6kV和0.38/0.22kV三級電壓✘↟。單元機組低壓廠用變壓器和容量大於等於2000kW的電動機負荷由10kV 供電;其餘的低壓廠用變壓器和容量大於等於200kW的電動機負荷由6kV 供電;容量小於200kW的電動機✘╃、照明和檢修等低電壓負荷由0.38kV或0.38/0.22kV供電✘↟。

(2)電動給水泵設定及接線

大板電廠為直接空冷機組✘☁☁☁✘,每臺機組設有3臺6900kW的電動給水泵✘☁☁☁✘,額定負荷時3臺水泵執行✘☁☁☁✘,無備用✘☁☁☁✘,負荷低於460MW時2臺執行1臺備用✘↟。電動給水泵分別從本機組的兩臺高廠變的10kV分支引接✘↟。

(3)電動給水泵變頻改造接線

考慮到每臺機組3臺電動給水泵長期連續執行✘☁☁☁✘,因此本次改造僅將3臺工作給水泵增加變頻器拖動✘☁☁☁✘,每臺電動給水泵配置一臺變頻器✘☁☁☁✘,採用一拖一帶旁路的接線方案✘↟。改造後✘☁☁☁✘,電動給水泵接線位置不變✘☁☁☁✘,需要將原有10kV開關櫃內接線進行修改✘↟。

一次接線如圖六·▩•╃│:

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 圖六

 

3.4冷卻水系統

由於變頻器系統內部配備了板式換熱器與外部冷卻水進行熱交換✘☁☁☁✘,為避免堵塞✘☁☁☁✘,裝置冷卻水擬在汽機房內開式冷卻水過濾器後引接✘☁☁☁✘,1號機組新建一根D273×6鋼製供水管道✘☁☁☁✘,送至新建於A排前空冷平臺下方的變頻器裝置間✘☁☁☁✘,出水採用D273×6鋼管直埋接至現有輔機冷卻水系統回水管或迴圈水吸水前池✘↟。

 

3.5變頻器選擇

經招標程式✘☁☁☁✘,大板電廠選擇了北京合康新能科技股份有限公司獨家代理的義大利安薩爾多變頻器✘☁☁☁✘,變頻器額定引數如下·▩•╃│:

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 變頻器特點·▩•╃│:

1✘╃、變頻器提供了對電機的所有保護功能✘☁☁☁✘,具有反應對稱和各種不對稱故障以及電壓異常等的保護功能✘↟。

2✘╃、電動機變頻調速是利用變頻裝置作為變頻電源✘☁☁☁✘,透過改變非同步電動機定子的供電電源頻率f✘☁☁☁✘,使同步轉速n1變化✘☁☁☁✘,從而改變非同步電動機轉速n✘☁☁☁✘,實現調速的目的✘↟。其特點是·▩•╃│:

(1)速度控制範圍寬可在1%-100%之間進行調節✘↟。

(2)調節精度可達到±0.2%(100%速度時)✘↟。

(3)整機效率97%✘☁☁☁✘,功率因數0.95以上✘↟。

(4)具有工業網路及通訊介面✘☁☁☁✘,便於實現閉環自動控制✘↟。且保護功能完善✘↟。

(5)使用壽命長✘☁☁☁✘,故障率低✘☁☁☁✘,維護量小✘↟。

(6)節電率高✘☁☁☁✘,與液力耦合器比較節電率可達20%以上✘↟。

(7)沒有液力耦合器高轉速丟轉現象✘↟。

(8)軟啟動軟停止✘☁☁☁✘,可延長電機使用壽命✘↟。

 

4. 執行節能分析

大板電廠2017年10月18日16時✘☁☁☁✘,1號機組併網執行✘☁☁☁✘,給水泵帶變頻執行;2號機組給水泵工頻執行✘↟。因增速齒輪箱裝置沒有到貨✘☁☁☁✘,本次一號機組給水泵僅變頻執行✘☁☁☁✘,液力偶合器置效率最大位置✘☁☁☁✘,等效為增速齒輪箱✘↟。下面對兩個月來一號機組和二號機組執行節電率進行簡要的對比分析(其中一號機組A✘╃、C給水泵變頻執行✘☁☁☁✘,其他執行條件近似)✘↟。

 

4.1 不同負荷率下節電率對比

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4.2  10✘╃、11月份同時段兩臺機組給水泵耗電量對比

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4.3 月度節電率對比表

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4.4給水泵變頻執行與2號機給水泵工頻執行節能引數對比表

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本資料表收集的負荷率在50%-75%之間✘☁☁☁✘,基本符合機組正常執行的區間✘↟。若提高機組利用小時數則收回成本的時間會降低✘↟。平均差值·▩•╃│:2407kW/每小時✘☁☁☁✘,每臺機組年平均利用小時4130H(依據2017年統計資料)✘☁☁☁✘,電價·▩•╃│:0.3元/kWH✘☁☁☁✘,年平均收益·▩•╃│:298,2273元✘↟。

 

5.總結

透過此次增加給水泵變頻調速節統✘☁☁☁✘,提高了大板電廠600MW機組給水泵調節品質✘↟。在忽略其它因素的影響✘☁☁☁✘,只考慮給水泵變頻執行和工頻執行工況✘☁☁☁✘,可以看出自10月18日1號機組併網執行後✘☁☁☁✘,相對2號機組給水泵工頻執行的廠用電率是逐漸降低的✘↟。1號機組給水泵改變頻運行同2號機組給水泵工頻執行相比✘☁☁☁✘,廠用電率降低0.4%以上✘☁☁☁✘,且隨著機組負荷率的降低✘☁☁☁✘,給水泵變頻執行的節能效率越高✘↟。大板電廠給水泵改變頻執行✘☁☁☁✘,取得了明顯節能效果✘↟。也說明合康公司提供的變頻器效能優良✘☁☁☁✘,改造方案切實可行✘↟。


作者簡介:

張國清(1957-) 男 電氣工程及自動化專業本科學歷 大板電廠裝置部電氣二次專工✘☁☁☁✘,長期在火電企業從事電力系統繼電保護及自動化✘╃、熱工自動化✘╃、電力電子✘╃、電測儀表✘╃、電氣試驗等工作✘↟。

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