Abstract: With the upgrading of coal units integrated into the "deep water", power plants and pump in a lot of fans have been the case of frequency control to achieve significant energy-saving and energy-saving effect, the "knife" is known thermal power "heart" of the hydraulic coupling speed of MDBFP already imperative. To energy-saving pump system is a matter of wide, technical difficulty, reliability, and control and protection requirements of high systematic project. The key is to come up with the highest reliability, alter the minimum investment at least, the best energy-saving effect of the transformation of scientific and rational scheme.
關鍵詞：火力發電廠 鍋爐給水泵 液力耦合器 前置泵 高壓變頻器
Key words:Power Plant Boiler feed pumps Hydraulic coupling Pre-pump High-voltage inverter
【中圖分類號】TM621 【文獻標識碼】B 文章編號1561-0330（2015）12-0000-00
1引言
在火力發電廠中，風機和水泵也是最主要的耗電輔機設備，且容量大、耗電多。加上
由于電動給水泵的改造不僅僅是變頻改造而已，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，就給液力耦合器和前置泵的改造增加了難度，同時必須另找地方建造變頻器房。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動態響應招標特別高的給水泵專用高壓變頻器；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。所以給水泵系統節能改造的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。
2電動給水泵節能改造存在的問題
2.1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和動態響應快的專用高壓變頻器；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。
2.2 給水泵系統改造涉及面廣，工程量大；
（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，但是由于給水泵系統設備安裝位置緊湊，必須在較遠的地方建變頻器房，還要配備通風冷卻設備，也增加了動力電纜和信號電纜的成本。
2.3節能效果并不理想（若保留液力耦合器）
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。尤其是鍋爐給水泵系統的靜揚程（汽包壓力）占到額定揚程的60～80%，當流量減少到50%時，轉速只能降低15～20%%，軸功率只減少35%～40%左右，而遠遠達不到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。
