1、概述

　　大唐雙鴨山熱電有限公司，位于黑龍江省雙鴨山市東部經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)，在雙鴨山東環(huán)高速內(nèi)側(cè)，距市中心4公里。電廠裝有2×200MW汽輪發(fā)電機(jī)組。每臺機(jī)組設(shè)置兩臺100%容量的電動給水泵,一臺運行一臺備用。電動機(jī)額定電壓為6kV，電動機(jī)（5500kW、595A、1493r/min）通過調(diào)速型液力偶合器（YOT51、5100kW、5090r/min）驅(qū)動給水泵（200TSBBⅡ-J）。兩臺機(jī)組先后于2006年投產(chǎn)。給水泵耗電量，是電廠主要輔機(jī)耗電量之最。2010年1、2號機(jī)組給水泵年平均耗電量占發(fā)電量的2.5%,占生產(chǎn)廠用電率的近33%。給水泵做為生產(chǎn)過程的主要輔機(jī)，其耗電量是最大的。直接影響供電煤耗，影響發(fā)電成本，影響能源消耗。因此對電動給水泵的調(diào)速方式進(jìn)行優(yōu)化和改造，是十分必要的。為貫徹落實國家和集團(tuán)公司的節(jié)能要求，為降低電動給水泵的年耗電量，降低給水泵的年運行費用，降低供電煤耗，大唐黑龍江發(fā)電有限公司，大唐雙鴨山熱電有限公司，大唐黑龍江節(jié)能服務(wù)有限公司，選擇了變頻調(diào)速型液力偶合器電動給水泵（專利號：ZL201020640252.8）改造方案。

　　2、液力偶合器調(diào)速與變頻器調(diào)速效率比較

　　2.1、液力偶合器調(diào)速

　　液力偶合器是以液體為工作介質(zhì)，利用液體動能的變化來傳遞能量的傳動機(jī)械。200MW汽輪機(jī)組給水泵配套的液力偶合器，多為增速型液力偶合器，所謂增速型液力偶合器是增速齒輪組與液力偶合器的有機(jī)結(jié)合。增速齒輪組起增速作用，以滿足給水泵額定工況時的轉(zhuǎn)速需要，液力偶合器起調(diào)速作用，以滿足變工況運行的需要。

　　對于液力偶合器這樣一個封閉系統(tǒng)，作用于其上的外力矩

　　∑M=0

　　MB+MT=0

　　亦即MB=﹣MT

　　式中；MB、MT為泵輪、渦輪作用于封閉系統(tǒng)的力矩。

　　圖1-1液力偶合器外特性

　　η=0;處于相對靜止?fàn)顟B(tài),此時能量的傳遞也就終止M=M=0。實際運行中，由于存在著摩擦力矩，i接近1時偶合器傳遞的力矩很小，而機(jī)械摩擦力矩所占的比重急劇增大，因此在轉(zhuǎn)速比i接近1時的效率特性明顯偏離η=i直線，并在i=0.99～0.995時急劇下降至η=0。所以偶合器正常工作時渦輪轉(zhuǎn)速必然低于泵輪轉(zhuǎn)速，即液力偶合器正常工作時總是存在滑差的?；钜赞D(zhuǎn)差率S表示，轉(zhuǎn)差率是泵輪和渦輪的轉(zhuǎn)速差與泵輪轉(zhuǎn)速之比,即：

　　通過對液力偶合器外特性的分析，可以得出如下結(jié)論：即液力偶合器不輪在任何工況下，泵輪和渦輪的液力力矩始終大小相等方向相反，液力效率η始終等于轉(zhuǎn)速比i。

　　200MW汽輪機(jī)組給水泵配套的液力偶合器的額定轉(zhuǎn)速，都是和給水泵的額定出力相配套的。就液力偶合器本身而言，應(yīng)該長期處于高轉(zhuǎn)速比下工作，才能獲得最佳經(jīng)濟(jì)效益。但設(shè)計上給水泵的最大出力為鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量的110%，是高于機(jī)組的額定出力需要的，正常運行中200MW機(jī)組由于負(fù)荷分配和調(diào)峰等因素影響，經(jīng)常偏離額定負(fù)荷運行，年平均負(fù)荷率一般在65%-75%左右。

