高压变频器在200MW机组电动给水泵中的应用

一、前言

在火力发电厂中，风机和水泵最主要的耗电设备，我国火电机组的平均煤耗为0.4kg/kW·h，比发达国家高(0.07～0.1)kg/kW·h，而厂用电率的高低是影响供电煤耗和发电成本的主要因素之一。国产机组厂用电率偏高的原因主要是辅机电动机在经济运行方面存在问题和差距。

国外火电厂的风机和水泵已纷纷增设调速装置，而目前我国火电厂中给水泵除少量采用汽动给水泵外，基本是液力偶合器调速，下面将详细分析液力偶合器调速系统的性能并与变频调速的性能进行分析对比，从理论上阐述液力偶合器的节能效果和变频调速的节能效果的差别，以及变频器在节能方面的优势，并用实际数据证明节能效果。

二、液力偶合器与变频器性能分析

（一）液力偶合器与变频器效率差别节能分析

无论是液力偶合器还是变频器其工作原理都是改变转速来调整流量的变化，从而满足各种工况的要求，对于水泵来说在某一工况下，其能量获得是相同的，液力偶合器和变频器的能源消耗的差别，就是其节约的电能，其本质就是其效率的差别。

因为水泵的功率特性与流量的的三次方成正比，当发电机负荷变化时，给水泵的流量也随时变化，给水泵的功率按流量三次方降低导致功率变化会很大，甚至低于额定功率的50%，如图1所示，

图1 液力偶合器和变频器的效率曲线

从曲线数据看，液力偶合器调速效率近似等于转速比，转速比越小，调速效率就越低，变频调速通过电力电子整流和脉宽调制逆变技术改变电动机电枢的电压和频率，除本身控制所需很少一部分能量消耗保持不变外，电力电子器件的损耗基本上与输出功率成正比，因此变频调速可以在全转速范围内保持较高效率运行。可见当输出转速降低时，液力偶合器的效率比变频调速的效率下降快得多，因此变频调速的低速特性比液力偶合器要好的多。由于现在200MW机组机组为调峰机组，其负荷的变化达到50%，流量的变化在50%，理论上其功率变化可以到12.5%，考虑到液力偶合器和变频器的效率，变频器比液力偶合器节能是非常可观的，按75%负荷统计，此时的转速下降约72%，从曲线中可以看到此时的变频器的效率要比液力的效率提高23%左右，考虑到变频器本身的损耗将以热量的方式散发掉，最大损耗为3%，实际运行时变频器小于额定功率，损耗小于3%，去掉这部分损耗实际节电率也在20%以上，并且随着电网发电机组备用容量的增加，负荷率在不断下降，这个节电率还有上升空间。

（二）功率因数提高引起有功损耗的降低

电动机在运行中，不但从电网吸取有功，还要从电网吸收无功功率，以保证电动机的可靠励磁，电动机的功率不同，其功率因数也在不断的变化，图2为电动机的功率因数曲线，可以看出，

图2 三相异步电动机的工作特性

在电动机功率下降约70%以后，功率因数急剧下降最低时是在空载时，其功率因数约在0.2左右，按照《节电技术经济效益计算与评价方法》（GB/T 13471-2008），异步电动机运行时，因无功功率使电网增加的有功损耗应计算到异步电动机的功率损耗中无功损耗也是能量消耗，按照无功当量可以将无功损耗折算为有功损耗，液力偶合器由于效率较低，电动机功率变化较大，功率因数变化也较大，变频器调节由于其输出的V与f的比例关系是考虑了电机特性而预先决定的，频率下降时由于交流阻抗变小而直流电阻不变，将造成在低速下产生地转矩有减小的倾向。因此，在低频时给定V/f,要使输出电压提高一些,以便获得一定地起动转矩,这种补偿称增强起动。因此变频器驱动的电动机，可以工作范围内，保持功率因数的基本不变。

（三）变频调速与液力偶合器调速的其他性能比较

变频调速与液力偶合器调速除了节能和功率因数方面的差别外，还在起动性能、运行可靠性、运行维护、调节及控制特性、投资及回 等方面有较大差异。

1、起动性能

对于水泵类负载，由于启动时出口门关闭，其起动电流很小。而且起动的全过程可控，起动点和爬坡时间可设置。而液力偶合器不能直接改善起动性能，起动电流达到额定电流的5-7 倍，是变频起动的20倍以上。直接起动对电动机和电网的冲击相当大，对电动机来说，造成转子鼠笼断条和定子绕组开焊，据统计，约15%的电动机故障由直接起动引起。对于电网来说，直接起动还会造成电网电压短时下降，干扰其它设备运行。

2、调节及控制特性

液力偶合器依靠调节工作腔油量大小改变输出转速，因此响应慢，可能跟不上控制的需要，而变频调速的频率改变速度相当快，完全可以以系统允许的最高速度进行调节。液力偶合器的速度调节精度较低，而变频调速属于数字式控制，其稳频精度达到0.1%以上，因此可以实现精确控制。

