發(fā)電廠給水泵變頻調(diào)速解析

1、9液偶調(diào)速電動給水泵節(jié)能改造方案解析之行星齒輪變矩調(diào)速器（ VORECON與變頻器（VFD）譙更合適?廣州智光節(jié)能有限公司電廠節(jié)能技術(shù)研究所自上世紀(jì)八十年代以來， 國內(nèi)100MW以上火力發(fā)電燃煤機(jī)組的鍋爐如果配置電動給水 泵，基本上都是采用液力偶合器（以下簡稱“液偶” ）作為調(diào)速裝置，給水泵組原理示意圖 見圖1,液力偶合器原理圖見圖 2。圖1液力偶合器調(diào)速給水泵系統(tǒng)示意圖工作*采輛防油采圖2液力偶合器示意圖1、 液力偶合器節(jié)能的空間液力偶合器能實現(xiàn)給水泵 20%100%轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的無級調(diào)速，相比在給水泵出口安裝調(diào)節(jié)閥利用節(jié)流方式控制給水流量具有節(jié)能30 %的效果，但隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，更新型、

2、更加節(jié)能調(diào)節(jié)設(shè)備的出現(xiàn)，突顯了電動給水泵液力偶合器調(diào)速的節(jié)能潛力，主要表現(xiàn)在以下三個方面：,1）根據(jù)液力偶合器的工作原理，伴隨調(diào)速過程而產(chǎn)生滑差熱損耗，以300MW等級機(jī)組為例，每臺液力偶合器的工作油損耗熱量在2000000J左右，折合功率損耗不少于 250kW,一臺機(jī)組要運行兩臺液力偶合器，一年損耗的電量超過300萬度。2）給水泵電動機(jī)由于長期偏離最佳運行經(jīng)濟(jì)點而產(chǎn)生能量損耗。按國內(nèi)火電機(jī)組設(shè)計規(guī)范，給水泵的設(shè)計點工況基本上是機(jī)組ECRX況的1.2倍，給水泵電動機(jī)的額定容量則根據(jù)給水泵設(shè)計點工況軸功率來確定，這決定了給水泵電動機(jī)的額定容量比機(jī)組ECR工況高出了 20%。另一方面，因各機(jī)組供電

3、負(fù)荷的不同， 機(jī)組的年平均負(fù)荷可能在 65% ECR-90%ECR±間，給水泵電動機(jī)經(jīng)常在遠(yuǎn)離額定負(fù)荷的工況下運行，而電動機(jī)運行 額定負(fù)荷下才有最高的效率。3）調(diào)節(jié)方式存在能量損耗。液力偶合器的調(diào)速方式為液力滑差間接調(diào)速，給水泵轉(zhuǎn)速的變化不是由給水泵電動機(jī)直接產(chǎn)生，所以，泵與風(fēng)機(jī)相似性原理的第三條“功率和轉(zhuǎn)速的三次方成正比”對給水泵電動機(jī)的高效運行并不適用，在液力偶合器調(diào)速的方式下，給水泵電動機(jī)始終在恒速運轉(zhuǎn)，損耗了一定的功率。2、 選擇合適的設(shè)備替換液力偶合器如果有針對性的消除以上三方面的損耗，就會節(jié)省給水泵組的能量消耗。那么，就要選擇合適的設(shè)備，對電動給水泵驅(qū)動和調(diào)節(jié)而言，“合適

4、設(shè)備”的衡量標(biāo)準(zhǔn)無非是具備高效的能量傳遞，高品質(zhì)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，高性價比的投資費用。本文主要對兩種設(shè)備展開分析和討論。一種是變頻器(VFD),已經(jīng)在國內(nèi)大量應(yīng)用有一段不短的時間了，但在給水泵節(jié)能改造項目中還算新兵。另外一種是近期由德國福伊特(VOITH)公司在我國推介的所謂新型的液力偶合型調(diào)速器一一VORECON宣傳謂之“節(jié)能之星”。VORECONS沒有很確切的中文名稱，本文依據(jù)VORECON勺結(jié)構(gòu)原理和功能，暫且取名為“行星齒輪液力變矩調(diào)速器”似乎更貼切。3、 VORECON 什么？簡而言之，VORECON一款“液壓偶合變矩、行星齒輪傳動”的調(diào)速裝置，見圖5。主要由行星變速齒輪+液力變矩器有機(jī)組

