高展羽王鑫馬駿

（東方電氣集團(tuán)東方汽輪機(jī)有限公司，四川德陽(yáng)，618000）

1 背景

當(dāng)前，在化工、電力、水泥、冶金等領(lǐng)域內(nèi)存在大量的風(fēng)機(jī)、水泵、壓縮機(jī)等做功設(shè)備，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)目前有不少于4 800萬(wàn)臺(tái)風(fēng)機(jī)、水泵類(lèi)的被驅(qū)動(dòng)設(shè)備，其中大部分設(shè)備是被電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，其耗電量巨大，約占國(guó)內(nèi)工業(yè)用電的40%，而風(fēng)機(jī)、水泵多為變轉(zhuǎn)速設(shè)備，若采用調(diào)速運(yùn)行則可大大降低耗電量。

在發(fā)電廠中，引風(fēng)機(jī)和給水泵是消耗廠用電的主要設(shè)備，若都采用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，則其電量消耗約占廠用電量的70%，故很多電廠配備給水泵汽輪機(jī)和引風(fēng)機(jī)汽輪機(jī)用于降低廠用電率以盡可能提高實(shí)際供電量。但近幾年來(lái)，隨著人們環(huán)保意識(shí)的提升和國(guó)家環(huán)保政策的收緊，越來(lái)越多的電廠和行業(yè)專(zhuān)家提出了更多的節(jié)能降耗理念和措施。其中給水泵由主汽輪機(jī)同軸驅(qū)動(dòng)便是一種有效的節(jié)能方式，利用主汽輪機(jī)效率高于給水泵汽輪機(jī)效率的特點(diǎn)，采用主汽輪機(jī)直接驅(qū)動(dòng)給水泵以進(jìn)一步提高給水泵驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的整體效率；另一種提高給水泵驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率的方式為采用功率平衡系統(tǒng)，即為給水泵配置回?zé)狎?qū)動(dòng)式小汽輪機(jī)和功率平衡小發(fā)電機(jī)，利用增加給水泵汽輪機(jī)功率以及保持閥門(mén)全開(kāi)的運(yùn)行方式提高給水泵汽輪機(jī)全負(fù)荷區(qū)間的效率以提高給水泵驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的整體效率。

無(wú)論是采用主汽輪機(jī)同軸驅(qū)動(dòng)給水泵或者是功率平衡系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)給水泵，與常規(guī)的汽動(dòng)給水泵配置相比，均需新增調(diào)速設(shè)備。在主汽輪機(jī)同軸驅(qū)動(dòng)給水泵中，調(diào)速設(shè)備實(shí)現(xiàn)主汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速3 000 r/min向給水泵轉(zhuǎn)速的無(wú)級(jí)調(diào)速，來(lái)滿足給水泵變工況需求；在回?zé)狎?qū)動(dòng)式小汽機(jī)驅(qū)動(dòng)給水泵的系統(tǒng)中，若小汽輪機(jī)采用3 000 r/min設(shè)計(jì)，則調(diào)速設(shè)備也需實(shí)現(xiàn)小汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速3 000 r/min向給水泵轉(zhuǎn)速的無(wú)級(jí)調(diào)速，若小汽輪機(jī)采用變轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)直接驅(qū)動(dòng)給水泵，則小汽輪機(jī)與功率平衡發(fā)電機(jī)之間需設(shè)置調(diào)速設(shè)備以滿足汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速向功率平衡發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速之間的變速調(diào)節(jié)，或者設(shè)置變頻發(fā)電機(jī)實(shí)現(xiàn)電流變頻。

本文將以汽輪機(jī)（3 000 r/min定轉(zhuǎn)速）與給水泵（變轉(zhuǎn)速）之間的無(wú)級(jí)調(diào)速設(shè)備為例展開(kāi)進(jìn)一步探討。

2 總體分析

2.1 調(diào)速設(shè)備分類(lèi)

在電廠同軸驅(qū)動(dòng)給水泵或者功率平衡系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)給水泵的調(diào)速系統(tǒng)中，調(diào)速裝置的主要功能是將輸入端3 000 r/min的定轉(zhuǎn)速經(jīng)過(guò)變速后達(dá)到給水泵工作所需要的轉(zhuǎn)速，并且調(diào)速裝置輸出轉(zhuǎn)速能夠隨給水泵實(shí)際運(yùn)行工況點(diǎn)的變化而變化，進(jìn)行無(wú)級(jí)變速，實(shí)現(xiàn)給水泵流量和功率的任意變工況。

