山东电力工程咨询院有限公司 山东济南 250013
摘要：本文以西北地区某660MW等级直接空冷机组为例，对电动给水泵调速行星齿轮改造方案进行了详细论述，与电动给水泵变频改造进行了对比分析。鉴于两种改造方案初投资差距不大，从整个全寿期和可靠性方面考虑，推荐660MW等级电动给水泵采用调速行星齿轮方案进行节能改造。
关键词：电动给水泵改造；调速行星齿轮；变频
0 引言
节能环保始终是电力企业发展需要关注的重要课题，在保证机组运行可靠的前提下，如何进一步减少厂用电率将成为电厂管理人员十分关注的问题。
国内空冷火力发电厂锅炉给水泵通常配置3台35%或50%容量的电动给水泵，电动给水泵通常会采用液力耦合器作为转速调节装置。作为发电厂的“心脏”，电动给水泵耗电巨大，据资料统计，一般空冷机组电动给水泵厂用电约为2.5%～3%。
近年来，随着电网容量的不断增加，用电峰谷差也逐步增大，需要机组调峰幅度相应增加，各电厂的平均负荷率在65%～75%之间。作为全厂最大辅机设备的给水泵，虽然配置有液力耦合器调速，但液耦效率在固定输入转速下随着给水泵输出转速的降低而降低，且液力耦合器长期偏离最佳工况点，给水泵组的效率偏低，约在55%～70%，导致给水泵耗电率一直居高不下，直接影响到全厂经济技术指标和节能效益。
因此，有必要对电动给水泵的调速方式进行改造，以提高给水泵的效率，降低厂用电。
1 机组介绍及存在的问题
拟改造电厂装机容量为2X660MW，为西北地区某超临界燃煤直接空冷汽轮发电机组。
汽轮机型号为：NZK660-24.2/566/566；型式为：超临界、一次中间再热、三缸四排汽、单轴、直接空冷凝汽式汽轮机；该机组额定出力660MW；最大连续出力为711.9MW。该汽轮机采用复合变压运行方式，汽轮机具有七级非调整回热抽汽。
给水系统配三台35%电动调速给水泵，调速装置为增速型液力耦合器调速，电动机铭牌功率11000KW，液力耦合器主要参数如下表：
液力耦合器驱动调速的电动给水泵的节电潜力是很大的。其原因是按设计技术规范进行设计时，锅炉机组的最大连续蒸发量是按汽轮机组的最大进汽量的1.05倍计算的，给水泵的最大流量是按锅炉最大连续蒸发量的1.05倍计算的，液力耦合器是按给水泵最大流量配套的，这样一来，机组投产后，即便在额定工况运行，给水泵液力偶会器已经偏离额定工况10%左右，
近年来，火电机组年平均负荷率一般在65%～75%。液力耦合器最高效率点为其额定工况点，偏离额定工况效率明显降低，这是液力偶会器的最大弊端，效率低，损耗大，运行中经常出现油温过高等异常情况。
目前300MW及以下机组电泵，电动机功率偏小，节能改造通常采用变频调速方式进行改造，变频改造厂家主要包括：上海电力修造总厂有限公司，东方日立（成都）电控设备有限公司，西门子（中国）有限公司等，改造业绩众多，节电效果明显[1,2]。660MW等级的机组电动给水泵，50%容量给水泵功率一般在14000kW左右，35%容量给水泵功率一般在11000kW左右，电动机功率比较大，变频器价格偏高，目前改造业绩偏少。
除变频调速改造外，采用调速行星齿轮代替液耦也是一种潜在可行的改造方式，本文主要介绍行星齿轮调速改造方案，以供同类型机组电泵节能改造参考。
2 调速行星齿轮原理介绍
调速行星齿轮在机械调速领域为技术最为先进的设备之一，可以说液力耦合器的升级版，结构图如图1所示，调速行星齿轮具有以下特点：
1）由一个可调节之液力变扭器、一个固定的行星齿轮和一个旋转行星齿轮组成；
2）通过液力变扭器来调节转速；
3）通过动力传递之里最后矢量叠加原理而获得高效率；
4）调速范围：60%～100%。
根据电厂实际运行的结果来看，电动给水泵转速通常在70%以上，相对应转速在3500rpm以上。所以调速行星齿轮最低输出转速远低于机组最低负荷时给水泵转速的要求，不存在调试范围过窄的问题。调速行星齿轮可以在启动、停机、及所有负荷点下正常运行。
