大唐鲁北发电有限责任公司
1号机给水泵组变频改造整体方案
2012年7月
目 录
第一章、概述 ................................................................ 3 第二章、330MW 机组电动给水泵改变频运行及改汽泵经济性比较 ..................... 4 第三章、液力偶合器改造方案 . .................................................. 6 第四章 、前置泵改造方案 . ..................................................... 6 第五章、变频器的配置方案..................................................... 7 1、大唐鲁北发电有限责任公司1号机组给水泵组参数 . ............................. 7 2、变频器的选配 ............................................................. 8 (1)、DHVECTOL 系列高压变频器主要技术参数 ..................................... 8 (2)、DHVECTOL 系列高压变频器对外接口表 ...................................... 10 3、变频器运行控制 .......................................................... 11 （1）变频器运行方式......................................................... 11 （2）变频器控制方式......................................................... 11 （3）电动机差动保护:........................................................ 11 （4）液力偶合器勺管控制: . ................................................... 11 （5）多功能主油泵运行方式: . ................................................. 12 4、变频器通风散热方案....................................................... 12 （1） 水冷却系统的工作原理： . ............................................... 12 （2）设备布置(见下图) ： . .................................................... 12 （3）水冷散热特点: ......................................................... 13 5、变频二拖三方案的电气一次接线 . ............................................ 14 第六章、节能估算 ........................................................... 14 第七章、投资预估 ........................................................... 19
第一章、概述
大唐鲁北发电有限责任公司2×330MW 燃煤发电工程厂址位于山东省无棣县北部埕口镇。东北濒临渤海湾、东南连沾化县，南靠阳信县，西接德州地区庆云县，北与河北省沧州地区海兴县，黄骅市为邻。企业两台33万千瓦机组分别于2006年7月开工建设，2009年9月、12月实现双机投产。目前，企业总装机容量为66万千瓦。大唐鲁北发电有限责任公司1号机组给水泵设计为3x50%额定容量电动给水泵，配液力偶合器调速。2011年1号机组给水泵耗电率2.95 %，耗电量占发电厂用电量的39.78%，其耗电量是很大的。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。为降低电动给水泵的年耗电量，降低电动给水泵的年运行费用，降低供电煤耗, 根据大唐双鸭山1号机变频调速型液力偶合器电动给水泵（专利号：ZL 2010 2 0640252.8）改造的成功经验，对大唐鲁北发电有限责任公司1号机组液力偶合器调速方式的电动给水泵，进行变频调速改造是可行的，也是十分必要的。
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。其改造方案有:一是将液力偶合器更换成增速齿轮箱；二是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；二是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齿轮箱方案，造价高、供货周期长，是不可取的。三是通过对液力偶合器的改造，将液力偶合器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。实现这一改造后，液力偶合器具备了两种功能，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（将勺管固定在最大转速位置）的增速齿轮箱输出功能（这是改造后新增的）。两种功能可以通过勺管进行切换。有了这两种功能，配套相应的进口变频器和开关，就可以通过切换实现1号机组三台给水泵的变频二拖三调速改造了。
第二章、330MW 机组电动给水泵改变频运行及改汽泵经济性比较
