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1、 变频调速型液力偶合器电动给水泵在200MW汽轮机组上的应用App;ication of Variable Frequency Speed Regulating Hydraulic Coupling ElectricFeed Water Pump on 200MW Steam Turbine Set摘 要：本文对变频调速型液力偶合器调速效率和液力偶合器调速效率进行了比较, 对变频调速型液力偶合器电动给水泵变频一拖二改造方案和节电效果做了介绍。Abstract: This paper compares the regulating efficiencies between variable fr
2、equency speed regulating hydraulic coupling and ordinary hydraulic coupling. Also introduces the variable frequency “one driving two reform scheme”of variable frequency speed regulating hydraulic coupling on electric feed water pump and its power saving effect.关键词：变频调速型 液力偶合器 电动给水泵Keywords: Variable
3、 frequency speed regulating Hydraulic coupling Electric feed water pump1、概述 大唐双鸭山热电有限公司，位于黑龙江省双鸭山市东部经济开发区，在双鸭山东环高速内侧，距市中心4公里。电厂装有2200MW汽轮发电机组。每台机组设置两台100%容量的电动给水泵,一台运行一台备用。电动机额定电压为6kV，电动机（5500kW、595A、1493r/min）通过调速型液力偶合器（YOT51、5100kW、5090r/ min）驱动给水泵（200TSBB-J）。两台机组先后于2006年投产。给水泵耗电量，是电厂主要辅机耗电量之最。201
4、0年1、2号机组给水泵年平均耗电量占发电量的2.5%,占生产厂用电率的近33%。给水泵做为发电生产过程的主要辅机，其耗电量是最大的。直接影响供电煤耗，影响发电成本，影响能源消耗。因此对电动给水泵的调速方式进行优化和改造，是十分必要的。为贯彻落实国家和集团公司的节能要求，为降低电动给水泵的年耗电量，降低给水泵的年运行费用，降低供电煤耗，大唐黑龙江发电有限公司，大唐双鸭山热电有限公司，大唐黑龙江节能服务有限公司，选择了变频调速型液力偶合器电动给水泵（专利号：ZL201020640252.8）改造方案，确定选配东方日立（成都）电控设备有限公司的大功率高压变频器。2液力偶合器调速与变频器调速效率比较2
5、.1液力偶合器调速 液力偶合器是以液体为工作介质，利用液体动能的变化来传递能量的传动机械。200MW汽轮机组给水泵配套的液力偶合器，多为增速型液力偶合器，所谓增速型液力偶合器是增速齿轮组与液力偶合器的有机结合。增速齿轮组起增速作用，以满足给水泵额定工况时的转速需要，液力偶合器起调速作用，以满足变工况运行的需要。对于液力偶合器这样一个封闭系统，作用于其上的外力矩 M=0 MB+MT=0 亦即 MB=MT式中；MB、MT为泵轮、涡轮作用于封闭系统的力矩。图1-1 液力偶合器外特性 图1-1是液力偶合器的外特性。所谓外特性即是指当工作液体密度和泵轮转速一定时，泵轮轴上的力矩M、涡轮轴上的力矩M及液力