3前置泵改造方案分析
由于給水泵入口水溫較高，使得給水近似飽和水，為了保證給水泵不發生汽蝕，一般高壓給水泵都要設置低速前置泵。給水先通過前置泵升壓后再進入主給水泵。這樣就使主給水泵入口的壓力大于給水溫度所對應的汽化壓力與給水泵必須汽蝕余量之和，還要留有一定的壓力余量，才能避免主給水泵的汽蝕。前置泵是在給水泵電動機直接驅動下定速運行的。給水 泵 電 動 機 變 頻 調 速 改 造 后 ，前 置 泵 如 何 運 行，是 變頻改造必須要解決的問題。
3.1前置泵定速運行方案：
就是將前置泵與主給水泵電動機脫開，配備獨立的電動機驅動定速運行。實現這一方案需要設計院設計前置泵電動機基礎，配備一臺高壓電動機、一面高壓開關柜、相應的電力電纜及控制電纜，這一方案造價較高，現場條件亦不許可，故難于實現。（如果供電容量允許，也可以采用低壓電動機拖動。）
3.2更換前置泵變速運行方案：
更換一臺揚程大一檔的前置泵調速運行，將原配備的前置泵拆除，安裝和改造工程量較大，更換后軸功率增加很多，會使能耗增加。（經綜合技術經濟比較，亦不可取。）
3.3 不用前置泵，給水泵增加誘導輪變速運行方案：
原前置泵不用，改造給水泵：在給水泵一級葉輪前增加一級誘導輪。給水泵芯包需要返廠改造，改造時間需要三個月，工期長費用高且改造后軸功率增加較多，影響運行的經濟性，所以也不可取。
3.4前置泵直接變速運行方案：
前置泵不作任何改造，隨主給水泵調速運行，改造工作量最小，但是必須保證改造后在機組任何運行工況下給水泵都不會發生汽蝕。這就需要在改造前根據設備和機組運行參數，進行詳細的技術核算，只有在確保給水泵在任何運行工況下都不會發生汽蝕的情況下才能讓前置泵直接隨主泵調速運行。
經過對大量機組的給水前置泵的技術分析后確定：對于大多數機組來說，前置泵隨主泵調速運行是可行的，無論是機組正常變負荷運行還是突然甩負荷工況下都不會使給水泵發生汽蝕現象。前置泵到底改與不改，完全取決于前置泵揚程的大小。具體來說，對于200MW機組，前置泵揚程在75～80m以上的就可以不改，對于300～350MW機組，前置泵揚程在95～100m以上的就可以不改，對于600～660MW 機組，前置泵揚程在130～140m以上的就可以不改，而隨主泵調速運行。經調查統計絕大部分電廠的前置泵是滿足上述揚程要求而可以不改的，只有少數機組的前置泵由于所選揚程太低而必須進行定速電動機拖動改造。例如寧夏馬蓮臺電廠330MW機組的前置泵揚程只有46m，內蒙烏拉特電廠330MW機組的前置泵揚程也只有47.5m，還不到設計要求的一半，所以必須進行定速電動機拖動改造。相反也有個別的機組其前置泵的揚程特別高，例如河北保定熱電廠200MW機組的前置泵揚程竟高達174m，有的給水泵則本身已經帶有誘導輪。對于那些不經過改造就可以隨主泵調速運行的前置泵，又何必多此一舉的進行定速驅動改造呢？要知道前置泵定速驅動改造需要增加一臺高壓（或低壓）電動機，一面電氣控制柜；另外基礎和水路系統也要進行改造，不但增加改造投入，而且工作量巨大，改造周期長，有的電廠還會受到現場安裝空間的限制。所以前置泵一律進行定速電動機拖動改造方案不符合發電廠節能改造的原則。對于發電廠以節能為目的的技術改造必須符合以下三個原則：
（1）必須堅持安全可靠的原則；
（2）必須堅持低投入高產出取得最佳經濟效益的原則；
（3）必須堅持現場適宜和改動最小的原則。
4 液力耦合器改造方案分析
液力耦合器是一種液力傳動裝置，又稱液力聯軸器。液力耦合器其結構主要由殼體、泵輪、渦輪三個部分組成。由于鍋爐給水泵的揚程高，所以轉速高（5500～6000r/min），用于給水泵調速的液力耦合器的內部帶有增速齒輪箱，接近6000 r/min，再通過液耦降速。
