第八節(jié) 鍋爐給水泵變頻調(diào)速節(jié)能改造（上）

一、發(fā)電廠鍋爐給水系統(tǒng)概述

1. 火電機(jī)組給水泵的作用和重要性

在火力發(fā)電廠中，給水泵是極其重要的輔機(jī)設(shè)備。給水泵的作用是將除氧器貯水箱內(nèi)或凝結(jié)水泵直接輸送來的具有一定溫度的水，通過給水泵產(chǎn)生足夠的壓力并經(jīng)過多級(jí)高壓加熱器加熱后送入鍋爐汽包，作為鍋爐的補(bǔ)給水。給水泵系統(tǒng)由前置泵、電動(dòng)機(jī)、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(jìn)入給水泵，再經(jīng)過高壓加熱器進(jìn)入鍋爐省煤器、水冷壁、汽包、過熱器等加熱設(shè)備，形成過熱蒸汽后輸送至汽輪機(jī)側(cè)做功，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)組發(fā)電運(yùn)行。

根據(jù)電力生產(chǎn)的特點(diǎn)和鍋爐運(yùn)行的特殊要求，鍋爐給水泵必須連續(xù)不斷地工作。這不僅關(guān)系到機(jī)組正常發(fā)電，而且也直接關(guān)系到鍋爐設(shè)備本身的安全，因此鍋爐給水泵是發(fā)電廠中最為重要的水泵，號(hào)稱火電機(jī)組的“心臟”，可見其在火電機(jī)組安全運(yùn)行中的重要性。

由于鍋爐給水泵所擔(dān)負(fù)的責(zé)任重大，因此對(duì)它提出了如下特殊的要求：

（1）為了適應(yīng)鍋爐負(fù)荷變化的需要，要求在調(diào)節(jié)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(wěn)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(jìn)口應(yīng)有一定高度的倒灌水頭，使給水泵進(jìn)口的靜壓力高于進(jìn)口水溫相應(yīng)的飽和壓力，但泵進(jìn)口的必需汽蝕余量要小。

之間，超高壓機(jī)組則更高）。它的結(jié)構(gòu)為多級(jí)離心式水泵。曲型的鍋爐給水泵的揚(yáng)程，流量特性及效率曲線如附圖所示。

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(fā)達(dá)國家把火電廠鍋爐給水泵拖動(dòng)系統(tǒng)作為推廣應(yīng)用變頻調(diào)速節(jié)能改造的首選對(duì)象之一，其原因是：（1）功率大；（2）節(jié)能潛力大。而目前我國火電廠中除大機(jī)組采用汽動(dòng)調(diào)速給水泵，電泵加液力耦合器調(diào)速外，其它給水泵基本上都采用定速驅(qū)動(dòng)，用出口閥調(diào)節(jié)流量，存在著嚴(yán)重的節(jié)流損耗。尤其在機(jī)組變負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，由于給水泵的運(yùn)行偏離高效點(diǎn)，使運(yùn)行效率降低，結(jié)果是白白地浪費(fèi)掉大量的電能。一臺(tái)國產(chǎn)200MW發(fā)電機(jī)組的電動(dòng)給水泵，其電動(dòng)機(jī)功率達(dá)5000kW，給水泵的出口壓力與鍋爐汽包壓力之差達(dá)8.5MPa，其原因?yàn)閮蓚�(gè)：（1）鍋爐檢修以后打水壓的需要；（2）為給水調(diào)節(jié)閥前提供較大的壓力，以提高汽包水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)的反應(yīng)速度，從而提高水位調(diào)節(jié)品質(zhì)的需要。

如此巨大的節(jié)流損耗，造成大量的能源浪費(fèi)。若采用變頻調(diào)速驅(qū)動(dòng)，則可用改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的方法來滿足不同的給水量要求，不僅避免了給水調(diào)節(jié)閥的節(jié)流損耗，達(dá)到了節(jié)能的目的；同時(shí)以調(diào)速的方式改變給水流量的響應(yīng)速度遠(yuǎn)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(diào)節(jié)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(tǒng)的運(yùn)行可靠性，和發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。

