發(fā)電廠給水泵變頻調速解析

1、液偶調速電動給水泵節(jié)能改造方案解析之行星齒輪變矩調速器（VORECON）與變頻器（VFD）誰更合適？廣州智光節(jié)能有限公司電廠節(jié)能技術研究所自上世紀八十年代以來，國內100MW以上火力發(fā)電燃煤機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液力偶合器調速給水泵系統(tǒng)示意圖圖2液力偶合器示意圖自除舗黑左鍋爐T輔助油泵潤滑汕泵工柞油泵增迷齒輪液力偶合器結構圖©VOITH2JR&-醫(yī)鴦油泵3主湎君油柬4 :用灣油冷漁為5 雙I9SSS6 ;®?*SE力監(jiān)總儀表7外邛湎滑沽8內足齒噸及

2、軸承浪肴9工件濁朿10工件濁疸機復11可黑節(jié)勺管12電潦茨行著（VEHS13工件油冷油誥F慈T沁S油墾一、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%轉速范圍內的無級調速相比在給水泵出口安裝調節(jié)閥利用節(jié)流方式控制給水流量具有節(jié)能30的效果，但隨著科學技術的進步，更新型更加節(jié)能調節(jié)設備的出現(xiàn)，突顯了電動給水泵液力偶合器調速的節(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，伴隨調速過程而產生滑差熱損耗，以300MW等級機組為例，每臺液力偶合器的工作油損耗熱量在2000000kJ左右，折合功率損耗不少于250kW，臺機組要運行兩臺液力偶合器，一年損耗的電量超過300萬度。

3、2) 給水泵電動機由于長期偏離最佳運行經濟點而產生能量損耗。按國內火電機組設計規(guī)范，給水泵的設計點工況基本上是機組ECR工況的1.2倍，給水泵電動機的額定容量則根據(jù)給水泵設計點工況軸功率來確定，這決定了給水泵電動機的額定容量比機組ECR工況高出了20。另一方面，因各機組供電負荷的不同，機組的年平均負荷可能在65%ECR90%ECR之間，給水泵電動機經常在遠離額定負荷的工況下運行，而電動機運行額定負荷下才有最高的效率。3) 調節(jié)方式存在能量損耗。液力偶合器的調速方式為液力滑差間接調速，給水泵轉速的變化不是由給水泵電動機直接產生，所以，泵與風機相似性原理的第三條“功率和轉速的三次方成正比”對給水泵

4、電動機的高效運行并不適用，在液力偶合器調速的方式下，給水泵電動機始終在恒速運轉，損耗了一定的功率。二、選擇合適的設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，就要選擇合適的設備，對電動給水泵驅動和調節(jié)而言，“合適設備”的衡量標準無非是具備高效的能量傳遞，高品質的轉速調節(jié)，高性價比的投資費用。本文主要對兩種設備展開分析和討論。一種是變頻器(VFD),已經在國內大量應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速器一ORECON，宣傳謂之“節(jié)能之星。VORECON還沒

5、有很確切的中文名稱，本文依據(jù)VORECON的結構原理和功能，暫且取名為“行星齒輪液力變矩調速器”似乎更貼切。三、VORECON是什么？簡而言之，VORECON是一款“液壓偶合變矩、行星齒輪傳動”的調速裝置，見圖5。主要由行星變速齒輪液力變矩器有機組合而成，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始用于1985年，算來也有三十年的歷史了，而立之年的產品已經相對成熟，那在電廠中為什么一直沒有得到廣泛的應用呢？從下面的分析中不知能否看出些許端倪。VORECONtgg=e

6、石出趣PViSTE1JSKMa44兀忡邊質乜晅于匕?ZfFttA4工怦會電3tf遽*G:iKT£-aiB速行星雌Plan購Cani«rMolorectigPlane!Outpulshaft5TVORECONIjI皿V0REC0NRi£JJj4-1T.圖5行星齒輪液力變矩調速器原理示意圖sHEiCi蘋誡in1. 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的行星齒輪與眾

7、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，齒圈由電動機帶動定速旋轉，通過行星齒輪自轉傳導動力驅動太陽輪，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，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，VOREKON的行星齒輪同時接受給水泵電動機（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，力矩為負則太陽輪減速，力矩平衡時太陽輪輸出基礎轉速。如此，實現(xiàn)了行星齒輪液力變矩器對給水泵的動力傳輸和轉速調節(jié)。2. 液力變矩器，它與液力偶合器同為液力

