1、概述

　　大唐雙鴨山熱電有限公司，位于黑龍江省雙鴨山市東部經(jīng)濟開發(fā)區(qū)，在雙鴨山東環(huán)高速內側，距市中心4公里。電廠裝有2×200MW汽輪發(fā)電機組。每臺機組設置兩臺100%容量的電動給水泵,一臺運行一臺備用。電動機額定電壓為6kV，電動機（5500kW、595A、1493r/min）通過調速型液力偶合器（YOT51、5100kW、5090r/min）驅動給水泵（200TSBBⅡ-J）。兩臺機組先后于2006年投產。給水泵耗電量，是電廠主要輔機耗電量之最。2010年1、2號機組給水泵年平均耗電量占發(fā)電量的2.5%,占生產廠用電率的近33%。給水泵做為生產過程的主要輔機，其耗電量是最大的。直接影響供電煤耗，影響發(fā)電成本，影響能源消耗。因此對電動給水泵的調速方式進行優(yōu)化和改造，是十分必要的。為貫徹落實國家和集團公司的節(jié)能要求，為降低電動給水泵的年耗電量，降低給水泵的年運行費用，降低供電煤耗，大唐黑龍江發(fā)電有限公司，大唐雙鴨山熱電有限公司，大唐黑龍江節(jié)能服務有限公司，選擇了變頻調速型液力偶合器電動給水泵（專利號：ZL201020640252.8）改造方案。

　　2、液力偶合器調速與變頻器調速效率比較

　　2.1、液力偶合器調速

　　液力偶合器是以液體為工作介質，利用液體動能的變化來傳遞能量的傳動機械。200MW汽輪機組給水泵配套的液力偶合器，多為增速型液力偶合器，所謂增速型液力偶合器是增速齒輪組與液力偶合器的有機結合。增速齒輪組起增速作用，以滿足給水泵額定工況時的轉速需要，液力偶合器起調速作用，以滿足變工況運行的需要。

　　對于液力偶合器這樣一個封閉系統(tǒng)，作用于其上的外力矩

　　∑M=0

　　MB+MT=0

　　亦即MB=﹣MT

　　式中；MB、MT為泵輪、渦輪作用于封閉系統(tǒng)的力矩。

　　圖1-1液力偶合器外特性

　　η=0;處于相對靜止狀態(tài),此時能量的傳遞也就終止M=M=0。實際運行中，由于存在著摩擦力矩，i接近1時偶合器傳遞的力矩很小，而機械摩擦力矩所占的比重急劇增大，因此在轉速比i接近1時的效率特性明顯偏離η=i直線，并在i=0.99～0.995時急劇下降至η=0。所以偶合器正常工作時渦輪轉速必然低于泵輪轉速，即液力偶合器正常工作時總是存在滑差的?；钜赞D差率S表示，轉差率是泵輪和渦輪的轉速差與泵輪轉速之比,即：

　　通過對液力偶合器外特性的分析，可以得出如下結論：即液力偶合器不輪在任何工況下，泵輪和渦輪的液力力矩始終大小相等方向相反，液力效率η始終等于轉速比i。

　　200MW汽輪機組給水泵配套的液力偶合器的額定轉速，都是和給水泵的額定出力相配套的。就液力偶合器本身而言，應該長期處于高轉速比下工作，才能獲得最佳經(jīng)濟效益。但設計上給水泵的最大出力為鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量的110%，是高于機組的額定出力需要的，正常運行中200MW機組由于負荷分配和調峰等因素影響，經(jīng)常偏離額定負荷運行，年平均負荷率一般在65%-75%左右。

　　運行中的給水泵的工作點，是遠離最佳工作點的，隨著負荷率的降低，液力偶合器的效率明顯降低，負荷率75%時，液力偶合器效率為73%，負荷率70%時，液力偶合器效率為68%，負荷率65%時，液力偶合器效率為63%，分別與最高效率點相差24%、29%、34%?？梢?，液力偶合器調速方式，在偏離額定工況時，由于液力偶合器轉速比隨負荷率相應變化，所造成的效率降低，而引起的能耗增加是很可觀的。

　　2.2、變頻調速

　　變頻調速是通過改變電源頻率和電壓，直接改變異步電動機轉速的調速。變頻調速的最大優(yōu)點，一是節(jié)電、二是調節(jié)精度高，這是因為變頻器效率在40%負荷率以上不同轉速下，均在93%-96%以上。詳見變頻調速用干式變壓器效率曲線、變頻器效率曲線和變頻器含干式變的效率曲線。