液力耦合器在實際工作中的情形是：電動機帶動主動齒輪旋轉，從動齒輪驅動泵輪旋轉，泵輪帶動液壓油進行旋轉，渦輪即受到力矩的作用，在液壓油量較小時，當其力矩不足于克服負載的起步阻力矩，所以渦輪還不會隨泵輪的轉動而轉動，增加液壓油，作用在渦輪上的力矩隨之增大，作用在渦輪上的力矩足以克服負載起步阻力而起步，其液壓油傳遞的力矩與負載力矩相等時，轉速隨之穩定。負載的的力矩和轉速成平方比，當隨著液壓油量的增加，輸出力矩加大，渦輪的轉速隨之加大，達到調節轉速的目的。
液力耦合器的泵輪不能調速運行是一個認識誤區，大量的液力耦合器驅動的設備進行變頻改造的實踐已經有力地證明液力耦合器的泵輪是可以調速運行的。只是存在下面兩個問題需要解決：
4.1 液力耦合器的主油泵是由電動機的軸直接驅動的，當電動機調速運行后，會出現油壓不夠的問題，會使液力耦合器不能正常工作。可以將主油泵改為由定速電動機驅動來解決液力耦合器工作油壓穩定的問題。
4.2如果保留液力耦合器，由于液力耦合器的容積損耗和摩擦損耗約占額定傳送功率的3～4%，另外由于液力耦合器的最高轉速只有96～97%額定轉速，所以存在額定傳送功率3～4%的丟轉損耗，加起來會減少6～8%的節電率。所以在進行變頻改造時一般都去掉液力耦合器以提高節電率；但是對于給水泵系統又必須保留齒輪箱，給改造增加了難度和工作量。
電動給水泵進行變頻改造的關鍵是如何改造液力耦合器，以滿足電動機調速運行時，輸出軸能夠按增速齒輪箱功率輸出。其改造方案有三種：
方案一是將液力耦合器更換成增速齒輪箱，就是購買一臺增速齒輪箱，其造價高，工期長，同時需要改造給水泵基礎等，改造工作量大，改造周期長。改造后只適合由變頻器拖動運行，不適合作為工頻泵備用，因為大功率給水泵工頻起動是個問題。
方案二是將液力耦合器改造成增速齒輪箱，不需要改造給水系統基礎，在液力耦合器內部將泵輪和渦輪實現直聯，就像液體調速離合器（噢密嘎離合器）一樣，可以實現主動輪和從動輪直聯。改造最好是具有可恢復性的。但是必須要由液力耦合器廠家進行改造，改造工作量大，改造周期長，且屬非標產品，運行穩定性還有待考驗。
方案三是通過對液力耦合器進行改造，將液力耦合器改造成多功能液力耦合器。所謂多功能液力耦合器就是在保留液力耦合器調速功能的基礎上增加液力耦合器的增速齒輪箱輸出功能。實現這一改造后，液力耦合器具備了兩種功能，一是工頻運行時的液力耦合器的調速功能（這是原來就有的）；二是變頻運行時（將勺管固定在最大轉速位置）的增速齒輪箱輸出功能（這是改造后新增的）。兩種功能可以通過勺管進行切換。但這是以減少6～8%的節電率為代價的，而這對于給水泵改造來說又是彌足珍貴的。因為除了調速效率的損耗之外，液力耦合器還有兩項固有的損耗：
（1）首先液力耦合器具有約3～4% 的丟轉率，這不僅意味著其最高轉速達不到電動機的額定轉速，同時也意味著傳送功率的損耗，而液力耦合器的傳動效率等于轉速比，所以丟轉損耗還意味著占傳送功率3～4% 的功率損耗。
（2）除了丟轉損耗外，液力耦合器的冷卻水系統和油泵系統等輔助設備以及液力耦合器的機械損耗和容積損耗等也要消耗一定的功率，約占傳送功率3～4%，這兩部分損耗加起來就要占到傳送功率的6～8%。
液力耦合器改造方案一和方案二都是高效的改造方案，區別在于方案二是不可恢復的，而方案一可以做成可恢復的。當變頻器因為重故障須退出運行時，方案一可以恢復液力耦合器功能，作為工頻備用泵使用；而方案一當電動機切換至工頻時將很難起動。方案三在切換時最為方便，但這是以減少6～8%的節電率為代價的，而這對于給水泵改造來說又是彌足珍貴的。所以是一種低效的改造方案，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液力耦合器加上變頻器總共10～12%左右的功率損耗。由以上的分析可以看出：液力耦合器調速電動給水泵的節能改造在拆除和保留液耦的問題上將面臨“魚與熊掌不可兼得” 的艱難選擇。要視各發電廠的具體情況而定。
5結束語
