摘要：本文介紹了“工變頻切換型液力偶合器電動給水泵節能系統”的應用，針對日本荏原調速型液力偶合器變頻調速改造及變頻二拖三解決方案與節電效果做了介紹。

關鍵詞：工變頻切換,液力偶合器,電動給水泵

1引言

遼寧調兵山煤矸石發電有限責任公司，位于遼寧省調兵山市境內。1、2號機組為300MW汽輪發電機組，每臺機組給水泵設計為3×50%額定容量電動給水泵組，電動機（YKS800-45200kW6kV564A）同軸驅動前置泵（YNKN300/200-20j），通過液力偶合器（日本荏原GCH104A-47）驅動給水泵（CHTC5/6SP）調節給水泵轉速。給水泵耗電量占發電量的3%，占發電廠用電量的29%。機組投產以后，給水泵耗電量一直高于同型機組，降低給水泵耗電量,成了生產技術管理的主要課題。曾研究過將調速型液力偶合器調速，改為汽輪機調速，經技術經濟比較與借鑒同型機組改造后的技術經濟得失，汽輪機調速改造投資成本高，綜合節能效果不佳，廠用電率雖有降低，但供電煤耗明顯升高，得不償失。通過學習大唐集團公司所屬同型電廠變頻改造經驗，由遼寧調兵山煤矸石發電有限責任公司負責技術把關，遼寧億賽普節能技術有限公司負責投資并進行合同能源管理，選用長春時代機電新技術有限公司，“液力偶合器泵輪調速法”、“工變頻切換型液力偶合器電動給水泵節能系統”專利技術，配套東方日立（成都）電控設備有限公司變頻器產品，對#1、2機組AB電動給水泵，進行了“工變頻切換型液力偶合器電動給水泵節能系統”改造。#2機組于2014年3月投運，#1機組于2014年10月投運，投運后節電效果明顯，經測試70%負荷率，年可節電1169萬Kwh,增加上網電量1169萬kwh，年可增加產值484萬元。

2電動給水泵組改造前技術狀況

遼寧調兵山煤矸石發電有限責任公司1、2號機組為300MW汽輪發電機組。每臺機組配有三臺50%容量的電動給水泵組，給水泵電動機定速運行，電動機一端同軸驅動定速運行前置泵，電動機另一端同軸驅動調速型液力偶合器輸入軸，液力偶合器輸出軸驅動給水泵，調速型液力偶合器的作用是增速與調速，正常運行方式是兩運一備。其原始技術參數和生產技術指標如下：

2.1技術參數

2.1.1電動機參數

2.1.2給水泵參數及其特性曲線

2.1.3前置泵參數及其特性曲線

2.1.4液力耦合器參數及其效率特性曲線

2.1.5日本荏原GCH104A-47調速型液力偶合器剖面圖及油路系統圖

2.2.4#2機組年不同負荷工況下主要運行參數

3改造的必要性

3.1液力偶合器驅動調速的電動給水泵的節電潛力

液力偶合器驅動調速的電動給水泵的節電潛力是很大的。其原因是按設計技術規范進行設計時，鍋爐機組的最大連續蒸發量是按汽輪機組的最大進汽量的1.05倍設計計算，給水泵的最大流量則按鍋爐最大連續蒸發量的1.05倍設計計算，液力偶合器是按給水泵最大流量配套的，這樣一來，機組投產后，即便在額定工況運行，給水泵液力偶合器已經偏離額定工況10%左右。更有甚者遼寧調兵山煤矸石發電有限責任公司設計配套的調速型液力偶合器額定轉速(5390r/min)高于給水泵額定轉速（5130r/min）5%，即便給水泵額定轉速運行也已偏離調速型液力偶合器額定轉速5%，其效率降低近5%。1、2號機組年平均負荷率分別為72.8%、71.2%，由于負荷率較低一號機組給水泵液力偶會器勺管最大平均開度為54.45%，最小開度為38.05%，二號機組給水泵液力偶會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為其額定（5390r/min）工況點，偏離額定工況效率明顯降低，這是調速型液力偶合器的最大弊端，1、2號機組液力偶會器實際運行效率分別為51%～36%、44%～35%。分別較額定工況點效率降低43%～58%、47%～57%，可見1、2號機組給水泵節電空間是很大的，進行變頻節能改造是非常必要的。

3.2液力偶合器泵輪（變頻）調速與液力偶合器容積調速效率比較

4“工變頻切換型液力偶合器電動給水泵節能系統”