隨著電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)和自動(dòng)控制技術(shù)的迅速發(fā)展，交流調(diào)速取代直流調(diào)速和計(jì)算機(jī)數(shù)字控制技術(shù)取代模擬控制技術(shù)已成為發(fā)展趨勢(shì)，電動(dòng)機(jī)交流變頻調(diào)速技術(shù)是當(dāng)今節(jié)電、推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步的一種主要手段。高壓交流變頻調(diào)速技術(shù)是20世紀(jì)90年代以來迅速發(fā)展起來的一種新型電氣傳動(dòng)調(diào)速技術(shù)，主要用于交流電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速，其技術(shù)和性能勝過其它任何一種調(diào)速方式（如：變極調(diào)速、滑差調(diào)速、內(nèi)反饋串級(jí)調(diào)速和液力耦合器調(diào)速等）。變頻調(diào)速以其顯著的節(jié)能效益、高的調(diào)速精度、寬的調(diào)速范圍、完善的電力電子保護(hù)功能，以及易于實(shí)現(xiàn)的自動(dòng)通信功能，得到了廣大用戶的認(rèn)可和市場(chǎng)的確認(rèn)，在運(yùn)行的安全可靠、安裝使用方便、維修維護(hù)工作量小等方面，也給使用者帶來了極大的便利和經(jīng)濟(jì)效益，已經(jīng)成為國內(nèi)外企業(yè)電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能的首選方案。

經(jīng)過近20年來的努力，火力發(fā)電廠在工作輔機(jī)節(jié)能改造方面取得了驕人的業(yè)績(jī)，已經(jīng)有相當(dāng)大部分的風(fēng)機(jī)和水泵完成了變頻調(diào)速節(jié)能改造工作，目前，我國煤電機(jī)組綜合升級(jí)改造正在步入“深水區(qū)”。發(fā)電廠在大量的風(fēng)機(jī)和水泵已經(jīng)進(jìn)行了變頻調(diào)速節(jié)能改造的情況下，“動(dòng)刀”號(hào)稱火電機(jī)組“心臟”的液力耦合器調(diào)速的電動(dòng)給水泵已經(jīng)勢(shì)在必行了。由于電動(dòng)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(tǒng)、機(jī)械驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的改造，還要牽涉到高壓水路系統(tǒng)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(fā)電廠給水系統(tǒng)的重要性，決定了其對(duì)設(shè)備可靠性的要求極高，必須配備可靠性指標(biāo)特別高的高壓變頻器；同時(shí)對(duì)給水系統(tǒng)的控制、連鎖、保護(hù)的要求也特別高，還牽涉到DCS系統(tǒng)擴(kuò)容改造和組態(tài)設(shè)計(jì)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(guān)鍵是要拿出可靠性最高，改動(dòng)最小，投資最少，節(jié)能效果最好的科學(xué)合理的改造方案來。

3 不同容量機(jī)組給水泵配置

目前國內(nèi)外的研究結(jié)果一般認(rèn)為300MW以下機(jī)組采用電動(dòng)給水泵，350MW以上機(jī)組采用汽動(dòng)給水泵的經(jīng)濟(jì)效益比較合理；而對(duì)于300～350MW機(jī)組，采用電動(dòng)給水泵方案與采用汽動(dòng)給水泵方案的經(jīng)濟(jì)性差別不大，所以國內(nèi)外電廠采用各種配置方案的都有。由于汽動(dòng)給水泵除了投資大以外，其控制和保護(hù)系統(tǒng)復(fù)雜，維護(hù)工作量也大，因此目前很多600MW和1000MW機(jī)組也大量采用電動(dòng)給水泵方案。具體如附表所示。