6、偶合器效率与涡轮转速n之间的关系，即： M=M(n) M=M(n) =(n) 如图1-1所示，偶合器的涡轮力矩M始终等于泵轮力矩M，因此M=M(n)和M=M(n)是同一条特性曲线。偶合器的效率是涡轮输出功率P与泵轮输出功率P之比 = 对偶合器M=M因此有 =i 上式表示偶合器效率等于转速比。效率曲线是一条通过坐标原点的直线。当n=n, i =1时，液体在工作腔内将停止循环流动, Q=0 =0;处于相对静止状态,此时能量的传递也就终止M=M=0。实际运行中，由于存在着摩擦力矩，i接近1时偶合器传递的力矩很小，而机械摩擦力矩所占的比重急剧增大，因此在转速比i接近1时的效率特性明显偏离=i直线，并在
7、i=0.990.995时急剧下降至=0。所以偶合器正常工作时涡轮转速必然低于泵轮转速，即液力偶合器正常工作时总是存在滑差的。滑差以转差率S表示，转差率是泵轮和涡轮的转速差与泵轮转速之比, 即： S=()100=(1-i)100 于是有 S=1- =1-S 通过对液力偶合器外特性的分析，可以得出如下结论：即液力偶合器不轮在任何工况下，泵轮和涡轮的液力力矩始终大小相等方向相反，液力效率始终等于转速比i。 200MW汽轮机组给水泵配套的液力偶合器的额定转速，都是和给水泵的额定出力相配套的。就液力偶合器本身而言，应该长期处于高转速比下工作，才能获得最佳经济效益。但设计上给水泵的最大出力为锅炉最大连续蒸
8、发量的110%，是高于机组的额定出力需要的，正常运行中200MW机组由于负荷分配和调峰等因素影响，经常偏离额定负荷运行，年平均负荷率一般在65%-75%左右。 运行中的给水泵的工作点，是远离最佳工作点的，随着负荷率的降低，液力偶合器的效率明显降低，负荷率75%时，液力偶合器效率为73%，负荷率70%时，液力偶合器效率为68%，负荷率65%时，液力偶合器效率为63%，分别与最高效率点相差24%、29%、34%。可见，液力偶合器调速方式，在偏离额定工况时，由于液力偶合器转速比隨负荷率相应变化，所造成的效率降低，而引起的能耗增加是很可观的。2.2变频调速 变频调速是通过改变电源频率和电压，直接改变异
9、步电动机转速的调速。变频调速的最大优点，一是节电、二是调节精度高，这是因为变频器效率在40%负荷率以上不同转速下，均在93%-96%以上。详见变频调速用干式变压器效率曲线、变频器效率曲线和变频器含干式变的效率曲线。 通过上述曲线，可以看出，变频调速用干式变压器效率（功率因数0.96为准）和变频器效率的综合效率平均（在负荷40%-100%之间）为93%-96%2.3变频调速效率与液力偶合器调速效率比较 如下图所示，在不同负荷率下，变频调速与液力偶合器调速效率的差别是很大的。 在不同负荷率下，变频调速型液力偶合器调速效率与液力偶合器调速效率比较列表如下： 负荷率%变频器效率 %变频调速型偶合器%液
10、偶器效率%效率差%9096938768096937815709693682560待添加的隐藏文字内容3959258345094914942通过上述比较；可明显看出，变频调速型液力偶合器效率（100%负荷除外）比液力偶合器调速效率高出很多，有着显著的节能潜力。用变频调速型液力偶合器调速替换液力偶合器调速，可以有效解决液力偶合器低转速比时效率低能耗高的问题，能够实现节能降耗的目标。3变频调速型液力偶合器 200MW机组给水泵配套液力偶合器，均为增速型液力偶合器。主要由两部分组成，一是增速齿轮，这一部分的作用是把电动机的额定转速升高至给水泵额定工况的运行转速； 二是泵轮、涡轮和循环油系统，其作用是通
11、过勺管调节循环油，改变偶合器内部的充油量，从而调节涡轮转数，实现输出转速的无级调速。这是偶合器的工作原理和调速方式。 电动机通过液力偶合器驱动的给水泵，是不能直接改为变频调速的。给水泵进行变频改造的关键是如何改造液力偶合器，以满足输入轴变速运行时，输出轴能够按增速齿轮箱功能变速输出。传统改造方案有:将液力偶合器更换成增速齿轮箱；将液力偶合器改造成增速齿轮箱。更换成增速齿轮箱就是购买一台增速齿轮箱，其造价高，工期长，需要改造给水泵基础等，很难实现；将液力偶合器改造成增速齿轮箱，需要进行设计制造，周期长，费用高，且属非标产品，运行稳定性很难保证。通过技术经济比较,上述换成增速齿轮箱方案和改造成增速