　　通過上述曲線，可以看出，變頻調速用干式變壓器效率（功率因數(shù)0.96為準）和變頻器效率的綜合效率平均（在負荷40%-100%之間）為93%-96%

　　2.3、變頻調速效率與液力偶合器調速效率比較

　　如下圖所示，在不同負荷率下，變頻調速與液力偶合器調速效率的差別是很大的。

　　在不同負荷率下，變頻調速型液力偶合器調速效率與液力偶合器調速效率比較列表如下：

　　通過上述比較；可明顯看出，變頻調速型液力偶合器效率（100%負荷除外）比液力偶合器調速效率高出很多，有著顯著的節(jié)能潛力。用變頻調速型液力偶合器調速替換液力偶合器調速，可以有效解決液力偶合器低轉速比時效率低能耗高的問題，能夠實現(xiàn)節(jié)能降耗的目標。

　　3、變頻調速型液力偶合器

　　200MW機組給水泵配套液力偶合器，均為增速型液力偶合器。主要由兩部分組成，一是增速齒輪，這一部分的作用是把電動機的額定轉速升高至給水泵額定工況的運行轉速；二是泵輪、渦輪和循環(huán)油系統(tǒng)，其作用是通過勺管調節(jié)循環(huán)油，改變偶合器內部的充油量，從而調節(jié)渦輪轉數(shù)，實現(xiàn)輸出轉速的無級調速。這是偶合器的工作原理和調速方式。

　　電動機通過液力偶合器驅動的給水泵，是不能直接改為變頻調速的。給水泵進行變頻改造的關鍵是如何改造液力偶合器，以滿足輸入軸變速運行時，輸出軸能夠按增速齒輪箱功能變速輸出。傳統(tǒng)改造方案有:將液力偶合器更換成增速齒輪箱；將液力偶合器改造成增速齒輪箱。更換成增速齒輪箱就是購買一臺增速齒輪箱，其造價高，工期長，需要改造給水泵基礎等，很難實現(xiàn)；將液力偶合器改造成增速齒輪箱，需要進行設計制造，周期長，費用高，且屬非標產品，運行穩(wěn)定性很難保證。通過技術經(jīng)濟比較,上述換成增速齒輪箱方案和改造成增速齒輪箱方案，造價高、供貨周期長，且增速齒輪箱方案只能實現(xiàn)變頻一拖一方式,是有缺憾的,是不適應現(xiàn)場需要的。將液力偶合器改造成變頻調速型液力偶合器，即改造成多功能液力偶合器。所謂多功能液力偶合器，就是在保留液力偶合器調速功能的基礎上,增加液力偶合器的增速齒輪箱輸出功能（這是長春時代機電新技術有限公司的發(fā)明專利。專利號：201020640252.8）。實現(xiàn)這一改造后，液力偶合器具有了兩種功能，一是工頻運行時的液力偶合器的調速功能（這是原來就有的）；二是變頻運行時的增速齒輪箱輸出功能（這是改造后新增的）。兩種功能可以進行切換。將兩臺液力偶合器都改成多功能液力偶合器，配備一臺高壓變頻器，四臺斷路器，就可以實現(xiàn)200MW汽輪機組給水泵變頻一拖二改造了。

　　4、給水泵變頻一拖二解決方案

　　4.1、給水泵變頻一拖二方案的電氣一次接線

　　給水泵變頻一拖二方案的電氣一次接線如下圖。虛線框內設備,為實現(xiàn)給水泵變頻一拖二方案增加的設備。

　　方案說明：

　　這一方案的運行方式是靈活的，每臺泵都可以變頻運行，每臺泵都可以工頻運行，正常運行方式為一臺泵變頻運行，另一臺泵工頻備用。其切換方式是：每臺泵都可以由變頻運行切換到工頻運行，然后以變頻器啟動備用泵后，停止工頻泵。變頻運行泵故障跳閘時，連鎖啟動工頻備用泵。

　　4.2、實現(xiàn)一拖二切換的技術措施

　　4.2.1互鎖技術措施

　　QF3、QF4、QF5、QF6為小車式真空斷路器，QF3與QF4互鎖，即QF3與QF4只允許其中一個閉合，QF5與QF6互鎖，即QF5與QF6只允許其中一個閉合。同時QF1與QF5互鎖，QF2與QF6互鎖。即QF1與QF5只允許其中一個閉合，QF2與QF6只允許其中一個閉合。

