發(fā)電廠水泵電動機節(jié)能改造技術(shù)方案分析
火力發(fā)電機組必須配備的水泵主要有鍋爐給水泵、循環(huán)水泵和凝結(jié)水泵，其次還有射水泵、低壓加熱器疏水泵、熱網(wǎng)水泵、冷卻水泵、灰漿泵、軸封水泵、除鹽水泵、清水泵、過濾器反洗泵、生活水泵、消防水泵和補給水泵等。這些水泵數(shù)量多，總裝機容量大:50MW火電機組的主要配套水泵的總裝機容量為6430kW，占機組容量的12.86%；100MW機組為10480kW，占10.48%；200MW機組為15450kW，占7.73%。100MW機組主要配套水泵的總耗電量約占全部廠用電量的70%左右。由此可見，水泵確實是火力發(fā)電廠中耗電量最大的一類輔機。因此，提高水泵的運行效率，降低水泵的電耗對降低廠用電率具有舉足輕重的意義。
給水泵
與風(fēng)機一樣，由于設(shè)計中層層加碼，留有過大的富裕量，造成大馬拉小車現(xiàn)象之外，由于采用節(jié)流調(diào)節(jié)，為滿足生產(chǎn)工藝上的要求，造成更大的能源浪費現(xiàn)象。一臺200MW發(fā)電機組的給水泵，其電動機功率達(dá)5000kW，水泵的出口壓力為25.0MPa，而正常運行時的汽包壓力為16.5MPa。水泵的出口壓力與正常的汽包壓力之間的差別如此之大(8.5MPa)的原因有兩個:
(1) 考慮到鍋爐檢修以后打水壓試驗的需要；
(2) 為給水調(diào)節(jié)閥前提供較大的壓力，以提高調(diào)節(jié)系統(tǒng)的反應(yīng)速度。
由以上分析可知，當(dāng)電動機定速運行時，為了維持汽包壓力在正常值，必須在給水管道上加裝給水調(diào)節(jié)閥，增加阻力，以至消耗大量的能源。若電機采用調(diào)速驅(qū)動，則可用改變電動機的轉(zhuǎn)速來滿足不同的壓力要求，節(jié)省了因閥門阻力引起的附加損耗，達(dá)到節(jié)能的目的。同時以調(diào)速方法改變壓力的響應(yīng)速度遠(yuǎn)比改變閥門開度來得快，使鍋爐汽包水位自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的反應(yīng)加快，改善了鍋爐給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)的性能。
為了降低水泵的能耗，除了提高水泵本身的效率、降低管路系統(tǒng)阻力、合理配套并實現(xiàn)經(jīng)濟調(diào)度外，采用調(diào)速驅(qū)動是一種更加有效的途徑。因為大多數(shù)水泵都需要根據(jù)主機負(fù)荷的變化調(diào)節(jié)流量，對調(diào)峰機組的水泵則尤其如此。根據(jù)目前我國電網(wǎng)的負(fù)荷情況，大多數(shù)125MW機組已參與調(diào)峰，為擴大調(diào)峰能力甚至一些200MW機組也不得不參與調(diào)峰運行。為這類調(diào)峰機組配套的各種水泵最好采用調(diào)速驅(qū)動，以獲得最佳節(jié)能效果。例如，有一臺國產(chǎn)200MW機組配備三臺DG400-180型定速給水泵，當(dāng)主機負(fù)荷為180MW時運行兩臺泵，調(diào)節(jié)閥的節(jié)流損失高達(dá)2.2MPa，僅此一項每年浪費電能883.9萬kW·h。如果改用一臺全容量調(diào)速給水泵則可以節(jié)省大量電能(表1)。由表1可見，當(dāng)主機采用定壓運行方式時，可平均節(jié)電20%，當(dāng)主機采用定-滑-定運行方式時可平均節(jié)電30%。以上是沒有考慮給水焓升變化的計算結(jié)果，如果考慮調(diào)速泵中給水焓升較小，則平均節(jié)電率將下降3%~5%。
從效率變化方面來看，節(jié)流調(diào)節(jié)法在工況改變時泵的效率曲線不變，因此隨著流量減小泵的效率下降比較快，而轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)法當(dāng)水泵轉(zhuǎn)速改變時，泵的效率曲線也相應(yīng)改變。因此，可以保證泵始終在高效區(qū)范圍內(nèi)運行。