8、偶合部件，都有泵輪、渦輪和工作油，也都存在著滑差，泵輪的轉速與電動機同步，渦輪的轉速是變化的。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葉片，從泵輪獲得能量的工作油在變矩器中要先經過可調葉片后再噴射到渦輪上傳遞力矩，這樣能夠通過可調葉片改變渦輪的轉動力矩和方向，渦輪連接著行星齒輪架，也就調節(jié)了行星齒輪架的矢量力矩。3. 相比液力偶合器VORECON的節(jié)能效果根據(jù)VOITH公司的介紹，目前應用在給水泵上的VORECON，通過齒圈傳遞了75%的功率，25%的功率經液力變矩器傳送。單從這點上看,VORECON相比液力偶合器肯定要節(jié)能。VORECON傳邊功率療卯VORECON'

9、;節(jié)能VORECON與液力偶合器效率對比實際值（100萬千瓦機組，3<33%MCR）表1TMCR工THA工75%THA工項目名稱單位設計點工況況況況主給水泵軸功率Kw1325611999105208488主給水泵轉速.rpm5475532351464683輸出轉速比%10097.294.085.5VORECON效率95.0094.1093.7491.46普通液偶效率.93.1789.7985.9577.14效率差1.834.327.7914.324. VORECON與液力偶合器調速性能對比傳遞能量無疑是液力偶合器和VORECON的重要功能，但是，調節(jié)給水泵轉速則是液力偶合器和VORECO

10、N不可或缺的。與液力偶合器相比VORECON的調速能力又怎樣呢？也是根據(jù)VOITH公司的公開資料，VORECON的調速范圍是55%100%,而液力偶合器的調速范圍是20%100%。假定給水泵的最高轉速是6000rpm，液力偶合器可以從1200rpm起步，而VORECON啟動就是3300rpm。這就意味著，以目前國內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.vorecon幾乎無法應用。道理很簡單，為了保護給水泵，在給水泵出口設計有再循環(huán)管道和閥門，發(fā)電廠稱再循環(huán)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，對應的給水泵轉速在2500

11、rpm左右，VORECON起步就是3300rpm，顯然是太高了。影響最大的還是在機組低負荷運行時，比如液偶調速電動給水泵能在15%ECR工況下正常運行，而VORECON大概在低于40%ECR工況下就失去了給水流量的調節(jié)能力。當然，VOITH生產的VORECON有各種型號，其中也有寬調節(jié)范圍的，由液力偶合器液力變矩器行星齒輪離合器復合組成，相當于一臺完整的液力偶合器串聯(lián)一臺VOREKONo不過，能否選用這種寬范圍調節(jié)的VORECON，決定因素不是技術，而是你口袋里的錢夠不夠。5. 選擇VORECON的花費我們還是根據(jù)目前VOITH公司提供給國內用戶的VORECON繼續(xù)進行分析。不可回避的是如果采

12、用VORECON用于鍋爐給水泵節(jié)能改造，需要多少錢？比如300MW機組，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的設備價格，還有因采用VORECON而產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.2E)毫米不等，所以，目前給水泵組的電動機+前置泵和給水泵不在一條軸線上。而VOREKON輸入/輸出軸同心，在一條軸線上，而且，VOREKON的長度與給

13、水泵電動機差不多，寬度要比液偶寬許多，其垂直投影比給水泵電動機的面積還要大，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動大手術進行處理，給水泵組的基礎屬重載基礎，內里密布鋼筋，深度一般在57米，這筆開銷需要仔細核算，鋼筋混凝土基礎拆舊建新的工期也應慎重安排，機組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(前置泵)的基礎，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，廠家稱VORECON的檢修周期為8年，我們也相信VORECON的“德國品質?！钡唐方洕?，壟斷性設備的商品價格就比廣泛應用的設備價格要高很多，液偶用量已不算大，

14、VORECON比液力偶合器更為稀少，結構比液力偶合器也復雜得多，設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的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的發(fā)展，近年來，高壓變頻器技術已經成熟，主要優(yōu)點有：a) 速度控制范圍寬，1%100%b) 調節(jié)精度高，±0.5%c) 整機效率97%，功率因數(shù)不低于0.95。2. 液偶調速電動機給水泵變頻改造方案廣州智光節(jié)能公司設計的液偶調速電動機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，本文所強調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

15、輪和渦輪，用新設計的齒型聯(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速存在的第一項損耗。2) 為給水泵電動機增配高壓變頻器，給水泵轉速由液力偶合器調節(jié)改為電動機變頻調節(jié)。能有效地抬升給水泵電動機的運行效率，消除了液偶調速存在的第二項損耗。3) 取消液力偶合器并把液偶改成機械直連的增速箱以及給水泵電動機增配變頻器直接調速，這兩項技術改進措施把原來的液偶間接調速存在的第三項損耗也消除了。OS電材機£爐液偶改增速箱ifiJt學噸置冊汕父4w怖助訕:襄圖3液力偶合器改增速箱給水泵變頻調速方案變頻器圖4液偶調速給水泵組變頻改造總體方案示意圖10kV母線

