張文海，安力群

(1.長春時(shí)代機(jī)電新技術(shù)有限公司，長春市， 130021;2.東北電力設(shè)計(jì)院，長春市， 130021)

0 引言

目前，國內(nèi)運(yùn)行中的200、300、600 MW火電機(jī)組的電動(dòng)給水泵的調(diào)速均采用了增速型液力偶合器，其配套電動(dòng)機(jī)功率范圍為5 500～11 000 kW。在低負(fù)荷率低轉(zhuǎn)速比運(yùn)行工況下，液力偶合器調(diào)速的高耗能缺點(diǎn)比較突出。近年來各發(fā)電企業(yè)，為貫徹落實(shí)國家關(guān)于降低能耗20%的基本國策，都在研究液力偶合器調(diào)速設(shè)備的變頻改造技術(shù)。

如何做到既保持液力偶合器不動(dòng)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速就成了當(dāng)務(wù)之急和科技課題。保留液力偶合器不動(dòng)，實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速的科技關(guān)鍵就是偶合器的泵輪調(diào)速問題。通過對(duì)液力傳動(dòng)理論、液力偶合器工作原理、結(jié)構(gòu)、特性和應(yīng)用的分析研究，本文提出了液力偶合器泵輪調(diào)速法，實(shí)現(xiàn)了液力偶合器變頻調(diào)速的科技創(chuàng)新。

1 液力偶合器的傳統(tǒng)調(diào)速方法

目前國內(nèi)外液力偶合器調(diào)節(jié)方式主要有進(jìn)口調(diào)節(jié)式、出口調(diào)節(jié)式、進(jìn)出口調(diào)節(jié)式3種，均屬于容積調(diào)速。

1.1 容積調(diào)速法

調(diào)速型液力偶合器是人為地改變偶合器工作腔中的充油量，從而改變偶合器的特性。在液力偶合器泵輪轉(zhuǎn)速和負(fù)載特性都不變的條件下，改變偶合器的充液量，也就改變了偶合器的輸入輸出特性，從而達(dá)到調(diào)節(jié)偶合器輸出功率和轉(zhuǎn)速的目的，這就是容積調(diào)速法。

1.2 容積調(diào)速法的弊端

容積調(diào)速法的弊端是傳遞效率等于轉(zhuǎn)速比且隨轉(zhuǎn)速比而變化。其最高效率點(diǎn)為額定工況點(diǎn)，偏離額定工況，效率隨轉(zhuǎn)速比降低而降低。這說明液力偶合器只適應(yīng)高轉(zhuǎn)速比額定工況運(yùn)行;低負(fù)荷率、低轉(zhuǎn)速比時(shí)，效率低、能耗高，這是容積調(diào)速無法解決的弊端。在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量通常選取汽輪機(jī)組最大連續(xù)出力進(jìn)氣量的105%，給水泵的最大流量選取鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量的105%～110%，液力偶合器則按給水泵最大流量和轉(zhuǎn)速配備。這樣一來，即使機(jī)組在額定負(fù)荷運(yùn)行，偶合器運(yùn)行轉(zhuǎn)速已經(jīng)比最大轉(zhuǎn)速值低10%～15%。另外隨著電網(wǎng)的負(fù)荷需要，機(jī)組負(fù)荷隨峰谷變化，此時(shí)液力偶合器經(jīng)常處于效率較低的區(qū)間運(yùn)行。

2 液力偶合器泵輪調(diào)速

2.1 偶合器的通用特性

偶合器的通用特性是指偶合器循環(huán)圓的有效直徑和工作液體一定時(shí)，在不同泵輪轉(zhuǎn)速下，偶合器軸上的力矩與渦輪轉(zhuǎn)速之間的變化關(guān)系。充液率對(duì)偶合器上力矩與渦輪轉(zhuǎn)速有影響，充液率越多，傳遞功率越大;反之，傳遞功率越低。當(dāng)外載荷一定時(shí)，充液率高，則轉(zhuǎn)差率小，輸出轉(zhuǎn)速高;反之，轉(zhuǎn)差率大，輸出轉(zhuǎn)速降低(充液率是需要精確計(jì)算和測(cè)試的)。