　　運行中的給水泵的工作點，是遠(yuǎn)離最佳工作點的，隨著負(fù)荷率的降低，液力偶合器的效率明顯降低，負(fù)荷率75%時，液力偶合器效率為73%，負(fù)荷率70%時，液力偶合器效率為68%，負(fù)荷率65%時，液力偶合器效率為63%，分別與最高效率點相差24%、29%、34%?？梢?，液力偶合器調(diào)速方式，在偏離額定工況時，由于液力偶合器轉(zhuǎn)速比隨負(fù)荷率相應(yīng)變化，所造成的效率降低，而引起的能耗增加是很可觀的。

　　2.2、變頻調(diào)速

　　變頻調(diào)速是通過改變電源頻率和電壓，直接改變異步電動機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)速。變頻調(diào)速的最大優(yōu)點，一是節(jié)電、二是調(diào)節(jié)精度高，這是因為變頻器效率在40%負(fù)荷率以上不同轉(zhuǎn)速下，均在93%-96%以上。詳見變頻調(diào)速用干式變壓器效率曲線、變頻器效率曲線和變頻器含干式變的效率曲線。

　　通過上述曲線，可以看出，變頻調(diào)速用干式變壓器效率（功率因數(shù)0.96為準(zhǔn)）和變頻器效率的綜合效率平均（在負(fù)荷40%-100%之間）為93%-96%

　　2.3、變頻調(diào)速效率與液力偶合器調(diào)速效率比較

　　如下圖所示，在不同負(fù)荷率下，變頻調(diào)速與液力偶合器調(diào)速效率的差別是很大的。

　　在不同負(fù)荷率下，變頻調(diào)速型液力偶合器調(diào)速效率與液力偶合器調(diào)速效率比較列表如下：

　　通過上述比較；可明顯看出，變頻調(diào)速型液力偶合器效率（100%負(fù)荷除外）比液力偶合器調(diào)速效率高出很多，有著顯著的節(jié)能潛力。用變頻調(diào)速型液力偶合器調(diào)速替換液力偶合器調(diào)速，可以有效解決液力偶合器低轉(zhuǎn)速比時效率低能耗高的問題，能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)能降耗的目標(biāo)。

　　3、變頻調(diào)速型液力偶合器

　　200MW機(jī)組給水泵配套液力偶合器，均為增速型液力偶合器。主要由兩部分組成，一是增速齒輪，這一部分的作用是把電動機(jī)的額定轉(zhuǎn)速升高至給水泵額定工況的運行轉(zhuǎn)速；二是泵輪、渦輪和循環(huán)油系統(tǒng)，其作用是通過勺管調(diào)節(jié)循環(huán)油，改變偶合器內(nèi)部的充油量，從而調(diào)節(jié)渦輪轉(zhuǎn)數(shù)，實現(xiàn)輸出轉(zhuǎn)速的無級調(diào)速。這是偶合器的工作原理和調(diào)速方式。

