周正道，包偉偉，秦英武，高德民，寧 輝

（1.國家電力投資集團(tuán)有限公司，北京 100033；2.國家電投集團(tuán)中央研究院，北京 102209；3.國家電投集團(tuán)內(nèi)蒙古公司霍林河坑口發(fā)電公司，霍林郭勒 內(nèi)蒙古 029200）

0 引言

近年來，隨著我國電力裝機(jī)容量的持續(xù)增長，電力行業(yè)產(chǎn)能相對過剩，燃煤機(jī)組負(fù)荷率不斷下降。同時(shí)，為保證風(fēng)電、光伏等新能源電力的消納，燃煤機(jī)組需要頻繁參與電網(wǎng)深度調(diào)峰[1]。在這些因素影響下，2018 年我國燃煤機(jī)組的平均負(fù)荷率只達(dá)到約60%，燃煤機(jī)組長時(shí)間在低負(fù)荷下運(yùn)行已經(jīng)成為常態(tài)。鑒于燃煤機(jī)組的運(yùn)行現(xiàn)狀，提高機(jī)組在部分負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的經(jīng)濟(jì)性顯得越來越重要[2-4]。

變頻技術(shù)是一項(xiàng)可以有效提高機(jī)組在部分負(fù)荷運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的技術(shù)，其在電力行業(yè)已經(jīng)有廣泛應(yīng)用[5-7]。受限于變頻技術(shù)發(fā)展水平，其在600 MW 機(jī)組電動(dòng)給水泵組上的應(yīng)用尚不多。本文以國內(nèi)首臺600 MW 亞臨界直接空冷機(jī)組電動(dòng)給水泵組的變頻改造為例，詳細(xì)介紹相關(guān)情況并分析其經(jīng)濟(jì)性。

1 機(jī)組概況

霍林河坑口發(fā)電廠2×600 MW 亞臨界直接空冷發(fā)電機(jī)組于2004 年9 月開工建設(shè)，2008 年7月相繼投產(chǎn)發(fā)電。三大主機(jī)均為哈爾濱電氣集團(tuán)設(shè)計(jì)制造，鍋爐型號為HG-2080/17.5－HM，汽輪機(jī)型號為NZK600-16.7/538/538，電機(jī)型號為QF SN-600-2YHG。由于項(xiàng)目建設(shè)較早，機(jī)組采用直接空冷技術(shù)，空冷島設(shè)計(jì)背壓11 kPa。

該機(jī)組為國內(nèi)早期投運(yùn)的大型空冷機(jī)組，給水泵驅(qū)動(dòng)采用當(dāng)時(shí)較為流行的電動(dòng)給水泵及液力耦合器調(diào)速技術(shù)，配備3×50%BMCR（鍋爐最大蒸發(fā)量）容量的電動(dòng)給水泵，兩運(yùn)一備。給水泵為上海凱士比泵廠生產(chǎn)的CHTC6/5 型給水泵，液力耦合器是德國福伊特公司生產(chǎn)的R18K500M 型液力耦合器，給水泵電機(jī)是上海電機(jī)廠生產(chǎn)的YKS1000-4 型電機(jī)，前置泵是上海凱士比泵廠生產(chǎn)的SQ300-670 型水泵。

給水泵與前置泵采用同軸布置，給水泵、前置泵以及液力耦合器工作油泵和潤滑油泵由同一臺電機(jī)拖動(dòng)。給水泵布置在液力耦合器輸出端，可通過液力耦合器調(diào)速。前置泵、工作油泵和潤滑油泵布置在電機(jī)輸出端，與電機(jī)同步轉(zhuǎn)動(dòng)。

2 運(yùn)行現(xiàn)狀

2.1 性能情況

電動(dòng)給水泵是燃煤發(fā)電廠生產(chǎn)過程的主要輔機(jī)之一，燃煤機(jī)組鍋爐電動(dòng)給水泵耗電量約占機(jī)組發(fā)電量的2.5%～5%，是機(jī)組輔機(jī)中最大的耗電設(shè)備。因此，國內(nèi)大多數(shù)燃煤發(fā)電廠均采用汽動(dòng)給水泵。對于該機(jī)組，電動(dòng)給水泵的耗電率達(dá)到約3.5%，占機(jī)組廠用電率的約30%。