附表 采用電動(dòng)給水泵方案

電動(dòng)給水泵驅(qū)動(dòng)方式有兩種方案：一種是電動(dòng)機(jī)通過升速齒輪箱驅(qū)動(dòng)定速泵，通過出口調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)流量及壓力；另一種是電動(dòng)機(jī)通過液力耦合器來驅(qū)動(dòng)給水泵，由液力耦合器來改變給水泵的轉(zhuǎn)速，達(dá)到調(diào)節(jié)出口流量及壓力的目的。

鍋爐給水泵的節(jié)能改造效果，不僅與其驅(qū)動(dòng)和調(diào)速方式有關(guān)，也與其配置方式有關(guān)。如采用兩臺(tái)100%容量給水泵一用一備的系統(tǒng)，其節(jié)電率隨著機(jī)組負(fù)荷的降低而增大；而采用三臺(tái)50%容量給水泵二用一備的系統(tǒng)，由于低負(fù)荷時(shí)（65%額定負(fù)荷以下）單泵運(yùn)行，其低負(fù)荷時(shí)的節(jié)電率反而不如高負(fù)荷時(shí)大。

給水泵的容量（給水量）是根據(jù)鍋爐的最大連續(xù)蒸發(fā)量來決定的，而且給水泵的容量必須大于鍋爐的最大連續(xù)蒸發(fā)量。其容量選擇原則一般為：對(duì)于每一個(gè)給水系統(tǒng)應(yīng)有一臺(tái)備用泵，給水泵出口的總?cè)萘浚�即最大給水量，不包括備用泵）應(yīng)為：

對(duì)于汽包鍋爐，應(yīng)為鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量的110%；對(duì)于直流鍋爐應(yīng)為鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量的105%。還應(yīng)加上漏出和注入給水泵軸封的流量；對(duì)于中間再熱式機(jī)組，還應(yīng)加上供給再熱蒸汽調(diào)溫用的從泵的中間級(jí)抽出的減溫水的流量。

給水泵的臺(tái)數(shù)選擇一般應(yīng)遵循以下原則：

對(duì)于母管制給水系統(tǒng)，給水泵的臺(tái)數(shù)應(yīng)保證其總?cè)萘吭谄渲幸慌_(tái)最大的給水泵停用時(shí)，其余給水泵能供給該給水泵所連接的系統(tǒng)的全部鍋爐在最大連續(xù)蒸發(fā)量時(shí)所需的給水量，且總臺(tái)數(shù)不少于2臺(tái)。

對(duì)于擴(kuò)大單元制的給水系統(tǒng)，2臺(tái)機(jī)可合用一臺(tái)備用給水泵。對(duì)單元制給水系統(tǒng)，給水泵的臺(tái)數(shù)應(yīng)不少于2臺(tái)，其中一臺(tái)為備用。

一般來講，給水泵有以下三種配置方案：

（1）配置3臺(tái)50%容量的給水泵，2臺(tái)運(yùn)行，1臺(tái)備用；

（2）配置2臺(tái)100%容量的給水泵，1臺(tái)運(yùn)行，1臺(tái)備用；

（3）配置1臺(tái)100%容量的給水泵，1臺(tái)50%容量的起動(dòng)/備用給水泵。

我國火電廠200MW機(jī)組一般配備3臺(tái)50%容量或2臺(tái)100%容量給水泵；300MW機(jī)組配備2臺(tái)50%容量和一臺(tái)30%容量的給水泵，或1臺(tái)全容量和一臺(tái)半容量給水泵，或3臺(tái)50%容量的給水泵。

4 給水泵的驅(qū)動(dòng)控制方式

（1）由定速電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的定速泵；

（2）由定速電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，液力耦合器調(diào)速的調(diào)速泵；