采用调速行星齿轮可以大幅提高给水泵在不同工况下的运行效率，且效率稳定，在50%负荷以上都可以处于高效运行区域。液力耦合器与调速行星齿轮二者的效率对比见图2。
3 调速行星齿轮改造节能效果
本工程给水系统配三台35%电动调速给水泵，为保证节能效果及实际运行时调节的灵活性、可靠性，本次改造考虑在在每台机组的三台给水泵上同时实施。给水泵运行模式：负荷≥75%三台泵同时运行，负荷低于70%，只运行2台泵。
以泵A为例，整个节电效果如表1所示：
从上表可以看出，泵负荷在60%-95%范围内，调速行星齿轮的效率维持在90%以上，最高达到95.1%，远远高于原液耦效率；负荷越低，节电效果越明显。
4 调速行星齿轮改造特点
4.1 设计寿命
调速行星齿轮和常规液力耦合器设计寿命较长，一般均大于30年以上，而变频器的设计寿命只有11年，在电厂的整个运行周期内，必须对整个变频器进行2-3次的更换，需要额外增加投资。
4.2 运行、维护条件
调速行星齿轮对运行环境要求不高，在热、冷、粉尘或存在爆炸危险的恶劣运行环境下均可安全运行；变频器对环境条件要求较高，需设置独立的变频间，保障恒温、恒湿、少尘等条件。
调速行星齿轮和常规液力耦合器检修维护工作量小，主要是润滑系统需要日常维护，特别是调速行星齿轮更加紧凑，采用了集成润滑油系统，维护工作量更小；调速行星齿轮在投产后10年内基本没有维保费用，10年后大修费用大约为80万元。
4.3 运行可靠性
常规液力耦合器在电厂中大量运用，技术成熟可靠，故障率低，调速行星齿轮作为常规液力耦合器的进一步技术发展，延续了其可靠性高的优点；该调速行星齿轮的技术目前是全球最为先进的调速技术，而且在未来几十年内也不会落后。而变频器在变负荷工况时可能带来谐波冲击，如处理不当，有可能影响给水泵组的安全运行，进而影响机组的安全运行，因此调速行星齿轮和常规液力耦合器在运行可靠性方面更优。变频器的故障率相比调速行星齿轮的故障率要高出8倍，整个驱动链的效率2者相当。相对节能来讲，机组的安全可靠运行更为重要。
4.4 改造场地、基础、空间方面
行星齿轮外形尺寸较液力耦合器偏大，导致泵组基础轴向尺寸增加约1.5m，所以原基础不能利用，需要重新设计泵组基础。基础位置的变动，也相应导致高压给水、中低压给水管道、检修吊轨等的改变。因此在改造前要仔细核实现场是否具有改造条件。
对变频改造而言，场地不需要限制，不用动原有基础，现场空间能够满足实际工程，需要增设单独变频器室。
4.5 节能效果分析
采用调速行星齿轮可以大幅提高给水泵在不同工况下的运行效率，且效率稳定，在50%负荷以上都可以处于高效运行区域（90%～95%）。变频改造考虑各部件效率后(变频效率94～97%，齿轮箱效率99%，润滑油效率99%等)，变频效率整体保持在92%～95%。两者节电效果接近。
4.6 投资比较
对于本机组35%电动调速给水泵，变频改造费用每台给水泵造价约1000万元，调速行星齿轮改造费用每台给水泵造价约1250万元。两者投资回收期均在6年左右。
5 结论
本文对660MW等级直接空冷机组电动给水泵节能改造必要性进行了详细分析，对调速行星齿轮改造方案进行了重点论述，得到以下结论及建议：调速行星齿轮方案节能效果显著，其运行维护条件好，故障率低，使用寿命长等特点明显优于变频改造方案，虽然初期造价比变频改造方案偏高，但从整个全寿期和可靠性方面考虑，推荐660MW等级直接空冷机组电动给水泵采用调速行星齿轮方案进行节能改造。
参考文献
[1] 韩靖. 电动给水泵变频改造与节能分析 中国科技纵横，2015.4
[2] 马洪波 220MW机组电动给水泵变频改造及节能分析 华北电力技术，2014.2
论文作者:刘刚
论文发表刊物:《当代电力文化》2019年第07期
论文发表时间:2019/8/15
标签：行星论文; 齿轮论文; 给水泵论文; 耦合器论文; 机组论文; 效率论文; 液力论文; 《当代电力文化》2019年第07期论文;