　　4.2.2如何實現(xiàn)互鎖

　　斷路器之間的互鎖,是通過變頻器控制柜內的可編程控制器（PLC）實現(xiàn)的。每一個斷路器的分合閘，都是按變頻切換工頻和變頻一拖二切換的相應程序控制的。切換時間可以完全滿足現(xiàn)場需要,可在現(xiàn)場調試時設定。此外,斷路器之間的互鎖還要通過各個斷路器之間的電氣硬接線來實現(xiàn)。以確保各個斷路器之間的分合閘的準確、安全、可靠。

　　4.2.3控制與切換

　　多功能液力偶合器工、變頻運行方式的切換、每臺給水泵的工頻啟停、變頻啟停、變頻切工頻和兩臺泵間變頻切換，變頻調速泵運行與液力偶合器調速泵運行的給水自動控制與切換均由DCS組態(tài)實現(xiàn)。

　　4.3、變頻器的選配與通風

　　4.3.1大唐雙鴨山熱電有限公司給水泵組參數(shù)

　?。?）給水泵電動機參數(shù)

　?。?）給水泵參數(shù)

　　4.3.2變頻器的選配

　　根據(jù)給水泵軸功率,給水泵電動機的參數(shù),結合大唐雙鴨山熱電有限公司現(xiàn)場給水泵實際運行情況,選配東方日立（成都）電控設備有限公司進口成套的日本日立公司變頻器，其主要技術參數(shù)如下表:

　　DHVECTOL-HI05500/06高壓變頻器。

　　4.3.3、變頻器通風散熱

　　為確保變頻器可靠運行，采用空水冷通風散熱方式，空水冷布置如圖所示：

　　從變頻器出來的熱風，經(jīng)過通風管道排放到內有固定水冷管的散熱器中，散熱器中通過溫度低于33℃的冷水，熱風經(jīng)過散熱片后，將熱量傳遞給冷水，變成冷風從散熱片吹出，熱量被循環(huán)冷卻水帶走，從而保證變頻器控制室內的環(huán)境溫度不高于40℃。安裝空冷器要求必須在密閉環(huán)境中。流入空冷器的水為循環(huán)水,為保護設備,要求循環(huán)水的PH值為中性,且無腐蝕損壞銅鐵的雜質,進水的水壓一般為0.25～0.3Mpa,進水溫度≤33℃。

　　5、節(jié)電效果

　　大唐雙鴨山熱電有限公司，一號汽輪機組變頻調速型液力偶合器電動給水泵改造工程于2011年9月18日開工10月7日正式投運，節(jié)電效果明顯，改造成功。我們對改造前后不同負荷工況下，給水泵的運行參數(shù)和改造后兩臺機組相同負荷工況下，變頻調速給水泵和偶合器調速給水泵耗電量進行了測試，其結果如附表：

　　1號機組改前不同負荷工況下主要運行參數(shù)

　　1號機組改后不同負荷工況下主要運行參數(shù)

　　通過改前改后機組運行參數(shù)比較，相同負荷下電流下降比較明顯，平均下降107A，平均電流下降率為27.41%！

　　1號機2號給水泵變頻改造后節(jié)電效果

　　為測試變頻改造后節(jié)電率，兩臺機組帶同樣負荷進行了變頻調速泵與液力偶合器調速泵耗電量對比試驗，試驗結果如下表

　　由上表可以看出在年平均負荷率76%的運行工況下,給水泵變頻調速運行,年可節(jié)電5304063千瓦時,其節(jié)電率為:21%。年節(jié)電5304063千瓦時，就等于增加上網(wǎng)電量5304063千瓦時，可增加產值202萬元/年（平均上網(wǎng)電價為0.38元/千瓦時）,可折合成標準煤1664噸/年(供電煤耗為313.7克/千瓦時)。

　　6、結論

　　通過大唐雙鴨山熱電有限公司，一號汽輪機組變頻調速型液力偶合器電動給水泵的變頻一拖二改造實踐，證明變頻調速型液力偶合器，即多功能液力偶合器是實現(xiàn)變頻一拖二改造的核心技術。液力偶合器不動，將偶合器改造成多功能偶合器，進而實現(xiàn)變頻一拖二給水泵解決方案，在國內外均屬首例，屬科技創(chuàng)新，是200MW汽輪發(fā)電機組給水泵變頻改造的最佳方案。運行實踐證明節(jié)電是明顯的，效益是可觀的。

　　這一解決方案也可以應用到300MW和600MW空冷汽輪機組的液力偶合器調速的電動給水泵改造中，其節(jié)電效果將更加明顯，效益將更加可觀。

　　聯(lián)系人：張文海長春時代機電新技術有限公司總經(jīng)理教授級高級工程師專門從事高壓變頻器在發(fā)電廠的應用研究。變頻調速型液力偶合器電動給水泵專利發(fā)明人、專利權人。

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