電動(dòng)給水泵行星齒輪改造節(jié)能分析

( 中國電建集團(tuán)河北省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，河北 石家莊 050031)

0 引言

《2018年能源工作指導(dǎo)意見》明確指出“加強(qiáng)能源系統(tǒng)整體優(yōu)化，提升能源系統(tǒng)協(xié)調(diào)性和整體效率。燃煤電廠平均供電煤耗同比減少1克左右”。

空冷機(jī)組給水系統(tǒng)設(shè)置液偶調(diào)速電動(dòng)給水泵，電動(dòng)給水泵具有響應(yīng)速度快、運(yùn)行穩(wěn)定、可靠性高、不受外部環(huán)境變化影響等特點(diǎn)[1]，但是電動(dòng)給水泵是電廠運(yùn)行中主要的耗電設(shè)備，其廠用電占比約為25%，對(duì)全廠的供電煤耗影響很大，尤其是長(zhǎng)期在低負(fù)荷工況運(yùn)行，采用液力偶合器調(diào)速能耗損失更大，轉(zhuǎn)換效率低，經(jīng)濟(jì)性比較差。因此，為落實(shí)國家節(jié)能減排政策，提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，有必要對(duì)電動(dòng)給水泵進(jìn)行改造。

1 工程概況

國華某電廠二期2×660 MW空冷燃煤機(jī)組，給水系統(tǒng)設(shè)置3臺(tái)35%容量的液偶調(diào)速電動(dòng)給水泵。電動(dòng)給水主泵與前置泵不考慮交叉運(yùn)行，機(jī)組正常工況下3臺(tái)電動(dòng)給水泵同時(shí)運(yùn)行，能夠保證機(jī)組滿負(fù)荷，還可以滿足空冷機(jī)組因氣候變化引起的負(fù)荷波動(dòng)。設(shè)備利用率高、可靠性強(qiáng)，調(diào)節(jié)靈活，有利于機(jī)組調(diào)峰。當(dāng)單臺(tái)電動(dòng)給水泵故障時(shí)，另外2臺(tái)電動(dòng)給水泵可滿足機(jī)組70%左右額定負(fù)荷運(yùn)行。液力偶合器采用日本某制造廠產(chǎn)品，額定工況設(shè)計(jì)效率為94%。

2 實(shí)際運(yùn)行存在問題

電動(dòng)給水泵容量按照鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量 (boiler maximum continue rate，BMCR)工況對(duì)應(yīng)的給水量進(jìn)行設(shè)計(jì)，按照規(guī)范要求，需要額外考慮10%的余量。液力偶合器是按照給水泵的流量配套選型，當(dāng)機(jī)組在額定工況下運(yùn)行時(shí)，給水泵液力偶合器已經(jīng)偏離額定工況10%，機(jī)組負(fù)荷率越低，液力偶合器的效率衰減越嚴(yán)重，液力偶合器效率越低，能耗越大，工作油溫度越高，運(yùn)行中經(jīng)常出現(xiàn)勺管卡澀、油質(zhì)顆粒度超標(biāo)、軸承供油管振動(dòng)大、漏油、聯(lián)軸器螺栓斷裂等異常情況。從電廠提供的性能試驗(yàn)報(bào)告可以看出，3號(hào)機(jī)組實(shí)際的供電煤耗 314.68 g/(kW·h)，4號(hào)機(jī)組供電煤耗314.67 g/(kW·h)，距離國華集團(tuán)要求的310 g/(kW·h)還有一定的差距，其主要原因是機(jī)組在低負(fù)荷運(yùn)行的時(shí)間較長(zhǎng)，液力偶合器調(diào)速電動(dòng)給水泵的效率較低，能耗較大。

3 改造方案

目前，國內(nèi)660 MW級(jí)機(jī)組給水泵調(diào)速方案主要有四種，即給水泵汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)調(diào)速、傳統(tǒng)液力偶合器調(diào)速、高效調(diào)速行星齒輪調(diào)速及電動(dòng)機(jī)變頻器調(diào)速。

空冷機(jī)組采用汽動(dòng)給水泵的方案需要經(jīng)過較為全面的技術(shù)論證方可實(shí)施，目前國內(nèi)新建空冷機(jī)組配備汽動(dòng)給水泵的方案較少，空冷機(jī)組改造給水泵汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)調(diào)速的項(xiàng)目則更少[2]。如機(jī)組采用空冷方式，給水泵汽輪機(jī)受環(huán)境溫度影響比較大，不利于給水系統(tǒng)的運(yùn)行調(diào)節(jié)；如采用濕冷方式，違背了電廠采用空冷機(jī)組降低水耗的理念。因此，針對(duì)空冷機(jī)組給水系統(tǒng)電動(dòng)給水泵采用液偶調(diào)速方案存在的實(shí)際問題，本文給出行星齒輪和變頻調(diào)速改造的方案并進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較。

3.1 行星齒輪方案

調(diào)速行星齒輪由一個(gè)可調(diào)節(jié)液力變扭器、一個(gè)旋轉(zhuǎn)行星齒輪，一套平行軸增速齒輪組成，通過液力變扭器實(shí)現(xiàn)動(dòng)力傳遞和力的矢量疊加，達(dá)到轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)目的和獲得較高的效率，其調(diào)節(jié)范圍為65%～100%。

