給水泵是火力發(fā)電廠最重要的輔機之一, 其運行的正常與否直接關(guān)系到整個電廠能否安全穩(wěn)定運行。目前, 國外在330MW 以上機組的泵和風(fēng)機上已普遍應(yīng)用調(diào)速設(shè)備, 我國在經(jīng)過長時間摸索以后, 也在一些大功率的旋轉(zhuǎn)設(shè)備上加裝調(diào)速設(shè)備。液力耦合器采用液體傳遞動力, 以實現(xiàn)調(diào)速、隔絕軸系振動。變頻器通過對電源頻率的改變, 實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié), 進而改變被驅(qū)動設(shè)備的轉(zhuǎn)速。
1．調(diào)速的目的
目前, 我國火力發(fā)電廠裝機容量正向大容量、高參數(shù)方向發(fā)展, 對于主要輔機運行可靠性的要求越來越高, 每一個環(huán)節(jié)的故障都可能導(dǎo)致整個系統(tǒng)的癱瘓。同時, 電廠更加重視成本節(jié)約, 調(diào)速節(jié)能正在成為趨勢。調(diào)速運行的主要目的包括以下兩個方面。
1.1提高系統(tǒng)可靠性及運行的安全性, 改善軸系運行的機械狀況, 延長設(shè)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(dǎo)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(zhuǎn)速則可以緩解上述問題, 降低事故率, 進而提高了系統(tǒng)可靠性及運行的安全性。
1.2降低廠用電量, 節(jié)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(zhuǎn)速, 泵的高效率范圍隨著轉(zhuǎn)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(diào)速方式的特點
轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)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(jīng)在所有工業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。變頻器在過去幾年也取得了不錯的應(yīng)用效果, 尤其是低壓變頻器(380 V、220 kW 以下) 憑借良好的節(jié)能效果和相對成熟的設(shè)計, 在工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)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(yīng)用在多個領(lǐng)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(diào)速范圍寬, 可實現(xiàn)從零調(diào)節(jié); 沒有電氣連接, 對環(huán)境要求不高。
2.1.2技術(shù)成熟, 結(jié)構(gòu)簡單, 操作方便; 結(jié)構(gòu)合理,維修方便。
2.1.3價格便宜, 對精度要求低; 本身存在轉(zhuǎn)差(3%左右) , 負載不能達到電機額定轉(zhuǎn)速, 屬于有附加轉(zhuǎn)差調(diào)速裝置; 故障率低, 運行時需加專用的密封冷卻系統(tǒng); 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(diào)速器是將一恒定電壓、頻率的電源在變頻器內(nèi)部經(jīng)整流后變成直流, 再經(jīng)過逆變器轉(zhuǎn)換成頻率與電壓比值一定，電壓、頻率連續(xù)可調(diào)的三相交流電源。高壓變頻器的性能特點如下。
2.2.1調(diào)速范圍寬, 可以實現(xiàn)從零轉(zhuǎn)速到工頻轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)平滑調(diào)節(jié), 使電動機實現(xiàn)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(diào)整是根據(jù)電機在低頻下的壓頻比系數(shù)調(diào)整電壓和頻率的輸出, 在低轉(zhuǎn)速下, 電機不僅發(fā)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(diào)速中轉(zhuǎn)差率小, 損耗不增加, 能保持較高的功率因數(shù), 變頻器效率達95% 以上, 對電機產(chǎn)生諧波污染較小, 噪聲低, 轉(zhuǎn)矩脈動很低, 不會導(dǎo)致電機等機械設(shè)備的共振, 同時也減少了傳動機構(gòu)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(fā)電廠中小功率給水泵電機調(diào)速方面已有應(yīng)用, 但在大功率給水泵電機調(diào)速方面尚缺乏足夠的應(yīng)用經(jīng)驗。
2.2.5對供電質(zhì)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(fù)后不能馬上重新啟動變頻器, 影響設(shè)備繼續(xù)正常運轉(zhuǎn)。
3.兩種調(diào)節(jié)方式的經(jīng)濟性比較
現(xiàn)以330MW 機組給水泵組為例對變頻與液力耦合器兩種調(diào)速方式進行比較。該機組給水泵原設(shè)計為3×70% 額定容量電動給水泵組,配液力耦合器調(diào)速。隨著變頻調(diào)速技術(shù)的日漸成熟,針對變頻調(diào)速效率較高的特點, 對1 臺電動給水泵配置高壓變頻器調(diào)速方式與1 臺電動給水泵配置液力耦合器調(diào)速方式進行綜合技術(shù)經(jīng)濟性比較。
3. 1經(jīng)濟性比較考慮的因素
在進行經(jīng)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(zhì); 電廠發(fā)電成本; 電廠建設(shè)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(shè)施) 等費用。
3. 2經(jīng)濟性比較的方法和取值
經(jīng)濟性比較采用原電力工業(yè)部1982 年2 月頒布的《電力工程經(jīng)濟分析暫行條例》(以下簡稱《條例》) 中規(guī)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(jīng)濟使用年限, 按《條例》取20 年; Z 為折算到投產(chǎn)年份的設(shè)備總價格;U 為折算年運行費。
3. 3設(shè)備總價格
設(shè)備總價格包括: 設(shè)備費(前置泵和給水泵本體、配套設(shè)備和電動機)、設(shè)備運雜費、設(shè)備安裝和施工管理費等。對兩種調(diào)節(jié)方式費用差別不大的項目予以忽略。耦合器調(diào)速設(shè)備總費用為300 萬元(公眾號:泵管家), 變頻調(diào)速設(shè)備總費用為650 萬元,采用液力耦合器調(diào)節(jié)方式的電動給水泵組設(shè)備總價格比采用變頻調(diào)節(jié)方式的電動給水泵組設(shè)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(jù)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(fā)電設(shè)備運行7 098 h 計算。液力耦合器調(diào)節(jié)方式年總計耗電量26. 17×106 kW ?h, 年費用610. 92 萬元。變頻調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)方式的比采用液力耦合器調(diào)節(jié)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(shè)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(guī)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(chǎn)液力耦合器的主要部件(包括泵輪、渦輪、主驅(qū)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(zhuǎn)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(diào)節(jié)方式, 都應(yīng)在電廠服役期內(nèi)考慮上述因素。
4結(jié)論
經(jīng)過綜合技術(shù)經(jīng)濟比較, 電動給水泵如采用高壓變頻器調(diào)節(jié)方式比采用液力耦合器調(diào)節(jié)方式, 用電量少, 年費用低。變頻調(diào)速是當代最先進、最高效的調(diào)速技術(shù)。低壓變頻器在火電廠已得到了廣泛應(yīng)用，在實現(xiàn)自動控制和節(jié)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(fēng)機、排粉機、灰渣泵、循環(huán)水泵、汽機凝結(jié)水泵、母管制給水泵等技術(shù)改造、新建、擴建機組中，已經(jīng)和正在廣泛得到應(yīng)用。高壓變頻器在電廠的應(yīng)用，已經(jīng)和正在得到人們的普遍重視。330MW 機組建議采用高壓變頻調(diào)節(jié)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(diào)速方面仍有技術(shù)欠缺, 而鍋爐給水泵是火力發(fā)電廠最重要的輔機之一, 其運行的正常與否直接關(guān)系到整個電廠能否安全穩(wěn)定運行, 因而在選擇其調(diào)速方式時還要根據(jù)實際情況。