（3）由變頻調(diào)速電機(jī)驅(qū)動(dòng)的調(diào)速泵；

（4）由小汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)的調(diào)速泵。

一般125MW以下機(jī)組配套的鍋爐給水泵采用定速泵，給水泵的最佳工況點(diǎn)設(shè)計(jì)在額定工況點(diǎn)。然而在火電廠設(shè)計(jì)時(shí)，配置的給水泵已考慮了一定的余量，而且在給水泵后均設(shè)有給水調(diào)節(jié)閥，使定速泵均在偏離最佳效率點(diǎn)工況下運(yùn)行，這就使給水泵的運(yùn)行效率低，經(jīng)濟(jì)性差。當(dāng)機(jī)組變負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，靠設(shè)在定速給水泵出口的調(diào)節(jié)閥的開度來調(diào)節(jié)流量，由于閥門調(diào)節(jié)有節(jié)流損耗，且隨著負(fù)荷的降低，節(jié)流損耗愈大，這就更降低了定速給水泵的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。

125~200MW機(jī)組采用電動(dòng)調(diào)速給水泵（變頻器調(diào)速或液力耦合器調(diào)速）；300~600MW機(jī)組采用汽動(dòng)調(diào)速給水泵。調(diào)速泵的經(jīng)濟(jì)性和機(jī)組的運(yùn)行負(fù)荷、運(yùn)行方式有很大的關(guān)系，當(dāng)機(jī)組經(jīng)常在低負(fù)荷、滑參數(shù)方式下運(yùn)行時(shí)，則調(diào)速泵較之定速泵有較大的經(jīng)濟(jì)性。

對(duì)于調(diào)速給水泵，其運(yùn)行工況的改變是靠變動(dòng)泵的轉(zhuǎn)速，平移泵的揚(yáng)程一流量特性曲線來實(shí)現(xiàn)的，它不需要改變管道的阻力特性，也就是可以不用給水調(diào)節(jié)閥靠節(jié)流來改變給水流量。這是節(jié)省能源的有效方法，尤其是在低負(fù)荷時(shí)，其節(jié)能效果尤為顯著。以調(diào)速的方式改變給水流量的響應(yīng)速度要比改變閥門開度來的快，從而改善了鍋爐給水調(diào)節(jié)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(tǒng)的可靠性。

中、小型熱電廠鍋爐給水多采用母管制給水系統(tǒng)，給水泵多為定速運(yùn)行，鍋爐汽包水位靠自動(dòng)給水調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)，屬節(jié)流調(diào)節(jié)，存在節(jié)流損耗。運(yùn)行中的熱電廠，除冬季供暖期熱電負(fù)荷較高外，大多數(shù)參與調(diào)峰，且峰谷差較大，給水量也相應(yīng)變化較大。母管制給水系統(tǒng)采用給水泵臺(tái)數(shù)調(diào)節(jié)法，給水泵隨著負(fù)荷的變化頻繁起停，造成給水母管壓力變化較大，負(fù)荷越小母管壓力越高，鍋爐自動(dòng)給水調(diào)節(jié)閥開度越小，其節(jié)流損耗就越大。

若對(duì)母管制給水系統(tǒng)的部分給水泵采用變頻調(diào)速改造，讓工頻定速泵與變頻調(diào)速泵并列運(yùn)行，共同維持母管壓力恒定，工頻定速泵對(duì)應(yīng)最佳工作點(diǎn)帶固定流量，變頻調(diào)速泵對(duì)應(yīng)工作點(diǎn)調(diào)節(jié)給水流量。工頻定速泵的特性曲線與設(shè)定母管壓力的交點(diǎn)即是工頻定速泵的工作點(diǎn)，其對(duì)應(yīng)的流量即是定速泵流量；對(duì)應(yīng)變頻調(diào)速泵轉(zhuǎn)速的特性曲線與設(shè)定母管壓力的交點(diǎn)即為變頻調(diào)速泵的工作點(diǎn)，其對(duì)應(yīng)的流量即為調(diào)速泵的流量。工頻定速泵與變頻調(diào)速泵的流量之和即為總的給水流量。調(diào)速泵的比例越大，調(diào)節(jié)越靈敏，母管壓力越穩(wěn)定。

