摘要：本文介紹了“工變頻切換型液力偶合器電動(dòng)給水泵節(jié)能系統(tǒng)”的應(yīng)用，針對(duì)日本荏原調(diào)速型液力偶合器變頻調(diào)速改造及變頻二拖三解決方案與節(jié)電效果做了介紹。

關(guān)鍵詞：工變頻切換,液力偶合器,電動(dòng)給水泵

1引言

遼寧調(diào)兵山煤矸石發(fā)電有限責(zé)任公司，位于遼寧省調(diào)兵山市境內(nèi)。1、2號(hào)機(jī)組為300MW汽輪發(fā)電機(jī)組，每臺(tái)機(jī)組給水泵設(shè)計(jì)為3×50%額定容量電動(dòng)給水泵組，電動(dòng)機(jī)（YKS800-45200kW6kV564A）同軸驅(qū)動(dòng)前置泵（YNKN300/200-20j），通過液力偶合器（日本荏原GCH104A-47）驅(qū)動(dòng)給水泵（CHTC5/6SP）調(diào)節(jié)給水泵轉(zhuǎn)速。給水泵耗電量占發(fā)電量的3%，占發(fā)電廠用電量的29%。機(jī)組投產(chǎn)以后，給水泵耗電量一直高于同型機(jī)組，降低給水泵耗電量,成了生產(chǎn)技術(shù)管理的主要課題。曾研究過將調(diào)速型液力偶合器調(diào)速，改為汽輪機(jī)調(diào)速，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較與借鑒同型機(jī)組改造后的技術(shù)經(jīng)濟(jì)得失，汽輪機(jī)調(diào)速改造投資成本高，綜合節(jié)能效果不佳，廠用電率雖有降低，但供電煤耗明顯升高，得不償失。通過學(xué)習(xí)大唐集團(tuán)公司所屬同型電廠變頻改造經(jīng)驗(yàn)，由遼寧調(diào)兵山煤矸石發(fā)電有限責(zé)任公司負(fù)責(zé)技術(shù)把關(guān)，遼寧億賽普節(jié)能技術(shù)有限公司負(fù)責(zé)投資并進(jìn)行合同能源管理，選用長(zhǎng)春時(shí)代機(jī)電新技術(shù)有限公司，“液力偶合器泵輪調(diào)速法”、“工變頻切換型液力偶合器電動(dòng)給水泵節(jié)能系統(tǒng)”專利技術(shù)，配套東方日立（成都）電控設(shè)備有限公司變頻器產(chǎn)品，對(duì)#1、2機(jī)組AB電動(dòng)給水泵，進(jìn)行了“工變頻切換型液力偶合器電動(dòng)給水泵節(jié)能系統(tǒng)”改造。#2機(jī)組于2014年3月投運(yùn)，#1機(jī)組于2014年10月投運(yùn)，投運(yùn)后節(jié)電效果明顯，經(jīng)測(cè)試70%負(fù)荷率，年可節(jié)電1169萬Kwh,增加上網(wǎng)電量1169萬kwh，年可增加產(chǎn)值484萬元。

2電動(dòng)給水泵組改造前技術(shù)狀況

遼寧調(diào)兵山煤矸石發(fā)電有限責(zé)任公司1、2號(hào)機(jī)組為300MW汽輪發(fā)電機(jī)組。每臺(tái)機(jī)組配有三臺(tái)50%容量的電動(dòng)給水泵組，給水泵電動(dòng)機(jī)定速運(yùn)行，電動(dòng)機(jī)一端同軸驅(qū)動(dòng)定速運(yùn)行前置泵，電動(dòng)機(jī)另一端同軸驅(qū)動(dòng)調(diào)速型液力偶合器輸入軸，液力偶合器輸出軸驅(qū)動(dòng)給水泵，調(diào)速型液力偶合器的作用是增速與調(diào)速，正常運(yùn)行方式是兩運(yùn)一備。其原始技術(shù)參數(shù)和生產(chǎn)技術(shù)指標(biāo)如下：

2.1技術(shù)參數(shù)

2.1.1電動(dòng)機(jī)參數(shù)