12、齿轮箱方案，造价高、供货周期长，且增速齿轮箱方案只能实现变频一拖一方式,是有缺憾的,是不适应现场需要的。将液力偶合器改造成变频调速型液力偶合器，即改造成多功能液力偶合器。所谓多功能液力偶合器，就是在保留液力偶合器调速功能的基础上,增加液力偶合器的增速齿轮箱输出功能（这是长春时代机电新技术有限公司的发明专利。专利号：201020640252.8）。实现这一改造后，液力偶合器具有了两种功能，一是工频运行时的液力偶合器的调速功能（这是原来就有的）；二是变频运行时的增速齿轮箱输出功能（这是改造后新增的）。两种功能可以进行切换。将两台液力偶合器都改成多功能液力偶合器，配备一台高压变频器，四台断路器，就可
13、以实现200MW汽轮机组给水泵变频一拖二改造了。4给水泵变频一拖二解决方案4.1给水泵变频一拖二方案的电气一次接线 给水泵变频一拖二方案的电气一次接线如下图。虚线框内设备,为实现给水泵变频一拖二方案增加的设备。方案说明：这一方案的运行方式是灵活的，每台泵都可以变频运行，每台泵都可以工频运行，正常运行方式为一台泵变频运行，另一台泵工频备用。其切换方式是：每台泵都可以由变频运行切换到工频运行，然后以变频器启动备用泵后，停止工频泵。变频运行泵故障跳闸时，连锁启动工频备用泵。4.2实现一拖二切换的技术措施4.2.1 互锁技术措施QF3、QF4、QF5、QF6为小车式真空断路器，QF3与QF4互锁，即Q
14、F3与QF4只允许其中一个闭合，QF5与QF6互锁，即QF5与QF6只允许其中一个闭合。同时QF1与QF5互锁，QF2与QF6互锁。即QF1与QF5只允许其中一个闭合，QF2与QF6只允许其中一个闭合。 4.2.2 如何实现互锁断路器之间的互锁,是通过变频器控制柜内的可编程控制器（PLC）实现的。每一个断路器的分合闸，都是按变频切换工频和变频一拖二切换的相应程序控制的。切换时间可以完全满足现场需要,可在现场调试时设定。此外,断路器之间的互锁还要通过各个断路器之间的电气硬接线来实现。以确保各个断路器之间的分合闸的准确、安全、可靠。4.2.3 控制与切换多功能液力偶合器工、变频运行方式的切换、每台
15、给水泵的工频启停、变频启停、变频切工频和两台泵间变频切换，变频调速泵运行与液力偶合器调速泵运行的给水自动控制与切换均由DCS组态实现。4.3变频器的选配与通风4.3.1大唐双鸭山热电有限公司给水泵组参数 （1）给水泵电动机参数型号YKS800-4额定转速1493r/min额定功率5500kw功率因数0.915额定电压6kv冷却方式空-水冷额定电流595A空载电流 （2）给水泵参数形式扬程1900m型号200TSBII-J进口流量710t/h轴功率4450kw出口压力17.61MPa额定转速5000r/min最低输入压力16.82r/min汽蚀余量6m生产厂家郑州电力机械厂4.3.2变频器的选配
16、根据给水泵轴功率,给水泵电动机的参数,结合大唐双鸭山热电有限公司现场给水泵实际运行情况,选配东方日立（成都）电控设备有限公司进口成套的日本日立公司变频器，其主要技术参数如下表:DHVECTOL-HI05500/06高压变频器。序号内容参数1型号DHVECTOL-HI05500/062安装地点室内3整流形式IGBT PWM4控制方式鲁棒型无速度传感器矢量控制5额定容量5500KVA6额定输入电压/允许变化范围6KV10%7额定输入频率/允许变化范围050Hz8输出电压06kV9输出电流530A10输出频率050Hz11输出频率精度0.01Hz12输出频率分辨率0.01Hz13系统加速时间1300
