第八節 鍋爐給水泵變頻調速節能改造（上）
一、發電廠鍋爐給水系統概述
1. 火電機組給水泵的作用和重要性
在火力發電廠中，給水泵是極其重要的輔機設備。給水泵的作用是將除氧器貯水箱內或凝結水泵直接輸送來的具有一定溫度的水，通過給水泵產生足夠的壓力并經過多級高壓加熱器加熱后送入鍋爐汽包，作為鍋爐的補給水。給水泵系統由前置泵、電動機、液力耦合器、給水泵組成。其工藝流程是：從除氧器水箱出來的三根低壓給水管分別接至給水泵的前置泵，通過前置泵增壓后進入給水泵，再經過高壓加熱器進入鍋爐省煤器、水冷壁、汽包、過熱器等加熱設備，形成過熱蒸汽后輸送至汽輪機側做功，帶動發電機組發電運行。
根據電力生產的特點和鍋爐運行的特殊要求，鍋爐給水泵必須連續不斷地工作。這不僅關系到機組正常發電，而且也直接關系到鍋爐設備本身的安全，因此鍋爐給水泵是發電廠中最為重要的水泵，號稱火電機組的“心臟”，可見其在火電機組安全運行中的重要性。
由于鍋爐給水泵所擔負的責任重大，因此對它提出了如下特殊的要求：
（1）為了適應鍋爐負荷變化的需要，要求在調節改變給水量以后，給水泵的出口壓力變化較小，即給水泵的特性曲線是比較平坦的，穩定的，無駝峰的。
（2）由于鍋爐給水泵輸送的是一定壓力下的飽和水，為了防止給水的汽化。泵的進口應有一定高度的倒灌水頭，使給水泵進口的靜壓力高于進口水溫相應的飽和壓力，但泵進口的必需汽蝕余量要小。
附圖 典型的鍋爐給水泵性能曲線
2. 給水泵變頻改造的必要性
世界上發達國家把火電廠鍋爐給水泵拖動系統作為推廣應用變頻調速節能改造的首選對象之一，其原因是：（1）功率大；（2）節能潛力大。而目前我國火電廠中除大機組采用汽動調速給水泵，電泵加液力耦合器調速外，其它給水泵基本上都采用定速驅動，用出口閥調節流量，存在著嚴重的節流損耗。尤其在機組變負荷運行時，由于給水泵的運行偏離高效點，使運行效率降低，結果是白白地浪費掉大量的電能。一臺國產200MW發電機組的電動給水泵，其電動機功率達5000kW，給水泵的出口壓力與鍋爐汽包壓力之差達8.5MPa，其原因為兩個：（1）鍋爐檢修以后打水壓的需要；（2）為給水調節閥前提供較大的壓力，以提高汽包水位調節系統的反應速度，從而提高水位調節品質的需要。
如此巨大的節流損耗，造成大量的能源浪費。若采用變頻調速驅動，則可用改變電動機轉速的方法來滿足不同的給水量要求，不僅避免了給水調節閥的節流損耗，達到了節能的目的；同時以調速的方式改變給水流量的響應速度遠比改變閥門開度的方式來的快，從而大大改善了鍋爐的給水調節性能。這種方法還降低了給水管道和高壓加熱器所承受的壓力，從而也大大提高了鍋爐給水系統的運行可靠性，和發電機組的運行經濟性。
隨著電力電子技術、計算機和自動控制技術的迅速發展，交流調速取代直流調速和計算機數字控制技術取代模擬控制技術已成為發展趨勢，電動機交流變頻調速技術是當今節電、推動技術進步的一種主要手段。高壓交流變頻調速技術是20世紀90年代以來迅速發展起來的一種新型電氣傳動調速技術，主要用于交流電動機的變頻調速，其技術和性能勝過其它任何一種調速方式（如：變極調速、滑差調速、內反饋串級調速和液力耦合器調速等）。變頻調速以其顯著的節能效益、高的調速精度、寬的調速范圍、完善的電力電子保護功能，以及易于實現的自動通信功能，得到了廣大用戶的認可和市場的確認，在運行的安全可靠、安裝使用方便、維修維護工作量小等方面，也給使用者帶來了極大的便利和經濟效益，已經成為國內外企業電機系統節能的首選方案。
經過近20年來的努力，火力發電廠在工作輔機節能改造方面取得了驕人的業績，已經有相當大部分的風機和水泵完成了變頻調速節能改造工作，目前，我國煤電機組綜合升級改造正在步入“深水區”。發電廠在大量的風機和水泵已經進行了變頻調速節能改造的情況下，“動刀”號稱火電機組“心臟”的液力耦合器調速的電動給水泵已經勢在必行了。由于電動給水泵的改造不僅是變頻改造而已，還包括液力耦合器的改造和前置泵的改造工作；不僅牽涉到電氣系統、機械驅動系統的改造，還要牽涉到高壓水路系統的改造工作，而且給水泵的安裝位置又十分緊湊，必須另找地方安裝變頻器。另外由于發電廠給水系統的重要性，決定了其對設備可靠性的要求極高，必須配備可靠性指標特別高的高壓變頻器；同時對給水系統的控制、連鎖、保護的要求也特別高，還牽涉到DCS系統擴容改造和組態設計改造等問題，涉及面極廣，工作量巨大，因而往往使人望而卻步。所以關鍵是要拿出可靠性最高，改動最小，投資最少，節能效果最好的科學合理的改造方案來。