2.1.2給水泵參數(shù)及其特性曲線

2.1.3前置泵參數(shù)及其特性曲線

2.1.4液力耦合器參數(shù)及其效率特性曲線

2.1.5日本荏原GCH104A-47調(diào)速型液力偶合器剖面圖及油路系統(tǒng)圖

2.2.4#2機(jī)組年不同負(fù)荷工況下主要運(yùn)行參數(shù)

3改造的必要性

3.1液力偶合器驅(qū)動(dòng)調(diào)速的電動(dòng)給水泵的節(jié)電潛力

液力偶合器驅(qū)動(dòng)調(diào)速的電動(dòng)給水泵的節(jié)電潛力是很大的。其原因是按設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，鍋爐機(jī)組的最大連續(xù)蒸發(fā)量是按汽輪機(jī)組的最大進(jìn)汽量的1.05倍設(shè)計(jì)計(jì)算，給水泵的最大流量則按鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量的1.05倍設(shè)計(jì)計(jì)算，液力偶合器是按給水泵最大流量配套的，這樣一來，機(jī)組投產(chǎn)后，即便在額定工況運(yùn)行，給水泵液力偶合器已經(jīng)偏離額定工況10%左右。更有甚者遼寧調(diào)兵山煤矸石發(fā)電有限責(zé)任公司設(shè)計(jì)配套的調(diào)速型液力偶合器額定轉(zhuǎn)速(5390r/min)高于給水泵額定轉(zhuǎn)速（5130r/min）5%，即便給水泵額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行也已偏離調(diào)速型液力偶合器額定轉(zhuǎn)速5%，其效率降低近5%。1、2號(hào)機(jī)組年平均負(fù)荷率分別為72.8%、71.2%，由于負(fù)荷率較低一號(hào)機(jī)組給水泵液力偶會(huì)器勺管最大平均開度為54.45%，最小開度為38.05%，二號(hào)機(jī)組給水泵液力偶會(huì)器勺管最大平均開度為47.3%，最小開度為37.47%。液力偶合器最高效率點(diǎn)為其額定（5390r/min）工況點(diǎn)，偏離額定工況效率明顯降低，這是調(diào)速型液力偶合器的最大弊端，1、2號(hào)機(jī)組液力偶會(huì)器實(shí)際運(yùn)行效率分別為51%～36%、44%～35%。分別較額定工況點(diǎn)效率降低43%～58%、47%～57%，可見1、2號(hào)機(jī)組給水泵節(jié)電空間是很大的，進(jìn)行變頻節(jié)能改造是非常必要的。

3.2液力偶合器泵輪（變頻）調(diào)速與液力偶合器容積調(diào)速效率比較

4“工變頻切換型液力偶合器電動(dòng)給水泵節(jié)能系統(tǒng)”

“工變頻切換型液力偶合器電動(dòng)給水泵節(jié)能系統(tǒng)”（ZL201220506992.1）是火力發(fā)電廠電動(dòng)給水泵機(jī)電聯(lián)合新型高效特種傳動(dòng)節(jié)能新技術(shù)。其具體改造方案是：

4.1將調(diào)速型液力偶合器改為工變頻切換型液力偶合器

所謂工變頻切換型液力偶合器，就是保留液力偶合器不動(dòng)，應(yīng)用液力偶合器泵論調(diào)速法（ZL201110341984.6）對(duì)液力偶合器內(nèi)部結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)進(jìn)行改造，使同一臺(tái)液力偶合器具有工頻定速輸入時(shí)是調(diào)速型液力偶合器；變頻調(diào)速輸入時(shí)是增速齒輪箱兩種運(yùn)行方式，且兩種運(yùn)行方式可以切換運(yùn)行的工變頻切換型液力偶合器。具體改造方法是，調(diào)速型液力偶合器連接方式、主體結(jié)構(gòu)、控制與冷卻方式不變，解除輸入軸驅(qū)動(dòng)的潤(rùn)滑油泵與工作油泵供油方式，在潤(rùn)滑油冷油器入口設(shè)置一臺(tái)外置潤(rùn)滑油泵，原電動(dòng)輔助油泵做備用。在工作油入口設(shè)置兩臺(tái)外置工作油泵，一運(yùn)一備。工變頻切換型液力偶合器油路系統(tǒng)見圖3