2.2 液力偶合器泵輪調(diào)速法

偶合器的通用特性，為偶合器泵輪調(diào)速提供了理論根據(jù)。泵輪調(diào)速法，即同一臺(tái)偶合器工作液體一定的狀態(tài)下，人為地改變偶合器泵輪轉(zhuǎn)速，從而改變偶合器的特性。在偶合器工作油腔內(nèi)工作液體和負(fù)載特性不變的條件下，改變偶合器泵輪轉(zhuǎn)速，意味著改變了偶合器的輸入與輸出特性，從而達(dá)到調(diào)節(jié)偶合器轉(zhuǎn)速的目的，這就是泵輪調(diào)速法。

2.3 液力偶合器泵輪調(diào)速的特點(diǎn)

液力偶合器泵輪調(diào)速的特點(diǎn)是人為保持最佳充液量(將勺管固定在100%位置)，整個(gè)調(diào)速過程中保持偶合器最高效率不變。泵輪調(diào)速法能夠有效解決偶合器容積調(diào)速低轉(zhuǎn)速比運(yùn)行的高耗能問題，可以替代容積調(diào)速，與容積調(diào)速相比可以節(jié)電20%～30%。泵輪調(diào)速是將泵輪由定速運(yùn)行改為變速運(yùn)行，對(duì)變速運(yùn)行的泵輪及其齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了扭矩核算，結(jié)果表明改造后系統(tǒng)是安全可靠的。同一臺(tái)偶合器泵輪調(diào)速(電動(dòng)機(jī)變頻運(yùn)行)和容積調(diào)速(電動(dòng)機(jī)工頻運(yùn)行)可以切換應(yīng)用。這種具有泵輪調(diào)速和容積調(diào)速2種調(diào)速功能的液力偶合器，稱為多功能液力偶合器。多功能液力偶合器的2種調(diào)速功能，可以根據(jù)節(jié)能需要切換應(yīng)用(額定工況時(shí)容積調(diào)速效率高，宜工頻運(yùn)行;轉(zhuǎn)速比低于90%時(shí)泵輪調(diào)速效率高，宜變頻運(yùn)行)。容積調(diào)速方式的液力偶合器和變頻器是相互排斥的;泵輪調(diào)速的液力偶合器和變頻器是相互依存結(jié)合應(yīng)用的，變頻調(diào)速是實(shí)現(xiàn)液力偶合器泵輪調(diào)速的最佳方式。

3 工程應(yīng)用

大唐雙鴨山熱電有限公司，裝有2臺(tái)200 MW汽輪發(fā)電機(jī)組。每臺(tái)機(jī)組設(shè)置2臺(tái)100%額定容量的通過液力偶合器驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)給水泵，一運(yùn)一備。2011年9月，應(yīng)用了變頻調(diào)速型液力偶合器電動(dòng)給水泵專利技術(shù)，將液力偶合器改造成了泵輪調(diào)速(變頻運(yùn)行)和容積調(diào)速(工頻運(yùn)行)的多功能液力耦合器，解決了電動(dòng)給水泵的變頻運(yùn)行和工頻運(yùn)行的切換問題，實(shí)現(xiàn)了變頻調(diào)速型液力偶合器電動(dòng)給水泵的改造。改造后相同負(fù)荷下，給水泵電動(dòng)機(jī)負(fù)荷電流平均下降107 A，77%負(fù)荷率節(jié)電率達(dá)到20.35%。

3.1 泵輪調(diào)速與容積調(diào)速效率比較

泵輪調(diào)速是通過電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速實(shí)現(xiàn)的，泵輪調(diào)速的特點(diǎn)是節(jié)電、調(diào)節(jié)精度高。這是因?yàn)樽冾l器效率在40%負(fù)荷率以上不同轉(zhuǎn)速下均在93%以上，變頻調(diào)速效率與液力偶合器調(diào)速效率比較如圖1所示。