調(diào)速設(shè)備根據(jù)調(diào)速原理劃分可分為液力調(diào)速和變頻調(diào)速。目前，在火電廠工程應(yīng)用中，國(guó)內(nèi)已經(jīng)投運(yùn)的火電機(jī)組主要采用的是液力調(diào)速設(shè)備，其主要代表是Vioth公司生產(chǎn)的減速器及調(diào)速之星；近幾年，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)越來(lái)越激烈，以RENK公司產(chǎn)品為代表的變頻調(diào)速設(shè)備也逐步進(jìn)入火電廠消費(fèi)者的視野。

隨著發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，機(jī)組的功率和參數(shù)均有了較大提高，在新型1 000 MW火力發(fā)電機(jī)組中，給水壓力32 MPa以上，鍋爐給水泵的功率已經(jīng)超過(guò)了40 MW，這對(duì)調(diào)速設(shè)備也提出了更高要求，目前在發(fā)電行業(yè)中尚未有40 MW以上的無(wú)級(jí)調(diào)速設(shè)備運(yùn)行業(yè)績(jī)。

2.2 調(diào)速原理

Vioth調(diào)速之星是基于功率分配的原理，將給水泵汽輪機(jī)總的輸入功率分為兩部分，一部分功率通過(guò)主輸入軸傳遞給旋轉(zhuǎn)行星外齒圈，進(jìn)而傳遞至輸出軸，其功率和轉(zhuǎn)速是固定的；另一部分經(jīng)過(guò)泵輪、固定行星齒輪、旋轉(zhuǎn)行星齒輪等傳遞給輸出軸，該部分功率可通過(guò)調(diào)節(jié)泵輪的導(dǎo)葉打開(kāi)或關(guān)閉而調(diào)整，從而最終調(diào)節(jié)輸出軸的轉(zhuǎn)速。其工作原理見(jiàn)圖1。

圖1 Vioth調(diào)速之星工作原理圖

RENK公司的調(diào)速設(shè)備是典型的功率分流匯流型產(chǎn)品，在該設(shè)備工作過(guò)程中，輸出端負(fù)載（給水泵功率）由兩部分組成，一部分來(lái)自主驅(qū)動(dòng)設(shè)備（汽輪機(jī)），另一部分來(lái)自變頻電動(dòng)發(fā)電機(jī)。當(dāng)給水泵在高負(fù)荷點(diǎn)（高轉(zhuǎn)速）運(yùn)行時(shí)，變頻電機(jī)處于電動(dòng)機(jī)狀態(tài)，輸出功率給被驅(qū)動(dòng)設(shè)備；當(dāng)給水泵處于低負(fù)荷點(diǎn)（低轉(zhuǎn)速）運(yùn)行時(shí)，變頻電機(jī)處于發(fā)電機(jī)狀態(tài)，汽輪機(jī)必須提供部分功率用于變頻電機(jī)發(fā)電，以實(shí)現(xiàn)輸出轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。在給水泵整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中，其轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)由變頻電機(jī)實(shí)現(xiàn)，調(diào)節(jié)范圍也取決于變頻電機(jī)的大小，工作原理見(jiàn)圖2。

圖2 RENK變頻調(diào)速工作原理圖

無(wú)論是Vioth調(diào)速之星還是RENK公司的調(diào)速設(shè)備，從原理上看，兩者均為雙自由度的差動(dòng)輪系，因此，根據(jù)差動(dòng)輪系傳速比與效率的關(guān)系（見(jiàn)圖3），傳動(dòng)比（輸入轉(zhuǎn)速/輸出轉(zhuǎn)速）越小，效率越高，因此，要提升調(diào)速設(shè)備效率則必須減小調(diào)速設(shè)備的傳速比，在實(shí)際工程應(yīng)用中，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速（3 000 r/min）和給水泵工作轉(zhuǎn)速（約4 900 r/min）之比偏大，若將汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速直接作為輸入轉(zhuǎn)速，則傳動(dòng)效率太低，不具備工程應(yīng)用價(jià)值。Vioth公司和RENK公司均采用在調(diào)速設(shè)備前增加減速箱的設(shè)計(jì)方案，將輸入轉(zhuǎn)速降低至1 500 r/min，然后再進(jìn)行調(diào)速以提高整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)的效率。