16、B段10kV母線A段潤滑油泵增速齒輪潤滑油泵增速齒輪自除氧器自除氧器o前置泵液力耦合器前置泵泵機i=沏給電專油泵增速齒輪自除氧器給水泵電動機給水泵電動機變頻器五、VORECON與變頻器應用于液偶調速電動給水泵節(jié)能改造的比較1. 改造項目投資1）變頻器以300MW等級的機組為例，對3臺鍋爐給水泵組中的兩臺進行節(jié)能改造，根據(jù)智光節(jié)能公司已經完成的18臺給水泵（電機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、系統(tǒng)的試驗和調試等）平均造價為1000萬（人

17、民幣，下同）左右。2) VOREKON同比計算，設備采購需要花費2000萬，給水泵組基礎、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?？們r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)，以重新核算的結果為準)。3) 點評變頻器改造方案在投資方面絕對優(yōu)與VOREKON。2. 調速性能1) 變頻器變頻器調速范圍1-100%(完全滿足給水泵轉速變化20%100%的要求)，全程線性調節(jié)。2) VOREKON調速范圍55%100%，不能滿足機組低負荷運行的調節(jié)要求。非線性調節(jié)。3) 點評VORECON與液力偶合器相比，在調速性能方面已經缺少了35%的調節(jié)能力，這種能

18、力的缺失一定會引發(fā)給水系統(tǒng)在工藝上更多的改造，繼續(xù)增加投資費用，同時增加了運行操作的復雜性。變頻器良好的調節(jié)性能提升了鍋爐給水調節(jié)回路的調節(jié)品質。就發(fā)電廠鍋爐給水泵轉速調節(jié)而論，VOREKON與變頻器根本不在一個檔次上，嚴格地講，不是調節(jié)好與不好的品質比較、而是調節(jié)行與不行的性能區(qū)別。VOREKON用于發(fā)電廠鍋爐給水泵轉速調節(jié)太過勉強。3. 長期檢修和維護費用1) 變頻方案變頻器是電力電子設備，只要依照電子設備的標準給VFD提供運行環(huán)境，實踐證明，變頻器的日常維護也只需例行檢查、定期打掃機柜表面灰塵、清潔濾網而已，長期檢修隨機組大修即可。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

19、，質量好的金屬膜電容能達到15年。單元體的壽命都在15年以上。這些電子元器件都是隨機更換的，所以電子元器件的長期檢修費用應該按平攤費用計算，當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的大修，日常維護大概與液偶也差不多，難道日常連工作油、潤滑油的品質也不檢查嗎？肯定不是，只不過VOITH公司的宣傳資料上沒有提罷了。如果VORECON獨枝一秀，就算是8年一次檢修，檢修也要由VOITH公司的技術人員來完成，根據(jù)與國外公司交往的工作經驗，無論人工(高于國內810倍)還是設備備件，費用均屬昂貴。3) 點評高。4.1)

20、以目前的技術發(fā)展水平看，VFD已經大踏步地進入了大路貨的行列，而VOREKON還是陽春白雪，物以稀為貴。如此估算，VFD長期的檢修、維護費用不應該比VOREKON為節(jié)能效果變頻器的節(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號機組全年運行7200小時，可利用小時5400小時，年平均負荷率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號機組全年運行7900小時，可利用小時5950小時，年平均負荷率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。12

21、1+負荷一-節(jié)電率123456馬蓮臺電廠機組年平均負荷/變頻給水泵節(jié)電趨勢£666£QzQ/Q/QzQ/O/80000086421rR-=.<莘E.負荷節(jié)電率六盤山熱電廠機組年平均負荷/變頻給水泵節(jié)電率趨勢14.1袒機迢殆斗貶復ifiJG誡臺亠學機魁溟帝心ML5N竝林18繪班網總看fiiif昔予電平機俎嗣hi楓俎節(jié)電至山西臨汾電廠2號機組給水泵變頻改造節(jié)能曲線浙江臺州電廠8號機組給水泵變頻改造節(jié)能曲線2）VOREKON的節(jié)能效果表2機組負荷（MW）317.5282.7247.5212.5負荷率90.7%80.8%70.7%60.7%給水泵電機功率（kW）液偶調速1004.9835.65982.83861.14VORECON785.25718.86920.94827.85節(jié)能量（kW）219.65116.7961.8933.29節(jié)能率21.86%13.98%6.30%3.