采用調(diào)速行星齒輪可以大幅提高給水泵在不同工況下的運(yùn)行效率，且效率穩(wěn)定。圖1為國華某電廠改造前后液力偶合器與調(diào)速行星齒輪效率對(duì)比圖，從圖1中可以看出，機(jī)組低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，調(diào)速行星齒輪都具有很高的效率，尤其在50%負(fù)荷以上，設(shè)備都可以處于高效運(yùn)行區(qū)域，效率均在90%以上。

調(diào)速行星齒輪除效率高以外，壽命也較長(zhǎng)，一般大于30年，而且在冷、熱、粉塵等苛刻條件下均能安全運(yùn)行，對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性較強(qiáng)，技術(shù)比較成熟，故障率較低。

3.2 變頻調(diào)速方案

針對(duì)原有電動(dòng)給水泵液偶調(diào)速方式，現(xiàn)有三種可實(shí)現(xiàn)的變頻改造方案，方案一是將液力偶合器整體替換為增速齒輪箱，實(shí)現(xiàn)調(diào)速功能，此方案需要拆除原液力偶合器裝置，重新按照功率和轉(zhuǎn)速選標(biāo)配增速齒輪箱和相應(yīng)的油站，此方案只能實(shí)現(xiàn)變頻一拖一方式，無法實(shí)現(xiàn)工變頻切換，可靠性較差。方案二是保留液力偶合器的基礎(chǔ)和外形，掏空內(nèi)腔，重新選配增速齒輪箱，該方案運(yùn)行方式同方案一，但不需要更換設(shè)備基礎(chǔ)，此方案屬于非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)制造，同樣存在只能實(shí)現(xiàn)變頻一拖一的缺陷。方案三是將液力偶合器改造為工變頻切換型的液力偶合器，保持液力偶合器的連接方式和狀態(tài)結(jié)構(gòu)不變，只將偶合器勺管拉滿，變頻時(shí)，勺管固定在100%的位置，把偶合器當(dāng)作齒輪箱使用。這種方式對(duì)原有改造最小，可靠性較高，缺點(diǎn)是節(jié)能效果降低，尤其是在高負(fù)荷區(qū)間，沒有明顯的節(jié)能效果。

綜上，對(duì)于3×35%容量配置方式，方案一和方案二，電機(jī)均不能工頻運(yùn)行，一旦變頻故障，將造成該泵停運(yùn)，直接影響生產(chǎn)；從運(yùn)行可靠性考慮，方案三比較適合本電廠的變頻改造。

變頻調(diào)速方案中變頻器壽命只有10年左右，大部分的電器元件在5年以后出現(xiàn)不同程度的老化問題，在整個(gè)電廠運(yùn)行期內(nèi)需要更換2～3次，故障率相對(duì)較高。此外，變頻器對(duì)環(huán)境條件要求較高，需要設(shè)置獨(dú)立的變頻間，保障恒溫、恒濕、少塵等條件。

3.3 改造方案對(duì)比

根據(jù)電廠提供的運(yùn)行數(shù)據(jù)，年利用小時(shí)數(shù)按照5 000 h考慮進(jìn)行負(fù)荷率分配計(jì)算，部分負(fù)荷兩臺(tái)泵運(yùn)行時(shí)，行星齒輪改造后的節(jié)能計(jì)算見表1，變頻調(diào)速方案見表2。

機(jī)組容量為455 MW時(shí)，只開兩臺(tái)電泵計(jì)算，一年所節(jié)約的總電量為1.253×107kW·h，按照上網(wǎng)電價(jià)為0.36元/kW·h計(jì)算，全廠年節(jié)約451萬元；機(jī)組容量為345 MW時(shí)，只開兩臺(tái)電泵計(jì)算，一年所節(jié)約的總電量為1.103×107kW·h，按照上網(wǎng)電價(jià)為0.36元/kW·h計(jì)算，全廠年節(jié)約397萬元。

表1 行星齒輪方案兩臺(tái)給水泵同時(shí)運(yùn)行節(jié)能計(jì)算

表2 變頻調(diào)速方案兩臺(tái)給水泵同時(shí)運(yùn)行節(jié)能計(jì)算

機(jī)組容量為455 MW時(shí)，只開兩臺(tái)電泵計(jì)算，一年所節(jié)約的總電量為5.451×106kW·h，按照上網(wǎng)電價(jià)為0.36元/kW·h計(jì)算，全廠年節(jié)約196萬元；機(jī)組容量為345 MW時(shí)，只開兩臺(tái)電泵計(jì)算，一年所節(jié)約的總電量為1.053×107kW·h，按照上網(wǎng)電價(jià)為0.36元/kW·h計(jì)算，全廠年節(jié)約379萬元。

4 結(jié)論

調(diào)速行星齒輪與變頻改造方案相比，效率高、維護(hù)條件好、故障率低、使用壽命長(zhǎng)、節(jié)能效果好、對(duì)現(xiàn)有空間布置影響最小。

年利用小時(shí)數(shù)按5 000 h計(jì)算時(shí)，機(jī)組容量為455 MW時(shí)，只開兩臺(tái)電泵計(jì)算，行星齒輪方案多收益255萬元；機(jī)組容量為345 MW時(shí)，只開兩臺(tái)電泵計(jì)算，行星齒輪方案多收益18萬元，經(jīng)濟(jì)性較好。由此可見，機(jī)組低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，采用行星齒輪改造方案要優(yōu)于液偶調(diào)速方案。