圖3 差動(dòng)輪系傳速比與效率關(guān)系曲線

3 調(diào)速裝置選型要素

由于大功率的調(diào)速設(shè)備（大于40 MW）在發(fā)電行業(yè)尚未有運(yùn)行業(yè)績(jī)，故在電廠鍋爐給水泵調(diào)速設(shè)備選型時(shí)，需要對(duì)調(diào)速裝置可行性進(jìn)行全面的論證和分析，以確保工程應(yīng)用的順利。

3.1 傳遞功率

以國(guó)內(nèi)某工程為例，其給水泵出力在最大工況下達(dá)到約46 MW。而Vioth液力調(diào)速器當(dāng)前在電廠同軸驅(qū)動(dòng)項(xiàng)目中使用的最大功率約28 MW，因此，若要采用液力調(diào)速器，則內(nèi)部零件的結(jié)構(gòu)尺寸需要進(jìn)行放大設(shè)計(jì)，尤其是旋轉(zhuǎn)行星外齒圈的結(jié)構(gòu)要增大很多，設(shè)計(jì)難度大大增加。而RENK調(diào)速設(shè)備傳遞的功率一部分來(lái)自汽輪機(jī)，一部分來(lái)自變頻電機(jī)，故變頻電機(jī)功率的選擇直接影響了主輸入軸、主動(dòng)輪和行星輪的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)，變頻電機(jī)功率越大，其行星輪傳遞功率越大，結(jié)構(gòu)尺寸越大。

3.2 整體效率

在汽輪機(jī)同軸驅(qū)動(dòng)給水泵或者功率平衡驅(qū)動(dòng)給水泵的系統(tǒng)中，效率是考慮的關(guān)鍵因素之一。就調(diào)速裝置本身而言，調(diào)速之星在額定負(fù)荷下（假定選取額定負(fù)荷為設(shè)計(jì)點(diǎn)）的效率約95%，并且隨著給水泵負(fù)荷點(diǎn)升高或降低，其效率均呈下降趨勢(shì)，且波動(dòng)相對(duì)較大，當(dāng)給水泵負(fù)荷點(diǎn)降至75%時(shí)，其效率不足80%；而RENK變頻調(diào)速裝置在額定負(fù)荷下（假定選取額定負(fù)荷為設(shè)計(jì)點(diǎn)）的效率大于96%，且其效率隨給水泵負(fù)荷變化而波動(dòng)的差值較小，在調(diào)速設(shè)備運(yùn)行的大部分范圍內(nèi)，其效率均大于90%。

在選擇調(diào)速裝置時(shí)，最主要的是考慮整個(gè)系統(tǒng)效率和電廠運(yùn)行的收益最大化，因此，在選取調(diào)速設(shè)備的時(shí)候，需兼顧以下內(nèi)容：

（1）電廠長(zhǎng)期運(yùn)行的負(fù)荷點(diǎn)以及各負(fù)荷點(diǎn)的運(yùn)行時(shí)間；

（2）調(diào)速之星傳遞給給水泵的功率整個(gè)來(lái)自汽輪機(jī)，而RENK變頻調(diào)速器傳遞給給水泵的功率一部分來(lái)自汽輪機(jī)，一部分來(lái)自變頻電機(jī)，即給水泵部分功率呈電泵運(yùn)行。

3.3 調(diào)速范圍

給水泵的運(yùn)行轉(zhuǎn)速取決于發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行負(fù)荷點(diǎn)，發(fā)電機(jī)組的負(fù)荷運(yùn)行區(qū)間一般為30%～100%，且電廠一般配置了30%的電泵，負(fù)荷低于30%時(shí)，電泵啟動(dòng)，因此，調(diào)速裝置需保證能夠在30%～100%負(fù)荷穩(wěn)定輸出給水泵需要的轉(zhuǎn)速。

圖4為調(diào)速之星功率傳遞示意圖。

圖4 Vioth調(diào)速之星功率傳遞示意圖

在調(diào)速之星調(diào)速時(shí)，輸入功率P分為兩部分，一部分為主傳動(dòng)軸傳遞功率P1，另一部分為液力變矩器傳遞功率P2，P1為純機(jī)械傳動(dòng)，效率較高，P2為液力傳動(dòng)，效率相對(duì)低；在傳遞功率P2的同時(shí)，還承擔(dān)著調(diào)節(jié)輸出轉(zhuǎn)速的作用，P2占比越大，傳遞效率越低，但輸出轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)范圍越寬。P1和P2的功率分配可通過(guò)調(diào)速裝置內(nèi)部齒輪系以及液力變矩器泵輪等部件的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，一般情況下，調(diào)速之星調(diào)速器的輸出轉(zhuǎn)速可滿足給水泵20%～100%額定轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運(yùn)行。