如果管路系統(tǒng)的靜揚程H0=0(例如水平開式供水的情況)，那么管路系統(tǒng)阻力曲線近似于相似拋物線，泵的運行工況點近似于相似工況點。這樣，泵在變速運行過程中性能參數(shù)的變化可用比例定律表示，由(1)式可得:
因此，用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)法調(diào)節(jié)流量可以大幅度節(jié)約電能。譬如流量下降到額定流量的80%，軸功率將下降到額定值的51%；如果流量下降到50%，那么軸功率可以大幅度地下降到13%。當(dāng)然，實際上還要考慮調(diào)速裝置的滑差損失等因素，即使如此節(jié)電效果也是十分可觀的。如果靜揚程H0不太大，也可以近似用比例定律來估計調(diào)速節(jié)能的效果。
以上敘述了一臺泵單獨供水時調(diào)速節(jié)能的原理，火力發(fā)電廠中單泵供單爐的單元制給水系統(tǒng)就屬于這種情況。但是，單機容量100MW以下的火力發(fā)電廠基本上采用母管制給水系統(tǒng)，這種系統(tǒng)根據(jù)所需給水量的變化增減運行泵的臺數(shù)，即所謂臺數(shù)調(diào)節(jié)法。
如果泵的臺數(shù)比較多，采用這種方法也可以使各泵的運行工況點接近于高效區(qū)，所以運行經(jīng)濟性也比較好。有些給水系統(tǒng)還配備了流量大小不同的給水泵，根據(jù)負(fù)荷進行大小泵搭配運行，即所謂經(jīng)濟調(diào)度，這樣運行經(jīng)濟性會更好些。但是，為了最大限度地提高運行經(jīng)濟性，最理想的方案還是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，因為臺數(shù)調(diào)節(jié)法仍然存在一些節(jié)流損失，而且在變負(fù)荷時泵的運行效率仍然有些降低，圖3表示采用臺數(shù)調(diào)節(jié)法與轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)法時泵軸功率的差異?！ ?nbsp;
另外，與轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)法相比，臺數(shù)調(diào)節(jié)法不僅經(jīng)濟性差，而且安全性也差，因為它必須根據(jù)負(fù)荷經(jīng)常起動和停泵，增加了不安全因素。
由于給水泵的功率大，一般在5000kW以上，采用變頻調(diào)速雖然性能優(yōu)越，但是成本太高，投資回收周期長，在目前還不能滿足給水泵節(jié)能改造的要求，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，給水泵實現(xiàn)變頻調(diào)速也是完全可能的。目前300MW機組的給水泵一般采用小汽輪機調(diào)速驅(qū)動，200MW及以下機組則大部分可采用液力耦合器調(diào)速。液力耦合器雖屬低效調(diào)速方式，但是即使在低轉(zhuǎn)速比時，相對節(jié)流調(diào)節(jié)而言，也有明顯的節(jié)能效果，并且因其投資少，見效快，資金回收周期短，在老機組和中小機組節(jié)能改造工程中，不失為一種經(jīng)濟實用的改造方案。
循環(huán)水泵
循環(huán)水泵是為火電機組凝汽器系統(tǒng)提供冷卻水的重要輔機設(shè)備，為大流量低揚程軸流泵。一般小機組為母管制，大機組為單元制。其運行方式為隨機組長期連續(xù)運行。一般一臺機組為兩臺泵，冬天一臺泵運行、夏天需兩臺泵運行。為了運行的可靠性，也有設(shè)計三臺泵的，一臺運行，一臺備用，一臺檢修。
循環(huán)水泵目前大多采用動葉可調(diào)的軸流泵，但是由于是定速運行，因此很難適應(yīng)季節(jié)和負(fù)荷的變化，造成冷卻水的大量浪費。若采用變頻調(diào)速改造，既可節(jié)能降耗，又提供了循環(huán)水的流量調(diào)節(jié)手段，使機組保持最經(jīng)濟的運行狀態(tài)。
