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 以上機組的泵和風機上已普遍應用調(diào)速設備, 我國在經(jīng)過長時間摸索以后, 也在一些大功率的旋轉(zhuǎn)設備上加裝調(diào)速設備。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)領域廣泛應用。變頻器在過去幾年也取得了不錯的應用效果, 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計, 在工業(yè)領域得到了廣泛的應用。近年來, 高壓變頻器在可靠性等方面進行了較大幅度改善, 也日益應用在多個領域。
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技術成熟, 結構簡單, 操作方便; 結構合理,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, 不會導致電機等機械設備的共振, 同時也減少了傳動機構的磨損, 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)速方面已有應用, 但在大功率給水泵電機調(diào)速方面尚缺乏足夠的應用經(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, 恢復后不能馬上重新啟動變頻器, 影響設備繼續(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)年份的設備總價格;U 為折算年運行費。
3. 3設備總價格
設備總價格包括: 設備費(前置泵和給水泵本體、配套設備和電動機)、設備運雜費、設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)速設備總費用為300 萬元(公眾號:泵管家), 變頻調(diào)速設備總費用為650 萬元,采用液力耦合器調(diào)節(jié)方式的電動給水泵組設備總價格比采用變頻調(diào)節(jié)方式的電動給水泵組設備總價格低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, 都應在電廠服役期內(nèi)考慮上述因素。
4結論
經(jīng)過綜合技術經(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。低壓變頻器在火電廠已得到了廣泛應用，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、引風機、排粉機、灰渣泵、循環(huán)水泵、汽機凝結水泵、母管制給水泵等技術改造、新建、擴建機組中，已經(jīng)和正在廣泛得到應用。高壓變頻器在電廠的應用，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。