5、合而成，更直白點說，它的基本部件和原理與小轎車自動檔變速箱大同小異， 但往往細(xì)節(jié)決定了特性，除了把零件放大了號碼，工作方式確有獨到之處。其實，按照 VOITH公司的說法，VORECON臺用于1985年，算來也有三十年的歷 史了，而立之年的產(chǎn)品已經(jīng)相對成熟，那在電廠中為什么一直沒有得到廣泛的應(yīng)用呢？從下面的分析中不知能否看出些許端倪。VORECONi "VORECONf-.uj*圖5行星齒輪液力變矩調(diào)速器原理示意圖1. 全動式行星齒輪先說行星齒輪，基本的行星齒輪包括3個活動部件1) 齒圈2) 行星齒輪架3) 太陽輪普通的行星齒輪工作時要求將其中一個活動部件固定，通過對兩個活動部件和一個

6、固定部件不同的換位組合，能夠完成減速、增速和固定速比傳動等功能。VORECON勺行星齒輪與眾不同之處在于，三個活動部件在傳遞動力過程中都是運動的。行星齒輪組的齒圈、行星齒輪和太陽輪相互嚙合，齒圈由電動機(jī)帶動定速旋轉(zhuǎn)，通過行星齒輪自轉(zhuǎn)傳導(dǎo)動力驅(qū)動太陽輪，太陽輪輸出軸連接給水泵，行星齒輪安裝在行星齒輪架上圍繞太陽輪同步公轉(zhuǎn)，液力變矩器控制行星齒輪架輸出的力矩也作用在行星齒輪上，所以，VOR EKON的行星齒輪同時接受給水泵電動機(jī)（通過齒圈）和變矩器（行星架）的兩股作用力，齒圈力矩與行星架力矩作用在行星齒輪上矢量相加，如果力矩為正太陽輪加速，力矩為負(fù)則太陽輪減速，力矩平衡時太陽輪輸出基礎(chǔ)轉(zhuǎn)速。如此，

7、實現(xiàn)了行星齒輪液力變矩器對給水泵的動力傳輸和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。2 .液力變矩器，它與液力偶合器同為液力偶合部件，都有泵輪、渦輪和工作油，也都存在著滑差，泵輪的轉(zhuǎn)速與電動機(jī)同步， 渦輪的轉(zhuǎn)速是變化的。 不同的是，液力變矩器的泵輪和渦輪中間比液 力偶合器多了一圈可調(diào)葉片，從泵輪獲得能量的工作油在變矩器中要先經(jīng)過可調(diào)葉片后再噴 射到渦輪上傳遞力矩，這樣能夠通過可調(diào)葉片改變渦輪的轉(zhuǎn)動力矩和方向，渦輪連接著行星齒輪架，也就調(diào)節(jié)了行星齒輪架的矢量力矩。3 .相比液力偶合器VORECON勺節(jié)能效果根據(jù)VOITH公司的介紹，目前應(yīng)用在給水泵上的VORECON通過齒圈傳遞了 75%的功率，25%的功率經(jīng)液力變矩器傳送。

8、單從這點上看，VORECON1比液力偶合器肯定要節(jié)能。VORECON優(yōu)7力 原川!VORECON改）比項目名稱單位設(shè)計點工況TMCRE 況THA工況75%THAT 況主給水泵軸功率Kw1325611999105208488主給水泵轉(zhuǎn)速rpm5475532351464683輸出轉(zhuǎn)速比%10097.294.085.5VORECON率95.0094.1093.7491.46普通液偶效率%93.1789.7985.9577.14效率差1.834.327.7914.32VORECON液力偶合器效率對比實際值（100萬千瓦機(jī)組，3X 33%MCR4 . VORECONW液力偶合器調(diào)速性能對比傳遞能量無疑是