圖5為RENK變頻調(diào)速功率傳遞示意圖。

圖5 RENK變頻調(diào)速功率傳遞示意圖

在RENK變頻調(diào)速設(shè)備中，其傳遞功率一部分來(lái)自汽輪機(jī)P1，一部分來(lái)自變頻電機(jī)P2，變頻電機(jī)承擔(dān)著調(diào)節(jié)輸出轉(zhuǎn)速的作用，且P2占比越大，傳動(dòng)效率越低，但輸出轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)范圍越寬。要保證輸出轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)范圍，則需提高P2占比，如此不但要調(diào)整調(diào)速設(shè)備內(nèi)部齒輪系的結(jié)構(gòu)尺寸，更重要的是選擇功率合理的變頻電機(jī)。在某火電工程中，變頻電機(jī)功率占給水泵總功率約25%，其輸出轉(zhuǎn)速可滿足給水泵40%～100%額定轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運(yùn)行。

綜上，不管是調(diào)速之星還是變頻電機(jī)調(diào)速，其調(diào)速范圍與功率的傳遞效率、設(shè)計(jì)難度以及成本是息息相關(guān)的。

3.4 旋轉(zhuǎn)方向

在鍋爐給水泵驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，調(diào)速設(shè)備是傳遞功率和調(diào)節(jié)給水泵轉(zhuǎn)速的重要設(shè)備。在調(diào)速設(shè)備選型中，應(yīng)考慮其與汽輪機(jī)、給水泵旋轉(zhuǎn)方向的配合。對(duì)Voith調(diào)速之星和RENK變頻電機(jī)調(diào)速設(shè)備，其前端均設(shè)置了為提高功率傳遞效率而增加的減速器。對(duì)調(diào)速之星而言，汽輪機(jī)旋轉(zhuǎn)方向在經(jīng)過(guò)減速箱和調(diào)速之星本體之后，并未發(fā)生改變（從汽輪機(jī)看向給水泵）；而對(duì)RENK產(chǎn)品而言，汽輪機(jī)旋轉(zhuǎn)方向在經(jīng)過(guò)減速箱和變頻調(diào)速設(shè)備之后，方向發(fā)生變化。因此，給水泵、調(diào)速裝置和汽輪機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向必須進(jìn)行配合，保持一致。

3.5 總體布置

由于Vioth調(diào)速之星和RENK變頻調(diào)速器在調(diào)速原理上的差異較大，直接造成兩種設(shè)備在外觀和成本上存在較大差異。Vioth調(diào)速之星的調(diào)速部件全部集成為一體，采用整體機(jī)座，對(duì)外僅保持油路和軸系等接口，其集成度相對(duì)較高，而且占用場(chǎng)地?。幌啾戎?， RENK變頻調(diào)速設(shè)備的調(diào)速齒輪系本體和變頻電機(jī)分開(kāi)布置，采用分體基架，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行組裝，此外，變頻設(shè)備還需要一個(gè)恒溫、恒濕的變頻設(shè)備工作間，其投資成本和維護(hù)成本相對(duì)較高。

4 啟停和運(yùn)行

在常規(guī)的給水泵驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，汽輪機(jī)與給水泵通過(guò)聯(lián)軸器進(jìn)行連接，給水泵隨汽輪機(jī)一起盤(pán)車(chē)、沖轉(zhuǎn)、升負(fù)荷等，對(duì)于此同軸驅(qū)動(dòng)和回?zé)狎?qū)動(dòng)式給水泵系統(tǒng)，由于汽輪機(jī)采用定轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)，與給水泵之間存在調(diào)速設(shè)備，那么調(diào)速設(shè)備的啟動(dòng)、運(yùn)行和退出也是驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。

4.1 盤(pán)車(chē)及啟動(dòng)

汽輪機(jī)盤(pán)車(chē)是保護(hù)機(jī)組軸系的避免轉(zhuǎn)子彎曲而普遍采取的最有效措施，常規(guī)給水泵驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，給水泵轉(zhuǎn)子全程隨汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子一起轉(zhuǎn)動(dòng)，為了避免給水泵低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)卡澀，汽輪機(jī)盤(pán)車(chē)裝置絕大多數(shù)采用高速盤(pán)車(chē)。在本文所述的同軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和回?zé)狎?qū)動(dòng)給水泵系統(tǒng)中，汽輪機(jī)與給水泵之間設(shè)置調(diào)速設(shè)備，則調(diào)速設(shè)備在啟動(dòng)過(guò)程中的運(yùn)行狀態(tài)與汽輪機(jī)的盤(pán)車(chē)設(shè)計(jì)和運(yùn)行是有關(guān)系的。