圖3工變頻切換型液力偶合器油路系統(tǒng)

實(shí)現(xiàn)這一改造后，液力偶合器具有了兩種運(yùn)行方式，一是工頻運(yùn)行時(shí)以勺管進(jìn)行調(diào)節(jié)的液力偶合器的調(diào)速運(yùn)行方式（這是原來就有的容積調(diào)速方式），二是變頻調(diào)速運(yùn)行時(shí)通過電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速，實(shí)現(xiàn)液力偶合器輸入軸變頻調(diào)速，實(shí)現(xiàn)增速齒輪組變頻調(diào)速，實(shí)現(xiàn)泵輪變頻調(diào)速，勺管保持100%開度，泵輪與渦輪工作油腔內(nèi)充液量最大，渦輪與泵輪相對(duì)固定，起聯(lián)軸器作用，實(shí)現(xiàn)渦輪變頻調(diào)速，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)液力偶合器輸出軸變頻調(diào)速。這就實(shí)現(xiàn)了液力偶合器的增速齒輪箱運(yùn)行方式（這是改造后新增的泵輪調(diào)速方式），兩種運(yùn)行方式可以互相切換。這一工變頻切換型液力偶合器，既便于工變頻切換，也便于變頻一拖二、變頻二拖三，方便靈活，安全可靠。有了上述功能，將ABC給水泵的三臺(tái)液力偶合器都改造成工變頻切換型液力偶合器，增加兩臺(tái)與給水泵電動(dòng)機(jī)配套的高壓變頻器和相應(yīng)的隔離開關(guān)，就可以實(shí)現(xiàn)ABC給水泵，通過切換的變頻二拖三方案了。實(shí)現(xiàn)通過切換(偶合器調(diào)速方式也隨之相應(yīng)切換)的變頻二拖三運(yùn)行方式。既便于給水泵的定期切換運(yùn)行，又便于互相備用。正常運(yùn)行方式為兩臺(tái)變頻調(diào)速泵運(yùn)行，調(diào)速型液力偶合器調(diào)速泵備用。

工變頻切換型液力偶合器的創(chuàng)新點(diǎn)是：

（1）同一臺(tái)液力偶合器，具有工頻定速輸入容積調(diào)速時(shí)，是調(diào)速型液力偶合器運(yùn)行方式；變頻調(diào)速輸入泵輪調(diào)速時(shí)，是增速齒輪箱運(yùn)行方式，兩種運(yùn)行方式可以切換運(yùn)行，一運(yùn)一備互為備用的新型特種傳動(dòng)新技術(shù)。

（2）應(yīng)用泵輪調(diào)速法調(diào)速時(shí)，勺管固定在100%，泵輪與渦輪工作油腔內(nèi)充液量固定在最大充液量，滑差率最低，效率最高，渦輪與泵輪相對(duì)固定起聯(lián)軸器作用，液力偶合器恒高效增速齒輪箱方式運(yùn)行。

（3）應(yīng)用泵輪調(diào)速法變頻調(diào)速范圍內(nèi)，液力偶合器始終保持恒高效不變。

（4）適應(yīng)兩種原動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)方式，即工頻定速驅(qū)動(dòng)和變頻調(diào)速驅(qū)動(dòng)，兩種驅(qū)動(dòng)方式可以相互切換。工頻定速驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)于調(diào)速型液力偶合器，變頻調(diào)速驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)于增速齒輪箱。

（5）泵輪調(diào)速是通過改變變頻器輸出頻率從而改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)的。其綜合效率等于變頻器效率與調(diào)速型液力偶合器最高效率之積，輸出轉(zhuǎn)速相同時(shí)的綜合效率與容積調(diào)速效率之差，即是節(jié)電率，輸出轉(zhuǎn)速小于等于額定轉(zhuǎn)速75%時(shí)，節(jié)電率可達(dá)20%左右。