“工變頻切換型液力偶合器電動給水泵節能系統”（ZL201220506992.1）是火力發電廠電動給水泵機電聯合新型高效特種傳動節能新技術。其具體改造方案是：

4.1將調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，應用液力偶合器泵論調速法（ZL201110341984.6）對液力偶合器內部結構和系統進行改造，使同一臺液力偶合器具有工頻定速輸入時是調速型液力偶合器；變頻調速輸入時是增速齒輪箱兩種運行方式，且兩種運行方式可以切換運行的工變頻切換型液力偶合器。具體改造方法是，調速型液力偶合器連接方式、主體結構、控制與冷卻方式不變，解除輸入軸驅動的潤滑油泵與工作油泵供油方式，在潤滑油冷油器入口設置一臺外置潤滑油泵，原電動輔助油泵做備用。在工作油入口設置兩臺外置工作油泵，一運一備。工變頻切換型液力偶合器油路系統見圖3

圖3工變頻切換型液力偶合器油路系統

實現這一改造后，液力偶合器具有了兩種運行方式，一是工頻運行時以勺管進行調節的液力偶合器的調速運行方式（這是原來就有的容積調速方式），二是變頻調速運行時通過電動機的變頻調速，實現液力偶合器輸入軸變頻調速，實現增速齒輪組變頻調速，實現泵輪變頻調速，勺管保持100%開度，泵輪與渦輪工作油腔內充液量最大，渦輪與泵輪相對固定，起聯軸器作用，實現渦輪變頻調速，進而實現液力偶合器輸出軸變頻調速。這就實現了液力偶合器的增速齒輪箱運行方式（這是改造后新增的泵輪調速方式），兩種運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給水泵的三臺液力偶合器都改造成工變頻切換型液力偶合器，增加兩臺與給水泵電動機配套的高壓變頻器和相應的隔離開關，就可以實現ABC給水泵，通過切換的變頻二拖三方案了。實現通過切換(偶合器調速方式也隨之相應切換)的變頻二拖三運行方式。既便于給水泵的定期切換運行，又便于互相備用。正常運行方式為兩臺變頻調速泵運行，調速型液力偶合器調速泵備用。

工變頻切換型液力偶合器的創新點是：

（1）同一臺液力偶合器，具有工頻定速輸入容積調速時，是調速型液力偶合器運行方式；變頻調速輸入泵輪調速時，是增速齒輪箱運行方式，兩種運行方式可以切換運行，一運一備互為備用的新型特種傳動新技術。

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

（3）應用泵輪調速法變頻調速范圍內，液力偶合器始終保持恒高效不變。

（4）適應兩種原動機驅動方式，即工頻定速驅動和變頻調速驅動，兩種驅動方式可以相互切換。工頻定速驅動對應于調速型液力偶合器，變頻調速驅動對應于增速齒輪箱。

（5）泵輪調速是通過改變變頻器輸出頻率從而改變電動機轉速實現的。其綜合效率等于變頻器效率與調速型液力偶合器最高效率之積，輸出轉速相同時的綜合效率與容積調速效率之差，即是節電率，輸出轉速小于等于額定轉速75%時，節電率可達20%左右。

（6）滿載運行時，宜采用工頻定速輸入（容積調速）調速型液力偶會器方式運行；負荷率在90%及以下運行時，宜采用變頻調速輸入（泵論調速）增速齒輪箱運行方式運行。

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，為保證不發生汽蝕,設置了低速前置泵。給水先通過前置泵升高壓力后，再進入給水泵。這樣就使給水泵入口的壓力大于給水溫度所對應的汽化壓力，避免了給水泵的汽蝕。前置泵是在1490r/min下，定速運行的。給水泵組進行“工變頻調速型液力偶合器電動給水泵”改造后，前置泵如何運行，是繼續保持定速運行，還是由給水泵電動機同軸驅動變速運行，成了必需解決的技術關鍵。

4.2.1定速運行方式不變方案

運行中的300MW機組電動給水泵的前置泵是定速運行的。給水泵改為工變頻切換型液力偶合器電動給水泵后，前置泵定速運行方式不變，顯然是可行的。但問題是要將前置泵與給水泵電動機脫開，配備單獨電動機直接驅動，需要設計前置泵電動機基礎，配備一臺高壓電動機、一面高壓開關柜、相應的電力電纜及控制電纜，這一方案造價較高，定速運行耗電量也高，現場條件亦不完全具備，因此定速運行方式是不可取的。

4.2.2前置泵由給水泵電動機同軸驅動工變頻運行方案。

原有前置泵不動，由給水泵電動機同軸驅動定變速運行，即工頻運行時定速運行，變頻運行時變速運行，是最方便最節省的方案。既能節省改造投資，又能降低前置泵耗電量，是適應“工變頻切換型液力偶合器電動給水泵”改造的最佳方案。實現該方案的充要條件是NPSHa>NPSHr，即無論轉速高低，始終保持有效汽蝕余量大于必需汽蝕余量。這是長春時代機電新技術有限公司最新研究成果（ZL201220506992.1），是由東方日立（成都）電控設備有限公司變頻器同步控制實現的。已被工程實踐證明是安全可靠、經濟適用的。