圖1 變頻調(diào)速與液力偶合器調(diào)速效率的比較Fig.1Efficiency comparison between frequency control and hydrodynamic coupling speed regulation

在不同負(fù)荷率下，同一臺(tái)液力偶合器泵輪調(diào)速效率與容積調(diào)速效率比較如表1所示。

從表1可以看出，泵輪調(diào)速效率(100%負(fù)荷率除外)比容積調(diào)速效率高出很多，有著顯著的節(jié)能潛力。用泵輪(變頻)調(diào)速替換容積調(diào)速，可以有效解決液力偶合器低轉(zhuǎn)速比時(shí)效率低、能耗高的問題，能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)能降耗的目標(biāo)。

表1 偶合器泵輪調(diào)速與容積調(diào)速效率比較Tab.1Efficiency comparison between pump wheel speed regulation and volumetric speed control for hydraulic coupling%

3.2 YOT51型液力偶合器的改造

多功能液力偶合器是指同一臺(tái)液力偶合器具有2種調(diào)速功能，既可以使用泵輪調(diào)速(變頻調(diào)速)，也可以使用容積調(diào)速(工頻運(yùn)行，勺管調(diào)速)，2種調(diào)速方法可以相互切換使用。切換是由勺管實(shí)現(xiàn)的，2種調(diào)速方式可以平穩(wěn)過渡。將2臺(tái)液力偶合器都改造成具有2種調(diào)速功能的多功能液力偶合器，配備1臺(tái)高壓變頻器、4臺(tái)斷路器可實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速型液力偶合器電動(dòng)給水泵在200 MW汽輪機(jī)組上的應(yīng)用。

3.3 200MW汽輪機(jī)機(jī)組給水泵變頻方案

大唐雙鴨山熱電有限公司1號(hào)汽輪機(jī)組，給水泵變頻一拖二改造方案的電氣一次接線如圖2所示。

圖2 給水泵變頻一拖二方案的電氣一次接線Fig.2Electrical primary wiring in‘one for two’scheme of frequency control for feed water pump

圖2所示的方案中，每臺(tái)泵都可以變頻運(yùn)行或工頻運(yùn)行，正常運(yùn)行方式為1臺(tái)泵變頻運(yùn)行，另1臺(tái)泵工頻備用。變頻運(yùn)行泵故障跳閘時(shí)，連鎖啟動(dòng)工頻備用泵。

大唐雙鴨山熱電有限公司的1號(hào)汽輪機(jī)組，變頻調(diào)速型液力偶合器電動(dòng)給水泵改造工程，于2011年 9月18日開工，10月7日完工，正式投運(yùn)。將液力偶合器改造成了泵輪調(diào)速和容積調(diào)速可以切換使用的多功能液力耦合器，解決了電動(dòng)給水泵的變頻和工頻的切換運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了變頻調(diào)速型液力偶合器電動(dòng)給水泵的改造，節(jié)電效果明顯。

4 應(yīng)用前景

變頻調(diào)速型液力偶合器電動(dòng)給水泵既可實(shí)現(xiàn)運(yùn)行中的200、300、600 MW給水泵的變頻技術(shù)改造，又可在300、600、1 000 MW新建機(jī)組電動(dòng)給水泵的設(shè)計(jì)中應(yīng)用。