（6）滿載運(yùn)行時(shí)，宜采用工頻定速輸入（容積調(diào)速）調(diào)速型液力偶會(huì)器方式運(yùn)行；負(fù)荷率在90%及以下運(yùn)行時(shí)，宜采用變頻調(diào)速輸入（泵論調(diào)速）增速齒輪箱運(yùn)行方式運(yùn)行。

4.2前置泵改造方案

火電廠鍋爐給水泵，入口水溫近似飽和水溫，為保證不發(fā)生汽蝕,設(shè)置了低速前置泵。給水先通過前置泵升高壓力后，再進(jìn)入給水泵。這樣就使給水泵入口的壓力大于給水溫度所對(duì)應(yīng)的汽化壓力，避免了給水泵的汽蝕。前置泵是在1490r/min下，定速運(yùn)行的。給水泵組進(jìn)行“工變頻調(diào)速型液力偶合器電動(dòng)給水泵”改造后，前置泵如何運(yùn)行，是繼續(xù)保持定速運(yùn)行，還是由給水泵電動(dòng)機(jī)同軸驅(qū)動(dòng)變速運(yùn)行，成了必需解決的技術(shù)關(guān)鍵。

4.2.1定速運(yùn)行方式不變方案

運(yùn)行中的300MW機(jī)組電動(dòng)給水泵的前置泵是定速運(yùn)行的。給水泵改為工變頻切換型液力偶合器電動(dòng)給水泵后，前置泵定速運(yùn)行方式不變，顯然是可行的。但問題是要將前置泵與給水泵電動(dòng)機(jī)脫開，配備單獨(dú)電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，需要設(shè)計(jì)前置泵電動(dòng)機(jī)基礎(chǔ)，配備一臺(tái)高壓電動(dòng)機(jī)、一面高壓開關(guān)柜、相應(yīng)的電力電纜及控制電纜，這一方案造價(jià)較高，定速運(yùn)行耗電量也高，現(xiàn)場(chǎng)條件亦不完全具備，因此定速運(yùn)行方式是不可取的。

4.2.2前置泵由給水泵電動(dòng)機(jī)同軸驅(qū)動(dòng)工變頻運(yùn)行方案。

原有前置泵不動(dòng)，由給水泵電動(dòng)機(jī)同軸驅(qū)動(dòng)定變速運(yùn)行，即工頻運(yùn)行時(shí)定速運(yùn)行，變頻運(yùn)行時(shí)變速運(yùn)行，是最方便最節(jié)省的方案。既能節(jié)省改造投資，又能降低前置泵耗電量，是適應(yīng)“工變頻切換型液力偶合器電動(dòng)給水泵”改造的最佳方案。實(shí)現(xiàn)該方案的充要條件是NPSHa>NPSHr，即無論轉(zhuǎn)速高低，始終保持有效汽蝕余量大于必需汽蝕余量。這是長(zhǎng)春時(shí)代機(jī)電新技術(shù)有限公司最新研究成果（ZL201220506992.1），是由東方日立（成都）電控設(shè)備有限公司變頻器同步控制實(shí)現(xiàn)的。已被工程實(shí)踐證明是安全可靠、經(jīng)濟(jì)適用的。

4.2.3GCH104A-47工變頻切換型液力偶合器變頻運(yùn)行

前置泵與給水泵相關(guān)運(yùn)行參數(shù)計(jì)算值

說明：百分比是前置泵百分比，括號(hào)內(nèi)為給水泵百分比，因調(diào)速型液力偶合器額定轉(zhuǎn)速高于給水泵額定轉(zhuǎn)速5%，故保持調(diào)速型液力偶合器高效運(yùn)行時(shí)，給水泵轉(zhuǎn)速提高了5%。

4.3變頻器配套改造方案

4.3.1方案一：變頻二拖三，A、B泵變頻運(yùn)行，C泵工頻備用方案

變頻二拖三方案的電氣一次接線如下圖。虛線框內(nèi)設(shè)備,為實(shí)現(xiàn)變頻二拖三方案增加的設(shè)備

方案說明：

這一方案的運(yùn)行方式是靈活的，A、B、C每臺(tái)泵都可以變頻運(yùn)行，每臺(tái)泵都可以工頻運(yùn)行，正常運(yùn)行方式為A、B泵變頻運(yùn)行，C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。