隨著我國火電機組綜合節能改造的逐步深入，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，低投入，高回報的項目已經越來越少，因此：號稱火電機組“心臟”的液力耦合器調速的電動給水泵系統的節能改造，引（風機）增（壓風機）合一的大風機變頻調速改造，以及號稱是除了調速風機之外最節能風機的動葉可調的軸流式風機的調速改造已經成為今天發電廠節能改造的主戰場。盡管都面臨著改造投資和節能效益之間的嚴峻考量，但是在今天降低廠用電率的強烈需求下也勢在必行了。
對于液力耦合器調速的電動給水泵系統的節能改造，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。具體機組的給水泵系統節能改造應根據設備（前置泵、液力耦合器、主給水泵及電動機）的銘牌參數和運行參數，以及給水泵的配置情況進行節能計算，選擇既經濟又可靠的方案進行改造；并且一定要選用可靠性高和滿足給水泵調速、保護和備用泵快速起動要求的高壓變頻器產品，以保證改造后給水系統的運行可靠性和快速響應能力。
由以上分析可見，對于前置泵，大多數額定揚程高的泵以及給水泵帶誘導輪的可以不用改造，讓其隨主泵調速運行即可，但要根據設備參數和運行參數經過嚴格的防汽蝕校驗。只有少數額定揚程特別低的前置泵才需要進行定速電動機拖動改造。給水泵雙泵并列調速運行時，一定要根據具體系統的“搶水”程度，嚴格核算其降速范圍，并留有一定的裕量，必須避免汽蝕的發生。建議在低負荷時（≦65%額定負荷）單泵運行，以徹底避免汽蝕的發生。
液力耦合器的改造方案，最好是采用將液耦改造成增速齒輪箱輸出，或者是更換成增速齒輪箱，盡量不要保留液力耦合器調速功能，因為保留液力耦合器的話就會增加占傳送功率6～8%的功率損耗，使得本來就不十分樂觀的節能效益顯得更加捉襟見肘了。所以保留液力耦合器的方案是一種低效的不徹底的改造方案，尤其是當機組處于高負荷運行或低負荷單泵運行時可能還會出現“不但不節能還反而費能”的情況，因為有限的降速所節省的電功率將不足以抵消液力耦合器加上變頻器總共約占傳送功率10～12%左右的功率損耗，結果是反而比工頻運行時還要費能。
火電廠液力耦合器驅動的電動給水泵節能改造，應當區別對待，不能一概而論：應該改造的就一定要改造，而且要改造到位，如液力耦合器，除了保留（或者更換）增速齒輪箱，一定不能保留其調速功能，因為這將使得本來就是“骨頭上剔肉”的節能改造工程顯得更加“捉襟見肘”了。而不一定需要改造的就不要多此一舉的進行改造了，如前置泵，大部分是可以隨主泵調速運行的。另外因為改造不僅費工費時，增加設備投資，還要增加運行成本；有的工程甚至還受到現場空間的限制，對于這樣的工程就更沒有必要“非改不可”了。
目前行業內有的企業在改了幾臺給水泵以后就申請了專利，企圖束縛住別人的手腳，這不簡直無異于“圈地”麼！而其保護的所謂“專利技術”，只不過是低效的不徹底的改造方案，要么就是多此一舉的改造方案而已，其實都不是可以“獨霸天下”的所謂“專利技術”。真正的技術應該是實事求是地根據各個發電廠具體的設備和運行工況作出的“恰到好處”的，符合火電廠節能改造“可靠性、經濟性、現場適宜和改動最小”原則的改造方案。發電廠電動給水泵節能改造的滾滾洪流絕不是那家的一家之言可以左右的。
作者簡介:
徐甫榮 男（19461-）1970年畢業于西安交通大學電機工程系發電廠電力網及電力系統專業，國家電力公司西安熱工研究院退休教授級高工。退休后先后在深圳微能科技公司，廣東中山明陽公司，深圳科陸變頻器公司任高級技術顧問、工程技術總監，北京國電四維節能技術公司任總工程師等職務。在國內外各類刊物上發表論文近百篇，著有《高壓變頻調速技術應用實踐》和《高壓變頻調速技術工程實踐》兩書。
參考文獻:
[1]徐甫榮.高壓變頻調速技術應用實踐.中國電力出版社.北京 2007(2).
[2]徐甫榮.高壓變頻調速技術工程實踐.中國電力出版社.北京 2012(1).
[3]徐甫榮.發電廠鍋爐給水泵變頻調速節能方案分析.變頻器世界.2014年第4-5期.
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