9、液力偶合器和 VORECON勺重要功能，但是，調(diào)節(jié)給水泵轉(zhuǎn)速則是液力 偶合器和VORECON可或缺的。與液力偶合器相比，VORECON的調(diào)速能力又怎樣呢？也是 根據(jù)VOITH公司的公開資料，VORECON勺調(diào)速范圍是55%100% ,而液力偶合器的調(diào)速 范圍是20%100%。假定給水泵的最高轉(zhuǎn)速是6000rpm ,液力偶合器可以從 1200 rpm起步，而VORECONB動就是3300 rpm。這就意味著，以目前國內(nèi)在運的給水泵組和系統(tǒng)，給 水泵的最小流量閥和再循環(huán)管道如果不作全面的改動，VORECONL乎無法應(yīng)用。道理很簡單，為了保護(hù)給水泵，在給水泵出口設(shè)計有再循環(huán)管道和閥門，發(fā)電廠稱再循環(huán)

10、閥為“最小 流量閥”，一般給水泵再循環(huán)管道最大容量按給水泵額定流量的25%左右配備，對應(yīng)的給水泵轉(zhuǎn)速在2500 rpm左右，VORECON步就是3300 rpm ,顯然是太高了。 影響最大的還是在 機(jī)組低負(fù)荷運行時，比如液偶調(diào)速電動給水泵能在15%ECRX況下正常運行，而 VORECON大概在低于40% ECRX況下就失去了給水流量的調(diào)節(jié)能力。當(dāng)然，VOITH生產(chǎn)的VORECONW各種型號，其中也有寬調(diào)節(jié)范圍的，由液力偶合器+ 液力變矩器+行星齒輪+離合器復(fù)合組成，相當(dāng)于一臺完整的液力偶合器串聯(lián)一臺 VOREKON不過，能否選用這種寬范圍調(diào)節(jié)的VORECON決定因素不是技術(shù)，而是你口袋里的錢夠

11、不夠。5 . 選擇VORECON的花費我們還是根據(jù)目前 VOITH公司提供給國內(nèi)用戶的 VORECONB續(xù)進(jìn)行分析。不可回避的 是如果采用VORECONR于鍋爐給水泵節(jié)能改造，需要多少錢？比如 300MW機(jī)組，3臺50%MCR的給水泵組，運行方式兩用一備。 據(jù)廣東某電廠的資料， 與5500kW給水泵電動機(jī)匹配 的VORECON每臺1000萬元人民幣，改兩臺就是 2000萬，但這不是最終的項目總價，僅 僅是VOREON的設(shè)備價格，還有因采用 VORECONB產(chǎn)生的附加成本大概有以下幾個方面。第一，因型號不同液力偶合器輸入軸和輸出軸的水平軸心距在400毫米（R16K400M）、512 （R17K.

12、2日毫米不等，所以，目前給水泵組的電動機(jī)+前置泵和給水泵不在一條軸線上。 而VOREKON俞入/輸出軸同心，在一條軸線上，而且，VOREKONB勺長度與給水泵電動機(jī)差不多，寬度要比液偶寬許多， 其垂直投影比給水泵電動機(jī)的面積還要大，比現(xiàn)有的液力偶合器大了至少2倍。如果改造，必須對給水泵組的基礎(chǔ)動大手術(shù)進(jìn)行處理，給水泵組的基礎(chǔ)屬重載基礎(chǔ)，內(nèi)里密布鋼筋，深度一般在57米，這筆開銷需要仔細(xì)核算，鋼筋混凝土基礎(chǔ)拆舊建新的工期也應(yīng)慎重安排，機(jī)組A級檢修工期是否夠用還真不好說。第二，無論處理給水泵還是電動機(jī)（前置泵）的基礎(chǔ)，都涉及到高壓給水管路的改造， 同樣需要大筆費用的。第三，長期的維修費用并不低，廠家