17、0秒可调14功率因数0.9615效率96%16过载能力125% 60秒17变频器瞬时停电再启动功能0-4秒（可调）18变频器工变互切功能有19飞车启动功能有20控制电源380V/50Hz/5KVA；380V/50Hz/30KVA4.3.3变频器通风散热 为确保变频器可靠运行，采用空水冷通风散热方式，空水冷布置如图所示：从变频器出来的热风，经过通风管道排放到内有固定水冷管的散热器中，散热器中通过温度低于33 的冷水，热风经过散热片后，将热量传递给冷水，变成冷风从散热片吹出，热量被循环冷却水带走，从而保证变频器控制室内的环境温度不高于40。安装空冷器要求必须在密闭环境中。流入空冷器的水为循环水,为
18、保护设备,要求循环水的PH值为中性,且无腐蚀损坏铜铁的杂质,进水的水压一般为0.250.3Mpa,进水温度33。5节电效果 大唐双鸭山热电有限公司一号汽轮机组变频调速型液力偶合器电动给水泵改造工程于2011年9月18日开工，10月 7日正式投运，节电效果明显，改造成功。我们对改造前后不同负荷工况下，给水泵的运行参数和改造后两台机组相同负荷工况下，变频调速给水泵和偶合器调速给水泵耗电量进行了测试，其结果如附表：1号机组改前不同负荷工况下主要运行参数序号负荷（MW）负荷率%给水泵电机电流（A）给水母管水压（MPa）主蒸汽流量（t/h)给水流量（t/h)12001004541556666021809
19、04211495045713160803881444385104140703621433914435120603101263293801号机组改后不同负荷工况下主要运行参数序号负荷（MW）负荷率%给水泵电机电流（A）给水母管水压（MPa）主蒸汽流量（t/h)给水流量（t/h)11809030414.851461021708529414.746850731608028514.6450469.341507527314.5423450.251407026114.4402428通过改前改后机组运行参数比较，相同负荷下电流下降比较明显，平均下降107A，平均电流下降率为27.41%！1号机2号给水泵变频
20、改造后节电效果为测试变频改造后节电率，两台机组带同样负荷进行了变频调速泵与液力偶合器调速泵耗电量对比试验，试验结果如下表1号机2号变频调速电动给水泵2号机2号液力偶合器调速电动给水泵发电量365（万千瓦时）366（万千瓦时）运行方式变频工频耗电量63609（千瓦时）80582（千瓦时）1号机2号给水泵日节电量16973（千瓦时）1号机2号给水泵每小时节电量707.20（千瓦时）1号机2号给水泵节电率21%由上表可以看出在年平均负荷率76%的运行工况下,给水泵变频调速运行,年可节电5304063千瓦时,其节电率为: 21%。年节电5304063千瓦时，就等于增加上网电量5304063千瓦时，可增
21、加产值202万元/年（平均上网电价为0.38元/千瓦时）,可折合成标准煤1664吨/年(供电煤耗为313.7克/千瓦时)。6、结论 通过大唐双鸭山热电有限公司一号汽轮机组变频调速型液力偶合器电动给水泵的变频一拖二改造实践，证明以东方日立大功率变频器实施改造的变频调速型液力偶合器，即多功能液力偶合器是实现变频一拖二改造的核心技术。原有液力偶合器不拆换，改造成多功能偶合器，进而实现变频一拖二给水泵解决方案，在国内外均属首例，是一项科技创新，是200MW汽轮发电机组给水泵变频改造的最佳方案。运行实践证明节电是明显的，效益是可观的。 这一解决方案也可以应用到300MW和600MW空冷汽轮机组的液力偶合器调速的电动给水泵改造中，其节电效果将更加明显，效益将更加可观。 参考文献：赵静一 液力传动 北京：机械工业出版社，2007。