循環(huán)水泵的電機功率一般在2000~3000kW，采用中壓變頻器改造比較合適，考慮到其運行方式，也為了節(jié)省改造經(jīng)費，可采用一拖三方案，即用一臺變頻器分別拖動機組的三臺循環(huán)水泵。冬季和低負(fù)荷時，一臺泵調(diào)速運行；夏季和高負(fù)荷時，一臺泵定速運行，一臺泵調(diào)速運行。調(diào)速泵采集汽機調(diào)節(jié)級壓力，大氣壓力，凝汽器真空及泵的出、入口水溫等信號經(jīng)控制系統(tǒng)處理后，給變頻器輸出4~20mA的速度給定指令信號，實現(xiàn)泵速自動調(diào)節(jié)，確保循環(huán)水倍率，提高冷卻效果。
凝結(jié)水泵
凝結(jié)水泵屬中低壓冷水泵，其吸入側(cè)為真空狀態(tài)。一般一臺機組設(shè)計2臺泵，一臺運行，一臺備用，每臺泵的出力均為110%額定流量；大機組采用3臺泵，二臺運行，一臺備用，每臺泵的出力均為55%額定流量。目前存在的問題是:
(1)由于凝結(jié)水泵定速運行，靠出口電動調(diào)節(jié)門的節(jié)流控制，節(jié)流量大，出口壓力高，經(jīng)常發(fā)生泵的格蘭大量漏水造成熱量和水量損失，地面污染，導(dǎo)致不能正常運行甚至損壞泵。
(2)電動調(diào)節(jié)門是電動機械結(jié)構(gòu)，線性度差，存在調(diào)節(jié)滯后，調(diào)節(jié)品質(zhì)差的問題影響了調(diào)節(jié)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。經(jīng)常出現(xiàn)無水位運行狀態(tài)，導(dǎo)致泵的嚴(yán)重汽蝕；因為是立式泵，水泵軸向竄動嚴(yán)重，電流晃動大，軸承損壞，疏水管道振動和泄露等故障，增加了泵的維護工作量，經(jīng)常要倒泵，影響機組安全運行。
(3)由于采用定速泵出口門節(jié)流調(diào)節(jié)方式，無法穩(wěn)定控制凝汽器熱井水位，熱井水位時高時低，運行人員操作頻繁，嚴(yán)重影響機組的安全經(jīng)濟運行。
凝結(jié)水泵采用變頻調(diào)速改造，除了節(jié)能效果外，還可收到良好的工藝控制效果，提高機組的安全經(jīng)濟運行水平。凝結(jié)水泵的功率一般為500~1500kW，采用中壓變頻器較為合算。對凝結(jié)水泵進行變頻改造，采用一拖一方案。要求正常情況下，一臺變頻泵運行，另一臺變頻泵備用，當(dāng)一名變頻泵的開關(guān)因故跳閘時，另一臺變頻泵的開關(guān)自投，以確保機組安全運行。
灰漿(渣)泵
灰漿(渣)泵是將煤在鍋爐中燃燒后沖到灰漿池中的灰漿、灰渣排到貯灰場的設(shè)備。一般兩臺機組共用，配置3臺泵，每臺泵的出力為110%額定流量。還要外加一臺清洗水泵，用來沖洗灰漿(渣)泵及管道的積灰。
其運行方式是三臺泵輪流間斷運行，因為如果某一臺泵長期不運行的話，出口會被灰漿、灰渣堵死，再次開泵時會造成電機過載而燒壞；另外若一臺泵開著，時間不長就會將灰漿池抽干，泵空轉(zhuǎn)引起汽蝕，而停泵若超過半個小時，灰漿池又會溢出，如再次開啟才停運的泵，則容易因為過熱而引起電機損壞。因而操作頻繁，泵和電機損壞嚴(yán)重。
因此，灰漿泵是發(fā)電廠中最需要進行變頻改造的泵，而又是進行變頻改造經(jīng)濟性最差的設(shè)備。因為，灰漿泵的容量為300~500kW，為6kV高壓電機，若采用6kV高壓變頻器，沒有這個功率等級的設(shè)備，一般都在1000kW以上，設(shè)備的電流利用率低，投資高，不劃算。且灰漿泵的調(diào)速改造主要是改善工藝條件和延長設(shè)備的使用壽命，減少維修量，節(jié)能效益不大。
因此，可采用高-低-低方案，即用一臺變壓器將電壓6kV降為380V或690V，用380V(或690V)低壓變頻器，將6kV電機換成380V或690V電機，較為經(jīng)濟合理。為了進一步節(jié)省投資，可采用“一拖三”方案，即用一套變頻調(diào)速裝置，輪流拖動三臺泵運行。由于灰漿泵為間斷運行方式，泵的切換可采用“冷”切換的方式:停泵--切換--啟動另一臺泵。
其它還有低加疏水泵，熱網(wǎng)水泵，清水泵，補給水泵和生活水泵等，均為低壓電機拖動，可根據(jù)其運行狀況設(shè)計合理的改造方案，這里不再一一贅述。
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