三、给水泵组系统方式的技术革新

变频器在电力、化工、钢铁等技术领域广泛应用，一般用于控制、调整风机和水泵等机械设备的转速（功率）可以起到节能的效果，但在火力发电厂电动给水泵领域应用却是空白，一是由于电动给水泵的功率比较大（200MW发电机组一般为5300kW或5500kW），相应国产变频技术尚未成熟；二是由于给水泵入口的水温接近该压力下的饱和温度，工作条件恶劣，很容易发生汽化，为保证给水泵的安全运行，一般都为给水泵配置流量与给水泵相匹配的低速前置泵。传统方式的系统布置为前置泵与主泵是同轴布置，主泵经液力偶合器增速后将水压提高到工作压力，前置泵和电动机同轴布置，如果电动机变频时，当频率低于50HZ时，前置泵的转速会随着电机转速降低而降低，由于离心泵的扬程与转数的二次方成正比，因此前置泵的出口压力也会降低，当前置泵转数降到额定转速的85%左右时，出口压力将无法满足主泵入口的必需汽蚀余量，导致主泵叶轮发生汽蚀，最终影响给水泵的安全运行。为了保证前置泵起到良好的抗汽蚀性能，前置泵要求定速运行，因此不能与给水泵进行同步调速。

1、将前置泵与主给水泵分离，由独立工频电动机控制，解决了同轴前置泵变频调节时前置泵不能满足给水泵必须汽蚀余量的问题。

2、给水泵电动机同步转速为1500r/min，而给水泵的工作转速在5294r/min，工频电机是靠液力偶合器进行增速和调节，变频改造后不需要液力偶合器调速，为了保证给水泵的转速，采用一个增速齿轮组，将1500r/min的转速直接增至5400r/min，利用变频器进行向下调节，保证给水泵各种工况要求，可以以系统允许的最高速度进行调节，实现精确控制。同时增速齿轮箱替代液力偶合器，使得设备结构简单，方便检修维护，同时初投资、维护费用和检修成本都大大降低。

3、传统的液力偶合器的调节方式电机及泵组轴承的润滑油由位于偶合器内的工作油泵（辅助油泵）统一供给；采用增速齿轮箱后，为解决增速齿轮箱、给水泵组及电机轴瓦润滑问题，设置了独立的稀油站提供润滑油，同时配备了润滑油冷却系统。供油泵采用两套齿轮油泵供给，一工一备自动联锁的运行。

4、由于前置泵采用了独立工频电动机控制，给水泵组的功率消耗就相应减少（200MW机组100%全容量电动给水泵前置泵电机配备电机为270KW），同时根据机组的需求对给水泵组的参数进行优化，选用4700KW电机是完全可以满足机组运行参数的。

四、实测节能比较

为了验证6号机1号给水泵在变频改造后的节能情况、改造后给水泵效率、扬程是否达到设计要求及与采用液力偶合器调速给水泵相比节电情况，吉林省电力科学研究院有限公司在2010年9月3日至9月6日期间对6号机1号给水泵进行性能试验，与之相对应的机组进行比较，具体数据如下：

表1 变频调速给水泵与液力偶合器调速给水泵日消耗电量比较表

变频调速给水泵与液力偶合器调速给水泵日消耗电量比较表

为比较6号机1号给水泵节电效果，6号机变调速给水泵与5号机液力调速给水泵日耗电量进行了统计，统计期间5、6 号机日平均负荷率基本相同，平均负荷率为74.3％左右，从表中可知，变频调速给水泵比液力调速给水泵日均节约电量16440 千瓦时，与液力调速给水泵相比节电20.1％。1千瓦时电量按0.3627元计算，日均节约资金5963元；按机组年运行6700小时（2009 年5号机组运行小时平均值）计算，全年节约资金166.5万。变频调速给水泵改造投资为631万元，预计3.79年内可收回改造投资。可见，变频调速给水泵虽初投资较多，但其节电效果比较显著，投资回收较快，具有很好的应用价值。

五、 结束语

通过上述对高压变频器和液力偶合器的优缺点的分析，及其在风机水泵在调速节能运行应用中的比较，不难得出这样的结论:高压变频器在技术经济等方面都是优越的、先进的。它和液力偶合器相比，不仅技术先进，而且经济合理，同时，采用增速齿轮箱替代液力偶合器，使得设备结构简单，方便检修维护，同时初投资、维护费用和检修成本都大大降低。尽管高压变频器的初期投资远高于液力偶合器，但它的综合经济效益优于液力偶合器，它不仅是风机水泵调速节能运行的发展方向，而且也符合目前国家节能减排政策的要求，是应当大力推广的先进技术。