QF1、QF2、QF3、QF4為小車式真空斷路器，QS1~QS9為手動(dòng)隔離刀閘。QF1與QF3互鎖；即QF1合閘后，QF3不能合閘；QF3合閘后，QF1不能合閘；QF2、QF4互鎖；即QF2合閘后，QF4不能合閘；QF4合閘后，QF2不能合閘；QF3、QF4互鎖；即QF3合閘后，QF4不能合閘；QF4合閘后，QF3不能合閘；QS1與QS2互鎖，即QS1合閘后，QS2不能合閘；QS2合閘后，QS1不能合閘；QS3與QS4互鎖，即QS3合閘至變頻位置后，QS4不能合閘；QS4合閘后，QS3不能合閘至變頻位置；QS6與QS7互鎖，即QS6合閘后，QS7不能合閘；QS7合閘后，QS6不能合閘；QS8與QS9互鎖，即QS9合閘至變頻位置后，QS8不能合閘；QS8合閘后，QS9不能合閘至變頻位置；QS2、QS5、QS6互鎖，即QS2合閘后，QS5、QS6不能合閘；QS5合閘后，QS2、QS6不能合閘；QS6合閘后，QS2、QS5不能合閘；QS4、QS5、QS8互鎖，即QS4合閘后，QS5、QS8不能合閘；QS5合閘后，QS4、QS8不能合閘；QS8合閘后，QS4、QS5不能合閘。

4.3.2方案二：A、B泵變頻一拖一，C泵工頻備用方案

A、B泵變頻一拖一,C泵工頻泵備用方案的電氣一次接線如下圖。虛線框內(nèi)設(shè)備,為新增設(shè)備。

方案說明：

這一方案的運(yùn)行方式是A、B兩臺(tái)泵變頻運(yùn)行，C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。

QF1、QF2、QF3、QF4為小車式真空斷路器，QS1~QS2為手動(dòng)隔離刀閘。QF1與QF3互鎖；即QF1合閘后，QF3不能合閘；QF3合閘后，QF1不能合閘；QF2、QF4互鎖；即QF2合閘后，QF4不能合閘；QF4合閘后，QF2不能合閘；QF3、QF4互鎖；即QF3合閘后，QF4不能合閘；QF4合閘后，QF3不能合閘；QS1連鎖QS2，即QS1合閘后，QS2才能合閘至變頻位置。

4.3.3方案比較

變頻二拖三方案（方案一）的優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)行方式方便靈活，ABC每臺(tái)泵都可以變頻運(yùn)行，ABC每臺(tái)泵都可以工頻運(yùn)行，備用泵運(yùn)行時(shí)不影響節(jié)電效果，其缺點(diǎn)是接線與運(yùn)行操作比較復(fù)雜。

A、B泵變頻一拖一，C泵工頻備用方案（方案二）的優(yōu)點(diǎn)是接線簡(jiǎn)單，運(yùn)行操作方便；缺點(diǎn)是備用泵只能工頻運(yùn)行，備用泵運(yùn)行時(shí)影響節(jié)電效果。

經(jīng)比較本工程選擇了方案二。

4.4DCS調(diào)控方案

變頻器通過硬接線方式，將隔離刀閘QS1、QS2、QS3、QS4、QS5、QS6的常開輔助觸點(diǎn)以及變頻運(yùn)行、變頻就緒、運(yùn)行頻率、輸出電流等信號(hào)送到DCS系統(tǒng)，可以在DCS操作畫面上組態(tài)一次原理圖，實(shí)時(shí)顯示各隔離刀閘的狀態(tài)以及變頻器運(yùn)行的狀態(tài)，實(shí)時(shí)顯示ABC泵的變頻運(yùn)行或工頻備用狀態(tài)。

外置潤(rùn)滑油泵、外置工作油泵的起停、每臺(tái)給水泵的工頻啟停、變頻啟停、變頻調(diào)速泵運(yùn)行與液力偶合器調(diào)速泵運(yùn)行的給水自動(dòng)控制與切換均由DCS組態(tài)實(shí)現(xiàn)。