3 不同容量機組給水泵配置
目前國內外的研究結果一般認為300MW以下機組采用電動給水泵，350MW以上機組采用汽動給水泵的經濟效益比較合理；而對于300～350MW機組，采用電動給水泵方案與采用汽動給水泵方案的經濟性差別不大，所以國內外電廠采用各種配置方案的都有。由于汽動給水泵除了投資大以外，其控制和保護系統復雜，維護工作量也大，因此目前很多600MW和1000MW機組也大量采用電動給水泵方案。具體如附表所示。
附表 采用電動給水泵方案
電動給水泵驅動方式有兩種方案：一種是電動機通過升速齒輪箱驅動定速泵，通過出口調節閥調節流量及壓力；另一種是電動機通過液力耦合器來驅動給水泵，由液力耦合器來改變給水泵的轉速，達到調節出口流量及壓力的目的。
鍋爐給水泵的節能改造效果，不僅與其驅動和調速方式有關，也與其配置方式有關。如采用兩臺100%容量給水泵一用一備的系統，其節電率隨著機組負荷的降低而增大；而采用三臺50%容量給水泵二用一備的系統，由于低負荷時（65%額定負荷以下）單泵運行，其低負荷時的節電率反而不如高負荷時大。
給水泵的容量（給水量）是根據鍋爐的最大連續蒸發量來決定的，而且給水泵的容量必須大于鍋爐的最大連續蒸發量。其容量選擇原則一般為：對于每一個給水系統應有一臺備用泵，給水泵出口的總容量（即最大給水量，不包括備用泵）應為：
對于汽包鍋爐，應為鍋爐最大連續蒸發量的110%；對于直流鍋爐應為鍋爐最大連續蒸發量的105%。還應加上漏出和注入給水泵軸封的流量；對于中間再熱式機組，還應加上供給再熱蒸汽調溫用的從泵的中間級抽出的減溫水的流量。
給水泵的臺數選擇一般應遵循以下原則：
對于母管制給水系統，給水泵的臺數應保證其總容量在其中一臺最大的給水泵停用時，其余給水泵能供給該給水泵所連接的系統的全部鍋爐在最大連續蒸發量時所需的給水量，且總臺數不少于2臺。
對于擴大單元制的給水系統，2臺機可合用一臺備用給水泵。對單元制給水系統，給水泵的臺數應不少于2臺，其中一臺為備用。
一般來講，給水泵有以下三種配置方案：
（1）配置3臺50%容量的給水泵，2臺運行，1臺備用；
（2）配置2臺100%容量的給水泵，1臺運行，1臺備用；
（3）配置1臺100%容量的給水泵，1臺50%容量的起動/備用給水泵。
我國火電廠200MW機組一般配備3臺50%容量或2臺100%容量給水泵；300MW機組配備2臺50%容量和一臺30%容量的給水泵，或1臺全容量和一臺半容量給水泵，或3臺50%容量的給水泵。
4 給水泵的驅動控制方式
（1）由定速電動機驅動的定速泵；
（2）由定速電動機驅動，液力耦合器調速的調速泵；
（3）由變頻調速電機驅動的調速泵；
（4）由小汽輪機驅動的調速泵。
一般125MW以下機組配套的鍋爐給水泵采用定速泵，給水泵的最佳工況點設計在額定工況點。然而在火電廠設計時，配置的給水泵已考慮了一定的余量，而且在給水泵后均設有給水調節閥，使定速泵均在偏離最佳效率點工況下運行，這就使給水泵的運行效率低，經濟性差。當機組變負荷運行時，靠設在定速給水泵出口的調節閥的開度來調節流量，由于閥門調節有節流損耗，且隨著負荷的降低，節流損耗愈大，這就更降低了定速給水泵的運行經濟性。
125~200MW機組采用電動調速給水泵（變頻器調速或液力耦合器調速）；300~600MW機組采用汽動調速給水泵。調速泵的經濟性和機組的運行負荷、運行方式有很大的關系，當機組經常在低負荷、滑參數方式下運行時，則調速泵較之定速泵有較大的經濟性。
對于調速給水泵，其運行工況的改變是靠變動泵的轉速，平移泵的揚程一流量特性曲線來實現的，它不需要改變管道的阻力特性，也就是可以不用給水調節閥靠節流來改變給水流量。這是節省能源的有效方法，尤其是在低負荷時，其節能效果尤為顯著。以調速的方式改變給水流量的響應速度要比改變閥門開度來的快，從而改善了鍋爐給水調節性能。這種方法還降低了給水管道和高壓加熱器所承受的壓力，從而提高了給水系統的可靠性。