該機(jī)組2017 年的運(yùn)行負(fù)荷率區(qū)間為40%～100%。在機(jī)組現(xiàn)有能力水平下，100%和75%負(fù)荷工況運(yùn)行2 臺給水泵，50%負(fù)荷工況運(yùn)行1 臺給水泵。該機(jī)組改造前在不同負(fù)荷工況下電動(dòng)給水泵組的運(yùn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

表1 改造前電動(dòng)給水泵組運(yùn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)

由表1 可知，在100%負(fù)荷工況下，給水泵（單臺，下同）進(jìn)出水壓差為14.06 MPa，有效功率為4 027 kW，電機(jī)功率為6 250 kW，給水泵組效率為64.44%。其中，給水泵效率設(shè)計(jì)值為82%，液力耦合器效率設(shè)計(jì)值為93%，電機(jī)效率設(shè)計(jì)值為96%。不難得出，給水泵組效率設(shè)計(jì)值為73.21%，實(shí)際運(yùn)行值比設(shè)計(jì)值低8.77 個(gè)百分點(diǎn)。

與100%負(fù)荷工況相比，75%負(fù)荷工況下，由于機(jī)組采用滑壓運(yùn)行，給水泵進(jìn)出水壓差降低到13.84 MPa，有效功率降低到3 255 kW，降低約19.17%，但是由于電機(jī)功率只下降了約8.00%，導(dǎo)致給水泵組效率下降到56.62%，降低約7.82個(gè)百分點(diǎn)。50%負(fù)荷工況下，給水泵進(jìn)出水壓差降低到10.57 MPa，由于只運(yùn)行1 臺給水泵，給水泵的流量相對較大，給水泵有效功率為3 732 kW，給水泵組效率降低到59.70%，降低4.73 個(gè)百分點(diǎn)，降幅小于75%負(fù)荷工況。

可見，隨著機(jī)組負(fù)荷的降低，給水泵組的工作效率明顯下降。雖然50%負(fù)荷工況泵組效率高于75%負(fù)荷工況，但這主要是因?yàn)榻o水泵組運(yùn)行方式改變，如果采用相同的運(yùn)行方式，泵組效率將會進(jìn)一步降低。從理論上說，這一現(xiàn)象是合理的，因?yàn)榻o水泵組的主要設(shè)備給水泵、液力耦合器以及電機(jī)在偏離設(shè)計(jì)工況后其各自的性能均會受到影響，給水泵效率、液力耦合器效率以及電機(jī)效率將出現(xiàn)明顯下降。由于本文主要研究調(diào)速機(jī)構(gòu)，因此以下主要分析其效率的變化情況。

2.2 損失分析

由于燃煤機(jī)組在不同負(fù)荷下所需的給水流量不同，而工頻泵的流量是固定的，因此給水系統(tǒng)必然要采用一定的流量調(diào)節(jié)方式。燃煤發(fā)電廠早期一般在給水管道上設(shè)置調(diào)節(jié)閥來調(diào)節(jié)給水流量，由于這種調(diào)節(jié)方式在部分負(fù)荷下存在較大的節(jié)流損失，經(jīng)濟(jì)性非常不好，現(xiàn)已淘汰。約從20世紀(jì)80—90 年代開始，國內(nèi)逐漸采用當(dāng)時(shí)比較先進(jìn)的液力耦合器調(diào)速技術(shù)，利用泵的流量與轉(zhuǎn)速關(guān)系，通過調(diào)節(jié)給水泵轉(zhuǎn)速控制給水流量，實(shí)現(xiàn)了給水泵的無級調(diào)速，獲得了較好的應(yīng)用效果[8]。