4.1 在役300、600 MW汽輪機(jī)組給水泵變頻方案

運(yùn)行中的300、600 MW汽輪機(jī)組一般配有3× 50%額定容量電動(dòng)給水泵，2臺(tái)運(yùn)行1臺(tái)備用。對(duì)于這種兩運(yùn)一備的配置方式，可以采用將3臺(tái)液力偶合器改成多功能液力偶合器，配置2臺(tái)變頻器，通過切換實(shí)現(xiàn)二拖三方案。變頻二拖三方案一次接線見圖3。這個(gè)方案的特點(diǎn)是通過切換，3臺(tái)泵都能變頻運(yùn)行，正常運(yùn)行時(shí)，2臺(tái)變頻運(yùn)行，1臺(tái)泵工頻(偶合器方式)備用。如果運(yùn)行中的1臺(tái)變頻泵故障跳閘，連鎖啟動(dòng)工頻泵并列運(yùn)行，并列條件是2臺(tái)泵轉(zhuǎn)速相同、出口壓力相等。

圖3 給水泵變頻二拖三方案的電氣一次接線Fig.3Electrical primary wiring in‘two for three’scheme of frequency control for feed water pump

4.2 新建300 MW供熱汽輪機(jī)組給水泵變頻方案

新建300 MW供熱汽輪機(jī)組亦可采用變頻二拖三電動(dòng)給水泵方案。其理由是變頻二拖三方案可實(shí)現(xiàn)工、變頻的切換，提高了系統(tǒng)的可靠性。對(duì)于300 MW供熱機(jī)組，如果將泵輪(變頻)調(diào)速的液力偶合器電動(dòng)給水泵和汽動(dòng)給水泵相比較，變頻調(diào)速型液力偶合器驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)給水泵無論在投資上還是運(yùn)行費(fèi)用上都要優(yōu)于汽動(dòng)泵。

初投資(汽輪機(jī)方案需3臺(tái)小汽輪機(jī)，電動(dòng)機(jī)方案需3臺(tái)電動(dòng)機(jī)、3臺(tái)多功能偶合器、2臺(tái)變頻器)和凈出力(電動(dòng)給水泵高于汽動(dòng)泵)這里姑且不論，電動(dòng)機(jī)效率為97%，變頻器效率為97%，多功能液力偶合器效率為94%，則電動(dòng)機(jī)方案綜合效率為88%，而小汽輪機(jī)效率為82%，效率差為6%。這里小汽輪機(jī)效率為額定工況的效率，變工況下，低負(fù)荷時(shí)小汽輪機(jī)效率還將降低，種方案的效率差還將增大。由此可見，300 MW機(jī)組，按電動(dòng)給水泵變頻二拖三方案設(shè)計(jì)，既安全可靠又經(jīng)濟(jì)適用。

4.3 新建600、1 000 MW空冷機(jī)組給水泵變頻方案

新建600、1 000 MW空冷機(jī)組配套液力偶合器傳動(dòng)的電動(dòng)給水泵的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于配套汽輪機(jī)調(diào)速給水泵。600 MW火電機(jī)組給水泵耗電量占發(fā)電量的3.27%，占廠用電率的42%;1 000 MW火電機(jī)組電動(dòng)給水泵耗電量占發(fā)電量的近3.5%，占廠用電率的45%，其節(jié)電空間很大。

鑒于變頻調(diào)速型液力偶合器電動(dòng)給水泵有著明顯的節(jié)能優(yōu)勢(shì)，隨著高壓大容量變頻器的逐漸普及，新建600、1 000 MW火電機(jī)組給水泵選用變頻調(diào)速型液力偶合器電動(dòng)給水泵組，既能解決降低給水泵耗電量、降低發(fā)電廠用電率問題，又能解決大功率給水泵電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)問題，是進(jìn)行給水泵綜合升級(jí)優(yōu)化設(shè)計(jì)的創(chuàng)新方案。

5 結(jié)語

本文針對(duì)液力偶合器傳統(tǒng)調(diào)速方法的缺點(diǎn)，提出了泵輪調(diào)速法。泵輪調(diào)速方法成功應(yīng)用于200 MW汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組，且調(diào)速效率得到提高。變頻調(diào)速型液力偶合器電動(dòng)給水泵的應(yīng)用前景分析表明，該調(diào)速方法值得推廣應(yīng)用。

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(編輯:沈雷)