中、小型熱電廠鍋爐給水多采用母管制給水系統，給水泵多為定速運行，鍋爐汽包水位靠自動給水調節閥調節，屬節流調節，存在節流損耗。運行中的熱電廠，除冬季供暖期熱電負荷較高外，大多數參與調峰，且峰谷差較大，給水量也相應變化較大。母管制給水系統采用給水泵臺數調節法，給水泵隨著負荷的變化頻繁起停，造成給水母管壓力變化較大，負荷越小母管壓力越高，鍋爐自動給水調節閥開度越小，其節流損耗就越大。
若對母管制給水系統的部分給水泵采用變頻調速改造，讓工頻定速泵與變頻調速泵并列運行，共同維持母管壓力恒定，工頻定速泵對應最佳工作點帶固定流量，變頻調速泵對應工作點調節給水流量。工頻定速泵的特性曲線與設定母管壓力的交點即是工頻定速泵的工作點，其對應的流量即是定速泵流量；對應變頻調速泵轉速的特性曲線與設定母管壓力的交點即為變頻調速泵的工作點，其對應的流量即為調速泵的流量。工頻定速泵與變頻調速泵的流量之和即為總的給水流量。調速泵的比例越大，調節越靈敏，母管壓力越穩定。
工頻定速運行的給水系統，母管壓力是隨負荷的變化而變化的，其變動范圍一般為2～3MPa，母管制給水系統進行調速改造的目的，就是在實現給水母管恒壓運行的同時，最大限度地降低給水泵單耗，為此需要確定并列運行給水泵的最佳工作點。工頻定速泵的最佳工作點，就是其額定工況點，在額定工況點工作的定速泵其效率最高；調速泵保持這一壓力運行，進行給水量的調節，工況最佳，單耗最低。值得注意的是一定要做到確保其工作點流量大于調速泵最低流量以避免調速泵的汽蝕。
調速泵不僅自身通過調速而節能，同時由于調速泵穩定了母管壓力，使工頻定速泵工作在最佳工作點，提高了定速泵的效率而節能。母管制給水系統最經濟的工作點，應該是保證安全上水條件下的最低揚程，這樣也同時減少了給水調節閥的節流損耗，這在工頻定速運行方式下是難以做到的。
5 電動給水泵變頻改造存在的問題
5.1 給水泵可靠性要求高
由于發電廠給水系統的重要性，決定了其對設備可靠性的要求極高，必須配備可靠性指標特別高的高壓變頻器；同時對給水系統的控制、連鎖、保護的要求也特別高，還牽涉到DCS系統的擴容改造和組態設計改造，涉及面很廣，工作量巨大，所以往往使人望而卻步。
5.2 給水泵系統改造工程大
（1）由于給水泵系統（包括前置泵和液力耦合器）安裝位置緊湊，其機械傳動系統的改造難度很大；
（2）給水系統回路的改造工作量也很大，且質量要求高（因為給水壓力高）；
（3）電氣系統的改造工作相對來說難度較小，但是由于安裝位置緊湊，必須另找地方建變頻器房。
5.3 節能效果并不理想（若保留液力耦合器就更加捉襟見肘）
水泵系統與風機系統不同的是管路系統都有靜揚程存在，管路性能曲線的靜揚程越高，水泵性能曲線和管路性能曲線的夾角就越小，則變速調節流量時，改變相同流量時的轉速變化就越小，其軸功率的減小值也越小，還有可能引起管路的水擊，因此水泵系統的調速節能效果比風機要差一些。尤其是鍋爐給水泵其靜揚程（汽包壓力）占到額定揚程的80%，當流量減少到50%時，轉速只能降低11%，軸功率只減少20%左右，而非87.5%。
電動給水泵一般都配備液力耦合器調速運行，雖然液力耦合器屬于低效的調速裝置，但是用在風機水泵調速控制時，也有明顯的節能效果；若用變頻器代替液力耦合器調速的話，雖然也有較好的節電率（100%—轉速比），但是節電量卻有限，因此節電的經濟效果并不理想。若是變頻改造時保留液力耦合器的話，則節電率還要下降6～8%左右，當機組處于高負荷運行或低負荷單泵運行時可能會出現不但不節能還反而費能的情況，因為降速所節省的功率將不足以抵消變頻器加上液力耦合器總共10～12%左右的功率損耗。
另外由于給水泵電動機功率太大，因而變頻器的投資也大，再加上發電廠的電價是以上網電價甚至是成本電價計算的，所以回收期長，節能改造的經濟效果并不理想。
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