　　電動機(jī)通過液力偶合器驅(qū)動的給水泵，是不能直接改為變頻調(diào)速的。給水泵進(jìn)行變頻改造的關(guān)鍵是如何改造液力偶合器，以滿足輸入軸變速運行時，輸出軸能夠按增速齒輪箱功能變速輸出。傳統(tǒng)改造方案有:將液力偶合器更換成增速齒輪箱；將液力偶合器改造成增速齒輪箱。更換成增速齒輪箱就是購買一臺增速齒輪箱，其造價高，工期長，需要改造給水泵基礎(chǔ)等，很難實現(xiàn)；將液力偶合器改造成增速齒輪箱，需要進(jìn)行設(shè)計制造，周期長，費用高，且屬非標(biāo)產(chǎn)品，運行穩(wěn)定性很難保證。通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較,上述換成增速齒輪箱方案和改造成增速齒輪箱方案，造價高、供貨周期長，且增速齒輪箱方案只能實現(xiàn)變頻一拖一方式,是有缺憾的,是不適應(yīng)現(xiàn)場需要的。將液力偶合器改造成變頻調(diào)速型液力偶合器，即改造成多功能液力偶合器。所謂多功能液力偶合器，就是在保留液力偶合器調(diào)速功能的基礎(chǔ)上,增加液力偶合器的增速齒輪箱輸出功能（這是長春時代機(jī)電新技術(shù)有限公司的發(fā)明專利。專利號：201020640252.8）。實現(xiàn)這一改造后，液力偶合器具有了兩種功能，一是工頻運行時的液力偶合器的調(diào)速功能（這是原來就有的）；二是變頻運行時的增速齒輪箱輸出功能（這是改造后新增的）。兩種功能可以進(jìn)行切換。將兩臺液力偶合器都改成多功能液力偶合器，配備一臺高壓變頻器，四臺斷路器，就可以實現(xiàn)200MW汽輪機(jī)組給水泵變頻一拖二改造了。

　　4、給水泵變頻一拖二解決方案

　　4.1、給水泵變頻一拖二方案的電氣一次接線

　　給水泵變頻一拖二方案的電氣一次接線如下圖。虛線框內(nèi)設(shè)備,為實現(xiàn)給水泵變頻一拖二方案增加的設(shè)備。

　　方案說明：

　　這一方案的運行方式是靈活的，每臺泵都可以變頻運行，每臺泵都可以工頻運行，正常運行方式為一臺泵變頻運行，另一臺泵工頻備用。其切換方式是：每臺泵都可以由變頻運行切換到工頻運行，然后以變頻器啟動備用泵后，停止工頻泵。變頻運行泵故障跳閘時，連鎖啟動工頻備用泵。

　　4.2、實現(xiàn)一拖二切換的技術(shù)措施

　　4.2.1互鎖技術(shù)措施

　　QF3、QF4、QF5、QF6為小車式真空斷路器，QF3與QF4互鎖，即QF3與QF4只允許其中一個閉合，QF5與QF6互鎖，即QF5與QF6只允許其中一個閉合。同時QF1與QF5互鎖，QF2與QF6互鎖。即QF1與QF5只允許其中一個閉合，QF2與QF6只允許其中一個閉合。

　　4.2.2如何實現(xiàn)互鎖

　　斷路器之間的互鎖,是通過變頻器控制柜內(nèi)的可編程控制器（PLC）實現(xiàn)的。每一個斷路器的分合閘，都是按變頻切換工頻和變頻一拖二切換的相應(yīng)程序控制的。切換時間可以完全滿足現(xiàn)場需要,可在現(xiàn)場調(diào)試時設(shè)定。此外,斷路器之間的互鎖還要通過各個斷路器之間的電氣硬接線來實現(xiàn)。以確保各個斷路器之間的分合閘的準(zhǔn)確、安全、可靠。

　　4.2.3控制與切換

　　多功能液力偶合器工、變頻運行方式的切換、每臺給水泵的工頻啟停、變頻啟停、變頻切工頻和兩臺泵間變頻切換，變頻調(diào)速泵運行與液力偶合器調(diào)速泵運行的給水自動控制與切換均由DCS組態(tài)實現(xiàn)。

　　4.3、變頻器的選配與通風(fēng)

　　4.3.1大唐雙鴨山熱電有限公司給水泵組參數(shù)

　　（1）給水泵電動機(jī)參數(shù)

　?。?）給水泵參數(shù)

　　4.3.2變頻器的選配

　　根據(jù)給水泵軸功率,給水泵電動機(jī)的參數(shù),結(jié)合大唐雙鴨山熱電有限公司現(xiàn)場給水泵實際運行情況,選配東方日立（成都）電控設(shè)備有限公司進(jìn)口成套的日本日立公司變頻器，其主要技術(shù)參數(shù)如下表:

　　DHVECTOL-HI05500/06高壓變頻器。

　　4.3.3、變頻器通風(fēng)散熱

　　為確保變頻器可靠運行，采用空水冷通風(fēng)散熱方式，空水冷布置如圖所示：

　　從變頻器出來的熱風(fēng)，經(jīng)過通風(fēng)管道排放到內(nèi)有固定水冷管的散熱器中，散熱器中通過溫度低于33℃的冷水，熱風(fēng)經(jīng)過散熱片后，將熱量傳遞給冷水，變成冷風(fēng)從散熱片吹出，熱量被循環(huán)冷卻水帶走，從而保證變頻器控制室內(nèi)的環(huán)境溫度不高于40℃。安裝空冷器要求必須在密閉環(huán)境中。流入空冷器的水為循環(huán)水,為保護(hù)設(shè)備,要求循環(huán)水的PH值為中性,且無腐蝕損壞銅鐵的雜質(zhì),進(jìn)水的水壓一般為0.25～0.3Mpa,進(jìn)水溫度≤33℃。

　　5、節(jié)電效果

　　大唐雙鴨山熱電有限公司，一號汽輪機(jī)組變頻調(diào)速型液力偶合器電動給水泵改造工程于2011年9月18日開工10月7日正式投運，節(jié)電效果明顯，改造成功。我們對改造前后不同負(fù)荷工況下，給水泵的運行參數(shù)和改造后兩臺機(jī)組相同負(fù)荷工況下，變頻調(diào)速給水泵和偶合器調(diào)速給水泵耗電量進(jìn)行了測試，其結(jié)果如附表：

　　1號機(jī)組改前不同負(fù)荷工況下主要運行參數(shù)

　　1號機(jī)組改后不同負(fù)荷工況下主要運行參數(shù)

　　通過改前改后機(jī)組運行參數(shù)比較，相同負(fù)荷下電流下降比較明顯，平均下降107A，平均電流下降率為27.41%！

　　1號機(jī)2號給水泵變頻改造后節(jié)電效果

　　為測試變頻改造后節(jié)電率，兩臺機(jī)組帶同樣負(fù)荷進(jìn)行了變頻調(diào)速泵與液力偶合器調(diào)速泵耗電量對比試驗，試驗結(jié)果如下表

　　由上表可以看出在年平均負(fù)荷率76%的運行工況下,給水泵變頻調(diào)速運行,年可節(jié)電5304063千瓦時,其節(jié)電率為:21%。年節(jié)電5304063千瓦時，就等于增加上網(wǎng)電量5304063千瓦時，可增加產(chǎn)值202萬元/年（平均上網(wǎng)電價為0.38元/千瓦時）,可折合成標(biāo)準(zhǔn)煤1664噸/年(供電煤耗為313.7克/千瓦時)。

　　6、結(jié)論

　　通過大唐雙鴨山熱電有限公司，一號汽輪機(jī)組變頻調(diào)速型液力偶合器電動給水泵的變頻一拖二改造實踐，證明變頻調(diào)速型液力偶合器，即多功能液力偶合器是實現(xiàn)變頻一拖二改造的核心技術(shù)。液力偶合器不動，將偶合器改造成多功能偶合器，進(jìn)而實現(xiàn)變頻一拖二給水泵解決方案，在國內(nèi)外均屬首例，屬科技創(chuàng)新，是200MW汽輪發(fā)電機(jī)組給水泵變頻改造的最佳方案。運行實踐證明節(jié)電是明顯的，效益是可觀的。

　　這一解決方案也可以應(yīng)用到300MW和600MW空冷汽輪機(jī)組的液力偶合器調(diào)速的電動給水泵改造中，其節(jié)電效果將更加明顯，效益將更加可觀。

　　聯(lián)系人：張文海長春時代機(jī)電新技術(shù)有限公司總經(jīng)理教授級高級工程師專門從事高壓變頻器在發(fā)電廠的應(yīng)用研究。變頻調(diào)速型液力偶合器電動給水泵專利發(fā)明人、專利權(quán)人。

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