4.5變頻器的選配

根據(jù)給水泵軸功率,給水泵電動(dòng)機(jī)的參數(shù),結(jié)合遼寧調(diào)兵山煤矸石發(fā)電有限公司1、2號(hào)機(jī)組給水泵現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行情況,鑒于東方日立（成都）電控設(shè)備有限公司變頻器在國(guó)內(nèi)給水泵應(yīng)用較多，性能可靠，故選配DHVECTOL-HI05500/06高壓變頻器。其主要技術(shù)參數(shù)如下表:

4.5.1DHVECTOL系列高壓變頻器主要技術(shù)參數(shù)

4.5.2DHVECTOL系列高壓變頻器對(duì)外接口表

DO（開關(guān)量輸出）

AO（模擬量輸出）

DI（開關(guān)量輸入）

AI（模擬量輸入）

注：可以根據(jù)用戶要求進(jìn)行參數(shù)化調(diào)整

4.5.3高壓變頻器外形圖

5節(jié)電效果

遼寧調(diào)兵山煤矸石發(fā)電有限責(zé)任公司，2號(hào)汽輪機(jī)組“工變頻切換型液力偶合器電動(dòng)給水泵節(jié)能系統(tǒng)”改造工程于2014年1月10日開工，3月20日正式投入運(yùn)行。1號(hào)汽輪機(jī)組“工變頻切換型液力偶合器電動(dòng)給水泵節(jié)能系統(tǒng)”改造工程于2014年9月15日開工，10月13日投入運(yùn)行，節(jié)電效果明顯，改造成功。改造后70%負(fù)荷率條件下，與改造前相比電流平均下降90A,平均電流下降率為27%。年平均負(fù)荷率70%運(yùn)行工況下，給水泵變頻調(diào)速運(yùn)行年可節(jié)電0.1169億Kwh,增加上網(wǎng)電量0.1169億kwh，可增加產(chǎn)值484萬元/年（上網(wǎng)電價(jià)為0.414元/千瓦小時(shí)）。

6結(jié)束語(yǔ)

通過遼寧調(diào)兵山煤矸石發(fā)電有限責(zé)任公司，1、2號(hào)汽輪機(jī)組“工變頻切換型液力偶合器電動(dòng)給水泵節(jié)能系統(tǒng)”改造實(shí)踐，證明保持調(diào)速型液力偶合器整體結(jié)構(gòu)、連接方式、控制與冷卻系統(tǒng)不變，進(jìn)行“工變頻切換型液力偶合器電動(dòng)給水泵節(jié)能系統(tǒng)”改造，是調(diào)速型液力偶合器與變頻器機(jī)電聯(lián)合新型高效特種傳動(dòng)節(jié)能新技術(shù)。是300MW汽輪機(jī)組電動(dòng)給水泵頻節(jié)能改造的最佳方案。運(yùn)行實(shí)踐證明節(jié)電是明顯的，效益是可觀的，改造后技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果遠(yuǎn)優(yōu)于汽輪機(jī)改造方式，是應(yīng)該肯定的。這一解決方案也可以應(yīng)用到600MW及以上空冷汽輪機(jī)組的調(diào)速型液力偶合器電動(dòng)給水泵變頻改造中，其節(jié)電效果將更加明顯，效益將更加可觀。

作者簡(jiǎn)介

程榮新（1972）總經(jīng)理，高級(jí)工程師，現(xiàn)就職于遼寧調(diào)兵山煤矸石發(fā)電有限責(zé)任公司。

歷雷（1968）總經(jīng)理、高級(jí)工程師，現(xiàn)就職于遼寧億賽普節(jié)能技術(shù)有限公司。

張文海（1935）總經(jīng)理，教授級(jí)高級(jí)工程師，現(xiàn)就職于長(zhǎng)春時(shí)代機(jī)電新技術(shù)有限公司，專門從事高壓變頻器在發(fā)電廠的應(yīng)用研究。“工變頻切換型液力偶合器電動(dòng)給水泵節(jié)能系統(tǒng)”專利發(fā)明人、專利權(quán)人。