液力耦合器通過驅(qū)動(dòng)端的泵輪帶動(dòng)工作油，工作油獲得動(dòng)量后傳遞給渦輪，進(jìn)而帶動(dòng)渦輪旋轉(zhuǎn)。泵輪的轉(zhuǎn)速固定不變，渦輪的轉(zhuǎn)速通過調(diào)節(jié)渦殼內(nèi)工作油位控制。因此液力耦合器調(diào)速過程中泵輪和渦輪之間存在滑差。由于傳遞動(dòng)量的工作油存在粘性，滑差的存在必然導(dǎo)致摩擦生熱，從而造成能量損失。由前所述，電動(dòng)給水泵組調(diào)速機(jī)構(gòu)效率隨著負(fù)荷下降逐漸降低，這正是因?yàn)殡S著輸出端轉(zhuǎn)速的下降，滑差逐漸增加，從而導(dǎo)致?lián)p失逐漸增大。圖1 所示為一般液力耦合器效率與負(fù)荷的關(guān)系。

圖1 液力耦合器效率與負(fù)荷關(guān)系

由圖1 可知，液力耦合器效率與負(fù)荷近似成正比關(guān)系。以該機(jī)組為例，在75%負(fù)荷工況下，液力耦合器負(fù)荷是額定負(fù)荷的約60%，可估算其效率約為78%。在50%負(fù)荷工況下，液力耦合器負(fù)荷是額定負(fù)荷的約65%，可估算其效率約為80%。

根據(jù)電機(jī)原理可知，電機(jī)在額定負(fù)荷下工作時(shí)，功率因數(shù)最高，對應(yīng)的工作效率也最高。然而隨著機(jī)組負(fù)荷下降，給水泵的出力逐漸下降，進(jìn)而導(dǎo)致電機(jī)的負(fù)荷也逐漸下降，電機(jī)逐漸偏離經(jīng)濟(jì)工況，工作效率的下降不可避免。在機(jī)組長時(shí)間低負(fù)荷運(yùn)行的現(xiàn)狀下，電機(jī)同樣長時(shí)間偏離經(jīng)濟(jì)工況運(yùn)行。圖2 給出了一般電機(jī)效率與負(fù)荷的關(guān)系。

圖2 電機(jī)效率與負(fù)荷關(guān)系

由圖2 可知，電機(jī)效率與負(fù)荷近似成曲線關(guān)系。以該機(jī)組為例，在75%負(fù)荷工況下，給水泵電機(jī)功率是額定負(fù)荷工況的約58%，可估算其效率約為92%。在50%負(fù)荷工況下，給水泵電機(jī)功率是額定負(fù)荷工況的約63%，可估算其效率約為93%。

綜上所述，采用液力耦合器調(diào)速的給水泵組調(diào)速機(jī)構(gòu)的損失主要為液力耦合器的滑差損失以及電機(jī)熱損失。該機(jī)組在不同負(fù)荷下調(diào)速機(jī)構(gòu)的損失見表2。

表2 給水泵組調(diào)速機(jī)構(gòu)損失情況

由表2 可知，該機(jī)組100%負(fù)荷工況下給水泵組調(diào)速機(jī)構(gòu)損失合計(jì)422 kW，占比19%；75%負(fù)荷工況下調(diào)速機(jī)構(gòu)損失合計(jì)748 kW，占比38%；50%負(fù)荷工況下調(diào)速機(jī)構(gòu)損失合計(jì)680 kW，占比27%。可見，給水泵組在部分負(fù)荷下調(diào)速機(jī)構(gòu)效率下降較多，損失占比逐步提高，其中主要是因?yàn)橐毫︸詈掀餍氏陆怠?/p>

為減少調(diào)速機(jī)構(gòu)損失，提高機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，2017 年該發(fā)電廠決定采用最新技術(shù)對電動(dòng)給泵組進(jìn)行改造。經(jīng)多方調(diào)研及可行性研究論證，在綜合比較行星齒輪調(diào)速技術(shù)、變頻技術(shù)以及永磁調(diào)速技術(shù)的基礎(chǔ)上，最終選擇變頻技術(shù)進(jìn)行改造。