13、稱VORECON勺檢修周期為8年，我們也相信VORECONW “德國品質(zhì)”。但商品經(jīng)濟(jì)中，壟斷性設(shè)備的商品價格就比廣泛應(yīng)用的設(shè)備價格 要高很多，液偶用量已不算大，VORECON：匕液力偶合器更為稀少，結(jié)構(gòu)比液力偶合器也復(fù)雜得多，設(shè)備單價超過液力偶合器的5倍，液力偶合器的檢修周期是 5年，VORECON勺檢修費用還會低過液偶嗎？ 四、 選用變頻器1 .變頻器的特點隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，近年來，高壓變頻器技術(shù)已經(jīng)成熟，主要優(yōu)點有：a）速度控制范圍寬，1%100%b） 調(diào)節(jié)精度高，土 0.5%c） 整機(jī)效率97%功率因數(shù)不低于 0.95。2 .液偶調(diào)速電動機(jī)給水泵變頻改造方案廣州智光節(jié)能公司設(shè)計的

14、液偶調(diào)速電動機(jī)給水泵變頻改造方案見圖3和圖4。1）方案說明有另文詳述，本文所強(qiáng)調(diào)是將液力偶合器改為增速箱具備了節(jié)能的最大公約數(shù)，原因無他，拆除了液力偶合器的泵輪和渦輪，用新設(shè)計的齒型聯(lián)軸器撓性連接小齒 輪軸和輸出軸，拆除液偶工作油系統(tǒng)及其附屬冷油器，這些措施消除了液偶調(diào)速存在的 第一項損耗。2）為給水泵電動機(jī)增配高壓變頻器，給水泵轉(zhuǎn)速由液力偶合器調(diào)節(jié)改為電動機(jī)變頻調(diào)節(jié)。能有效地抬升給水泵電動機(jī)的運行效率，消除了液偶調(diào)速存在的第二項損耗。3）取消液力偶合器并把液偶改成機(jī)械直連的增速箱以及給水泵電動機(jī)增配變頻器直接調(diào)速，這兩項技術(shù)改進(jìn)措施把原來的液偶間接調(diào)速存在的第三項損耗也消除了。ffl選液鴻兇

15、增速箱液力偶合器改增速箱給水泵變頻調(diào)速方案制*整K由品4大靜CMBMA 系圖4液偶調(diào)速給水泵組變頻改造總體方案示意圖五、VORECONW變頻器應(yīng)用于液偶調(diào)速電動給水泵節(jié)能改造的比較1） 改造項目投資1）變頻器以300MW等級的機(jī)組為例，對 3臺鍋爐給水泵組中的兩臺進(jìn)行節(jié)能改造，根據(jù)智光節(jié)能公司已經(jīng)完成的18臺給水泵（電機(jī)5500kW）的決算價，項目（交鑰匙工程，其中包含 了提供2臺變頻器、新建變頻器室、增配變頻器的空水冷裝置、工程安裝、DCS增加測點和組態(tài)、液力偶合器改為增速箱、給水前置泵的改造、增配前置泵電機(jī)、系統(tǒng)的試驗和調(diào)試等） 平均造價為1000萬（人民幣，下同）左右。2） VOREKO

16、N同比計算，設(shè)備采購需要花費 2000萬，給水泵組基礎(chǔ)、高壓給水管道改造費用200萬左右，冷油器、聯(lián)軸器等附件200萬左右。總價不低于2400萬（根據(jù)目前現(xiàn)有的資料估算， 如果有更確切的數(shù)據(jù)，以重新核算的結(jié)果為準(zhǔn)）。3） 點評變頻器改造方案在投資方面絕對優(yōu)與VOREKON2.調(diào)速性能 1）變頻器變頻器調(diào)速范圍1100% （完全滿足給水泵轉(zhuǎn)速變化20%100%的要求），全程線性調(diào)節(jié)。2） VOREKON調(diào)速范圍55%100%,不能滿足機(jī)組低負(fù)荷運行的調(diào)節(jié)要求。非線性調(diào)節(jié)。 3） 點評VORECONW液力偶合器相比，在調(diào)速性能方面已經(jīng)缺少了35%的調(diào)節(jié)能力，這種能力的缺失一定會引發(fā)給水系統(tǒng)在工藝上