4.2.3GCH104A-47工變頻切換型液力偶合器變頻運行

前置泵與給水泵相關運行參數計算值

說明：百分比是前置泵百分比，括號內為給水泵百分比，因調速型液力偶合器額定轉速高于給水泵額定轉速5%，故保持調速型液力偶合器高效運行時，給水泵轉速提高了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。虛線框內設備,為實現變頻二拖三方案增加的設備

方案說明：

這一方案的運行方式是靈活的，A、B、C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A、B泵變頻運行，C泵工頻備用,變頻運行泵故障跳閘時，連鎖啟動工頻備用泵。

QF1、QF2、QF3、QF4為小車式真空斷路器，QS1~QS9為手動隔離刀閘。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。虛線框內設備,為新增設備。

方案說明：

這一方案的運行方式是A、B兩臺泵變頻運行，C泵工頻備用，變頻運行泵故障跳閘時，連鎖啟動工頻備用泵。

QF1、QF2、QF3、QF4為小車式真空斷路器，QS1~QS2為手動隔離刀閘。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）的優點是運行方式方便靈活，ABC每臺泵都可以變頻運行，ABC每臺泵都可以工頻運行，備用泵運行時不影響節電效果，其缺點是接線與運行操作比較復雜。

A、B泵變頻一拖一，C泵工頻備用方案（方案二）的優點是接線簡單，運行操作方便；缺點是備用泵只能工頻運行，備用泵運行時影響節電效果。

經比較本工程選擇了方案二。

4.4DCS調控方案

變頻器通過硬接線方式，將隔離刀閘QS1、QS2、QS3、QS4、QS5、QS6的常開輔助觸點以及變頻運行、變頻就緒、運行頻率、輸出電流等信號送到DCS系統，可以在DCS操作畫面上組態一次原理圖，實時顯示各隔離刀閘的狀態以及變頻器運行的狀態，實時顯示ABC泵的變頻運行或工頻備用狀態。

外置潤滑油泵、外置工作油泵的起停、每臺給水泵的工頻啟停、變頻啟停、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組態實現。

4.5變頻器的選配

根據給水泵軸功率,給水泵電動機的參數,結合遼寧調兵山煤矸石發電有限公司1、2號機組給水泵現場實際運行情況,鑒于東方日立（成都）電控設備有限公司變頻器在國內給水泵應用較多，性能可靠，故選配DHVECTOL-HI05500/06高壓變頻器。其主要技術參數如下表:

4.5.1DHVECTOL系列高壓變頻器主要技術參數

4.5.2DHVECTOL系列高壓變頻器對外接口表

DO（開關量輸出）

AO（模擬量輸出）

DI（開關量輸入）

AI（模擬量輸入）

注：可以根據用戶要求進行參數化調整

4.5.3高壓變頻器外形圖

5節電效果

遼寧調兵山煤矸石發電有限責任公司，2號汽輪機組“工變頻切換型液力偶合器電動給水泵節能系統”改造工程于2014年1月10日開工，3月20日正式投入運行。1號汽輪機組“工變頻切換型液力偶合器電動給水泵節能系統”改造工程于2014年9月15日開工，10月13日投入運行，節電效果明顯，改造成功。改造后70%負荷率條件下，與改造前相比電流平均下降90A,平均電流下降率為27%。年平均負荷率70%運行工況下，給水泵變頻調速運行年可節電0.1169億Kwh,增加上網電量0.1169億kwh，可增加產值484萬元/年（上網電價為0.414元/千瓦小時）。

6結束語

通過遼寧調兵山煤矸石發電有限責任公司，1、2號汽輪機組“工變頻切換型液力偶合器電動給水泵節能系統”改造實踐，證明保持調速型液力偶合器整體結構、連接方式、控制與冷卻系統不變，進行“工變頻切換型液力偶合器電動給水泵節能系統”改造，是調速型液力偶合器與變頻器機電聯合新型高效特種傳動節能新技術。是300MW汽輪機組電動給水泵頻節能改造的最佳方案。運行實踐證明節電是明顯的，效益是可觀的，改造后技術經濟效果遠優于汽輪機改造方式，是應該肯定的。這一解決方案也可以應用到600MW及以上空冷汽輪機組的調速型液力偶合器電動給水泵變頻改造中，其節電效果將更加明顯，效益將更加可觀。

作者簡介

程榮新（1972）總經理，高級工程師，現就職于遼寧調兵山煤矸石發電有限責任公司。

歷雷（1968）總經理、高級工程師，現就職于遼寧億賽普節能技術有限公司。

張文海（1935）總經理，教授級高級工程師，現就職于長春時代機電新技術有限公司，專門從事高壓變頻器在發電廠的應用研究。“工變頻切換型液力偶合器電動給水泵節能系統”專利發明人、專利權人。