3 變頻改造

3.1 技術(shù)概況

隨著燃煤機(jī)組在低負(fù)荷下的高效運(yùn)行越來越受到重視，液力耦合器調(diào)速技術(shù)的效率水平已經(jīng)不能令人滿意。近年來出現(xiàn)了一批新的調(diào)速技術(shù)，液力耦合器已逐步被改造替代，其中以變頻技術(shù)最為成熟可靠。經(jīng)過多年發(fā)展，變頻技術(shù)已有廣泛應(yīng)用，并取得了很好的應(yīng)用效果。

變頻技術(shù)通過設(shè)置變頻器調(diào)節(jié)電機(jī)輸入端電壓頻率，從而直接控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，運(yùn)用電氣手段實(shí)現(xiàn)給水泵無級調(diào)速。與液力耦合器調(diào)速技術(shù)相比，用電氣設(shè)備替換機(jī)械設(shè)備，雖然變頻器在工作過程中也會產(chǎn)生熱損失，但是這部分損失與液力耦合器損失相比要小很多。因此，可以有效解決液力耦合器的滑差損失，從而提高給水泵組的工作效率[9]。

變頻技術(shù)早期主要應(yīng)用在小型輔機(jī)上，功率一般在200 kW 以內(nèi)。在21 世紀(jì)初，國內(nèi)就已經(jīng)有凝結(jié)水泵變頻改造的成功案列，之后在鍋爐一次風(fēng)機(jī)、送風(fēng)機(jī)等輔機(jī)上也有大量的應(yīng)用案例。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前電力行業(yè)80%以上的泵、風(fēng)機(jī)等設(shè)備采用了變頻技術(shù)。

受限于目前的技術(shù)水平，變頻器的功率在發(fā)展過程中受到限制，這影響了變頻器在電力行業(yè)中更大范圍的應(yīng)用。直到2017 年，塔山發(fā)電廠才在國內(nèi)首次完成了600 MW 超臨界空冷機(jī)組電動(dòng)給水泵組的變頻改造[10]。相較于同等級的超臨界機(jī)組，亞臨界機(jī)組所需要的變頻器功率更大。以該機(jī)組為例，單臺給水泵的設(shè)計(jì)容量需達(dá)到約8 500 kW，按照一拖一的接線方案，考慮中間環(huán)節(jié)損失及設(shè)計(jì)裕度，變頻器的設(shè)計(jì)容量需要達(dá)到約10 000 kW，這對變頻器的設(shè)計(jì)及制造提出很高要求。

3.2 改造方案

由于霍林河坑口發(fā)電廠為3×50%容量的電動(dòng)給水泵配置，國內(nèi)尚未有同類型機(jī)組改造成功的案例。為確保改造成功，達(dá)到改造目標(biāo)，此次改造確定以下改造原則： 盡可能保留現(xiàn)有設(shè)備；盡可能保證熱力系統(tǒng)及接口參數(shù)不變；盡可能保證控制系統(tǒng)不變。

基于上述原則，綜合考慮機(jī)組運(yùn)行安全性及可靠性，該機(jī)組采用只增設(shè)變頻器，保持原液力耦合器整體結(jié)構(gòu)、連接方式、冷卻方式等不變的改造方案。變頻器采用一拖一帶旁路的方案，每臺電動(dòng)給水泵配置1 臺變頻器，對2 臺給水泵增加變頻器拖動(dòng)，另外1 臺保持不變。同時(shí)，由于該機(jī)組前置泵為同軸連接，考慮到變頻改造后，電機(jī)變速運(yùn)行時(shí)前置泵出力不足，無法滿足給水泵汽蝕要求，因此需要改造原前置泵，更換前置泵芯，滿足變速運(yùn)行要求。

對原液力耦合器進(jìn)行優(yōu)化改造，使其成為多功能液力耦合器。改造后液力耦合器可在現(xiàn)有調(diào)速方式的基礎(chǔ)上增加變頻調(diào)速方式，即同時(shí)具有工頻、變頻2 種輸入方式。工頻輸入時(shí)是調(diào)速型液力耦合器；變頻輸入時(shí)是高效增速齒輪箱。通過對控制邏輯優(yōu)化，這2 種運(yùn)行方式可以實(shí)現(xiàn)相互切換。