17、更多的改造，繼續(xù)增加投資費用，同時增加了運行操作的復(fù)雜性。變頻器良好的調(diào)節(jié)性能提升了鍋爐給水調(diào)節(jié)回路的調(diào)節(jié)品質(zhì)。 就發(fā)電廠鍋爐給水泵轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)而論，VOREKON變頻器根本不在一個檔次上，嚴(yán)格地講，不是調(diào)節(jié)好與不好的品質(zhì)比較、而是調(diào)節(jié)行與不行的性能區(qū)別。VOREKON用于發(fā)電廠鍋爐給水泵轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)太過勉強(qiáng)。 3.長期檢修和維護(hù)費用 1） 變頻方案 變頻器是電力電子設(shè)備，只要依照電子設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)給VFD提供運行環(huán)境，實踐證明，變頻器的日常維護(hù)也只需例行檢查、定期打掃機(jī)柜表面灰塵、清潔濾網(wǎng)而已，長期檢修隨機(jī)組大修即可。變頻器相對薄弱的元件是電容器，一般的電容器工作壽命是 8年，質(zhì)量好的金屬膜電容能達(dá)到1

18、5年。單元體的壽命都在15年以上。這些電子元器件都是隨機(jī)更換的，所以電子元器件的長期檢修費用應(yīng)該按平攤費用計算，當(dāng)前變頻器的價格早已不是10年以前的天價了，幾乎接到地氣了。2） VOREKONVOITH公司資料介紹8年一次大修?？赡苤傅氖钦麢C(jī)的大修，日常維護(hù)大概與液偶也差不多，難道日常連工作油、潤滑油的品質(zhì)也不檢查嗎？肯定不是，只不過VOITH公司的宣傳資料上沒有提罷了。如果 VORECON蟲枝一秀，就算是 8年一次檢修，檢修也要由 VOITH 公司的技術(shù)人員來完成，根據(jù)與國外公司交往的工作經(jīng)驗，無論人工（高于國內(nèi)810倍）還是設(shè)備備件，費用均屬昂貴。 3） 點評 以目前的技術(shù)發(fā)展水平看，VF

19、D已經(jīng)大踏步地進(jìn)入了大路貨的行列，而VOREKON®是陽春白雪，物以稀為貴。如此估算，VFD長期的檢修、維護(hù)費用不應(yīng)該比VOREKON高。4.節(jié)能效果 1）變頻器的節(jié)能效果 以下分別是寧夏馬蓮臺電廠、寧夏六盤山電廠、山西臨汾電廠和浙江臺州電廠給水泵變頻改造的節(jié)能曲線。 a） 馬蓮臺電廠2號機(jī)組全年運行 7200小時，可利用小時5400小時，年平均負(fù)荷率75%, 綜合相對節(jié)電率23%。兩臺給水泵變頻改造后全年節(jié)電超過1378.16萬度，。b） 六盤山熱電廠2號機(jī)組全年運行 7900小時，可利用小時5950小時，年平均負(fù)荷率80%,年平均節(jié)電率26%。兩臺給水泵變頻改造后全年可節(jié)電1795萬度。2） VOREKO N節(jié)能效果表2機(jī)組負(fù)荷（MW317.5282.7247.5212.5負(fù)荷率90.7%80.8%70.7%60.7%給水泵電機(jī)功率（kW液偶調(diào)速1004.9835.65982.83861.14VORECON785.25718.86920.94827.85節(jié)能量（kVV219.65116.7961.8933.29節(jié)能率21.86%13.98%6.30%3.87%表2是VOITH公司VORECON介紹資料中的數(shù)據(jù)， 據(jù)說是廣東沙角 B電廠的對比測試數(shù) 據(jù)，我們姑且認(rèn)為是真實的。表 1中機(jī)組T