若采用Vioth調(diào)速之星進(jìn)行調(diào)速，則可在調(diào)速之星前端串聯(lián)液力耦合器和膜片式離合器，通過(guò)控制膜片式離合器的工作狀態(tài)而實(shí)現(xiàn)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子與給水泵轉(zhuǎn)子的離合，即可實(shí)現(xiàn)機(jī)組盤(pán)車(chē)、啟動(dòng)過(guò)程中汽輪機(jī)獨(dú)自沖轉(zhuǎn)、帶電負(fù)荷后，再投入汽動(dòng)給水泵。

若采用RENK變頻調(diào)速設(shè)備，可在調(diào)速設(shè)備輸出端增設(shè)剎車(chē)裝置，使汽輪機(jī)在低轉(zhuǎn)速下盤(pán)車(chē)時(shí)給水泵轉(zhuǎn)子保持靜止?fàn)顟B(tài)，而當(dāng)汽輪機(jī)盤(pán)車(chē)完成并開(kāi)始沖轉(zhuǎn)后，給水泵隨汽輪機(jī)按一定比例一起升轉(zhuǎn)速，快速通過(guò)給水泵的低轉(zhuǎn)速區(qū)（一般為200 r/min以內(nèi)）進(jìn)入汽輪機(jī)定速3 000 r/min階段，進(jìn)行暖機(jī)。啟動(dòng)過(guò)程示意見(jiàn)圖6。

圖6 RENK變頻調(diào)速啟動(dòng)曲線

4.2 運(yùn)行和停機(jī)

不管是同軸驅(qū)動(dòng)給水泵或者功率平衡驅(qū)動(dòng)給水泵，無(wú)論是液力調(diào)速還是變頻調(diào)速設(shè)備，在運(yùn)行過(guò)程中，給水泵只能夠在調(diào)速設(shè)備的轉(zhuǎn)速能力區(qū)間內(nèi)進(jìn)行變工況運(yùn)行。

在機(jī)組正常停機(jī)時(shí)，汽動(dòng)給水泵轉(zhuǎn)速隨鍋爐負(fù)荷下降而降低，若調(diào)速設(shè)備最低輸出轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的汽動(dòng)給水泵負(fù)荷低于電廠所配置電動(dòng)給水泵功率（一般為30%BMCR）時(shí)，例如Vioth調(diào)速之星最低輸出轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)負(fù)荷可達(dá)20%BMCR，則可在汽動(dòng)給水泵降負(fù)荷至30%BMCR時(shí)快速切入電泵，退出汽泵；某火電機(jī)組回?zé)狎?qū)動(dòng)系統(tǒng)中采用了RENK變頻調(diào)速設(shè)備，其最低輸出轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)負(fù)荷設(shè)計(jì)為40%BMCR，故在給水泵負(fù)荷隨鍋爐降至40%BMCR時(shí)，須先退出給水泵驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的功率平衡小發(fā)電機(jī)，然后，汽輪機(jī)閥門(mén)參與調(diào)節(jié)，按變轉(zhuǎn)速運(yùn)行降低調(diào)速裝置的輸入轉(zhuǎn)速，進(jìn)一步降低給水泵轉(zhuǎn)速和負(fù)荷，待給水泵負(fù)荷降至30%BMCR時(shí)，切入電泵，因此，這大大增加了汽輪機(jī)的設(shè)計(jì)難度。

調(diào)速設(shè)備的調(diào)速范圍與機(jī)組的啟動(dòng)、運(yùn)行和停機(jī)關(guān)系密切，是電廠在對(duì)調(diào)速設(shè)備選型時(shí)必須考慮的重點(diǎn)因素之一。

5 總結(jié)

隨著發(fā)電機(jī)組功率大型化，熱力系統(tǒng)復(fù)雜化，電廠對(duì)大功率用調(diào)速設(shè)備的大型化、多樣化和設(shè)計(jì)現(xiàn)代化也提出更高要求，新型電廠設(shè)計(jì)初期，在調(diào)速設(shè)備選型過(guò)程中，不但要關(guān)注系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性，還需要從整個(gè)機(jī)組運(yùn)行的可靠性、控制的簡(jiǎn)單化和投資成本等方面統(tǒng)籌考慮，這樣才能設(shè)計(jì)出更優(yōu)秀的工程項(xiàng)目。