工頻定速運(yùn)行的給水系統(tǒng)，母管壓力是隨負(fù)荷的變化而變化的，其變動(dòng)范圍一般為2～3MPa，母管制給水系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)速改造的目的，就是在實(shí)現(xiàn)給水母管恒壓運(yùn)行的同時(shí)，最大限度地降低給水泵單耗，為此需要確定并列運(yùn)行給水泵的最佳工作點(diǎn)。工頻定速泵的最佳工作點(diǎn)，就是其額定工況點(diǎn)，在額定工況點(diǎn)工作的定速泵其效率最高；調(diào)速泵保持這一壓力運(yùn)行，進(jìn)行給水量的調(diào)節(jié)，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(diǎn)流量大于調(diào)速泵最低流量以避免調(diào)速泵的汽蝕。

調(diào)速泵不僅自身通過調(diào)速而節(jié)能，同時(shí)由于調(diào)速泵穩(wěn)定了母管壓力，使工頻定速泵工作在最佳工作點(diǎn)，提高了定速泵的效率而節(jié)能。母管制給水系統(tǒng)最經(jīng)濟(jì)的工作點(diǎn)，應(yīng)該是保證安全上水條件下的最低揚(yáng)程，這樣也同時(shí)減少了給水調(diào)節(jié)閥的節(jié)流損耗，這在工頻定速運(yùn)行方式下是難以做到的。

5 電動(dòng)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(fā)電廠給水系統(tǒng)的重要性，決定了其對(duì)設(shè)備可靠性的要求極高，必須配備可靠性指標(biāo)特別高的高壓變頻器；同時(shí)對(duì)給水系統(tǒng)的控制、連鎖、保護(hù)的要求也特別高，還牽涉到DCS系統(tǒng)的擴(kuò)容改造和組態(tài)設(shè)計(jì)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(tǒng)改造工程大

（1）由于給水泵系統(tǒng)（包括前置泵和液力耦合器）安裝位置緊湊，其機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的改造難度很大；

（2）給水系統(tǒng)回路的改造工作量也很大，且質(zhì)量要求高（因?yàn)榻o水壓力高）；

（3）電氣系統(tǒng)的改造工作相對(duì)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(jié)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(tǒng)與風(fēng)機(jī)系統(tǒng)不同的是管路系統(tǒng)都有靜揚(yáng)程存在，管路性能曲線的靜揚(yáng)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(diào)節(jié)流量時(shí)，改變相同流量時(shí)的轉(zhuǎn)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(tǒng)的調(diào)速節(jié)能效果比風(fēng)機(jī)要差一些。尤其是鍋爐給水泵其靜揚(yáng)程（汽包壓力）占到額定揚(yáng)程的80%，當(dāng)流量減少到50%時(shí)，轉(zhuǎn)速只能降低11%，軸功率只減少20%左右，而非87.5%。

電動(dòng)給水泵一般都配備液力耦合器調(diào)速運(yùn)行，雖然液力耦合器屬于低效的調(diào)速裝置，但是用在風(fēng)機(jī)水泵調(diào)速控制時(shí)，也有明顯的節(jié)能效果；若用變頻器代替液力耦合器調(diào)速的話，雖然也有較好的節(jié)電率（100%—轉(zhuǎn)速比），但是節(jié)電量卻有限，因此節(jié)電的經(jīng)濟(jì)效果并不理想。若是變頻改造時(shí)保留液力耦合器的話，則節(jié)電率還要下降6～8%左右，當(dāng)機(jī)組處于高負(fù)荷運(yùn)行或低負(fù)荷單泵運(yùn)行時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)不但不節(jié)能還反而費(fèi)能的情況，因?yàn)榻邓偎��?jié)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(dòng)機(jī)功率太大，因而變頻器的投資也大，再加上發(fā)電廠的電價(jià)是以上網(wǎng)電價(jià)甚至是成本電價(jià)計(jì)算的，所以回收期長(zhǎng)，節(jié)能改造的經(jīng)濟(jì)效果并不理想。