為保證變頻器與液力耦合器協(xié)調(diào)工作，采用以下控制策略： 采用變頻器直接控制汽包水位的控制邏輯；單臺變頻泵啟動(dòng)時(shí)，在控制死區(qū)以內(nèi)采用原有邏輯控制給水系統(tǒng)；第一臺泵達(dá)到最大出力時(shí)，啟動(dòng)第二臺泵；1 臺泵的變頻器故障時(shí)，增加一工一變調(diào)節(jié)給水的方式；低負(fù)荷只需1 臺泵調(diào)節(jié)時(shí)，自動(dòng)調(diào)整工況并切換控制方式；1 臺變頻泵跳閘時(shí)，工頻泵聯(lián)起并手動(dòng)并泵。

4 經(jīng)濟(jì)性分析

采用上述方案對2 號機(jī)組給水泵組改造完成后，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，給水泵轉(zhuǎn)速可在1%～100%進(jìn)行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)精度可達(dá)到±0.5%（100%轉(zhuǎn)速），給水泵組調(diào)速機(jī)構(gòu)效率可達(dá)到約97%（額定負(fù)荷工況）。同時(shí)，在實(shí)際運(yùn)行時(shí)可減少液力耦合器使用頻率并實(shí)現(xiàn)軟啟停，從而延長電機(jī)使用壽命。變頻改造后給水泵組運(yùn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表3。

表3 改造后電動(dòng)給水泵組運(yùn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)

由表3 可知，變頻改造后機(jī)組在100%負(fù)荷工況下給水泵組效率提高16.70 個(gè)百分點(diǎn)；75%負(fù)荷工況下給水泵組效率提高15.15 個(gè)百分點(diǎn)；50%負(fù)荷工況下給水效率提高7.54 個(gè)百分點(diǎn)?？梢姡脑旌蠼o水泵組效率提高明顯，平均提高約13 個(gè)百分點(diǎn)。給水泵組變頻改造經(jīng)濟(jì)性收益計(jì)算如表4 所示。

表4 給水泵變頻改造經(jīng)濟(jì)性收益計(jì)算

由表4 可知，變頻改造后機(jī)組在100%，75%及50%負(fù)荷工況下的廠用電率可分別下降0.71，0.85 及0.78 個(gè)百分點(diǎn)。按照機(jī)組目前在各負(fù)荷區(qū)間的運(yùn)行小時(shí)情況，按表4 所示權(quán)重計(jì)算，加權(quán)廠用電率可下降0.79 個(gè)百分點(diǎn)。按機(jī)組年利用小時(shí)為5 000 h 計(jì)算，年節(jié)約電量為2 384 萬kWh。上網(wǎng)電價(jià)按0.3 元/kWh 計(jì)算，年收益為715 萬元。該改造項(xiàng)目總投資為2 000 萬元，預(yù)計(jì)約3年即可收回成本。

5 結(jié)論

（1）采用液力耦合器調(diào)速技術(shù)的電動(dòng)給水泵組在部分負(fù)荷工況的效率明顯下降，其中液力耦合器效率的下降是主要因素，其效率水平已經(jīng)不能滿足要求，節(jié)能空間較大，此類機(jī)組應(yīng)逐步進(jìn)行節(jié)能提效改造。

（2）霍林河坑口發(fā)電廠2 號機(jī)組作為國內(nèi)首臺600 MW 亞臨界直接空冷機(jī)組電動(dòng)給水泵組的變頻改造機(jī)組，工程實(shí)踐證明，采用增設(shè)變頻器、保持液力耦合器整體結(jié)構(gòu)不動(dòng)，優(yōu)化改造其為多功能液力耦合器的總體改造方案在技術(shù)上是可行的，改造達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

（3）改造后試驗(yàn)結(jié)果表明，電動(dòng)給水泵組變頻改造可有效降低機(jī)組廠用電率，提高機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，投資回收年限較短，經(jīng)濟(jì)效益顯著。