目前国内330MW 等级机组配套的给水泵驱动方式最常用的是电动和汽动两种，即电动机驱动和小汽轮机驱动。电动机驱动方式有两种方案：一种是电动机通过齿轮升速驱动定速泵，泵出口流量及压力由调节阀节流调节；另一种是电动机通过液力耦合器来驱动给水泵，依靠液力耦合器来改变转速，达到调节泵出口流量及压力的目的。
汽动驱动方式有两种情况：一种是由主机低压抽汽供汽的凝汽式小汽轮机驱动，另一种是由主机高压缸排汽供汽的背压式小汽轮机驱动。
近年来随着电力市场进入市场经济阶段，电厂管理不只是为了稳发满发，还要求以最经济的成本多发电、多供电，最终以多结算上网电量，提高经济效益。为降低供电煤耗，减少能源消耗。因此对机组给水泵驱动方式进行改造是可行的，也是十分必要的。
目前改造方案主要有两种：
方案一：对电动给水泵进行变频调速改造，一台机组三台给水泵上两台加装高压变频器，采取二拖三方案，每台机组两台给水泵长期变频运行，另一台给水泵工频备用。
方案二：将一台50%容量的电动调速给水泵改为一台100%容量的汽动给水泵，保留2台50%容量的电动调速给水泵（此方案已在前期可研中说明不可行）；
目前国内外的研究结果一般认为：330 MW 以下机组采用电动给水泵组、330 MW 以上采用汽动给水泵组的经济效益比较明显；而330 MW机组，电动给水泵方案与汽动给水泵方案经济效益差别不大。所以，国内外电厂各种配置方式都有。以下就330MW 机组电动给水泵上述两种改造方案进行比较如下：
方案一较方案二优点：
1、投资：方案一总投资在1265万元以内；方案二总投资约3000万元。 2、投资收益：330MW 机组年发电量按18-19亿千瓦时计算，方案一年节约标煤2483吨左右，机组供电煤耗将降低1.29g/KW.h；方案二年节约标煤800吨左右，机组供电煤耗将降低0.42g/KW.h，汽动泵本身增加燃煤消耗。
3、工期：在完成设备招标及相关前期准备工作的前提下，方案一的改造工期约为40天内，方案二约为60天；
4、对设备安装位置要求：方案一无要求，现有厂房内或厂房外新盖房均可；房案二对设备安装位置有严格要求；
5、改造后设备维修经济性比较：汽动给水泵年维修费用高出液力耦合器年维修费用3倍。主要有给水泵小汽轮机，前置泵减速机构，润滑油系统、小汽轮机疏水放汽系统、小汽轮机汽封系统与主汽轮机相比，麻雀虽小五脏具全，与电动给水泵相比无疑大大增加了维修工作量，备品配件及消耗材料的数量小汽轮机除需定期小修维护外，还需定期（4年）大修揭盖检查通流部分等；进口变频器是高科技电力电子产品，设计寿命为15年，设计安装位置得当（无粉尘）一般无需维修，年维修费用可以忽略不计。此外给水泵电机改变频调速后，液力偶合器全开不参与调速，液力偶合器的工作油温降低20—30度，整个电动给水泵系统维修量约降低三分之一左右。
6、改造后设备运行经济性比较：根据相关文献报道汽动给水泵配置方式与电动给水泵液力耦合器配置方式相比在运行经济上不相上下；同等条件下液力耦合器调速电动给水泵比变频调速电动给水泵多耗电30%左右，方案一较方案二有明显优势。
方案二较方案一优点：
1、方案二（电动改汽动）对厂用电率的降低明显：方案二（电动改汽动）能降低厂用电率2.9%左右，考虑小汽轮机煤耗，机组供电煤耗将降低1.4g/KW.h。机组在相同出力状态，由于小汽轮机效率较大机组效率低，小汽轮机运行需要增加蒸汽量，煤耗也增加，总体看，节能空间有限；方案一（改高压变频）可以降低厂用电率0.406%左右，机组供电煤耗将降低1.29g/KW.h。
2、在电网企业对电厂发电设备利用小时数相同的情况小，方案二较方案一向电网供电量增加2.1%左右，煤耗降低不如方案一明显。
综上所述, 对330MW 等级的发电机组，在机组新建时已配置电动泵作为给水泵驱动方式的，为实现节能降耗目标，将电动给水泵进行变频调速改造较直接改汽泵方案有明显优势。
第三章、液力偶合器改造方案
液力偶合器的改造方案, 就是将液力偶合器改造成多功能液力偶合器。使液力偶合器具有两种功能, 工频运行时的调速功能和变频运行时的增速齿轮箱输出功能。解决了这一技术问题，就能成功的将液力偶合器调速的电动给水泵，改造成变频调速型液力偶合器电动给水泵。我公司通过与合作伙伴的多年潜心研究，利用共同的研究成果（专利号：ZL 2010 2 0640252.8），无需将液力偶合器更换成或改造成增速齿轮箱。通过对液力偶合器的改造，将液力偶合器改造成多功能液力偶合器。在保留液力偶合器调速功能的基础上，增加增速齿轮箱输出功能。
现运行中的液力偶合器，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，升高至满足给水泵额定工况的运行转速；一是泵轮、涡轮、勺管、和循环油系统，其作用是通过勺管调节循环油，改变偶合器内的充油量，从而调节涡轮转速，实现输出转速的无极调速。这是液力偶合器的工作原理和调速方式。
多功能液力偶合器是在原液力偶合器功能不变的基础上，对其内部结构和系统进行改造，增加两台多功能油泵。多功能液力偶合器的工频输入变速输出和变频输入变速输出的切换是通过勺管实现的。
实现这一改造以后，液力偶合器具有了两种功能，就是工频运行时液力偶合器的调速功能（这是原来就有的）和变频器调速运行时增速齿轮箱（液力偶合器勺管固定在额定输出转速位置）的输出功能。
第四章 、前置泵改造方案
给水泵入口水温近似饱和水，为保证不发生汽蚀设置了低速前置给水泵。给水先通过前置给水泵升高压力后，再进入主给水泵。这样就使主给水泵入口的压力大于给水温度所对应的汽化压力，避免了主给水泵的汽蚀。前置泵是在1490r/min下定速运行的。主给水泵电动机变频调速改造后，前置泵如何运行，是变频改造必须解决的问题。 1. 前置泵定速运行方案
是将前置泵与主给水泵电动机脱开，配备单独电动机直接驱动。实现这一方
案需要设计院设计前置泵电动机基础，配备一台高压电动机、一面高压开关柜、相应的电力电缆及控制电缆，以及将现场0米的MCC 配电柜移位，这一方案造价较高，现场条件亦不具备，故难于实现。 2. 更换前置泵变速运行方案
更换大一级的前置泵，将原配备的FA1D56A 前置泵拆除，更换一台大一级的前置泵，安装和改造工程量较大。更换后轴功率却增加很多，能耗增加很多。综合技术经济比较，亦不可取。
3. 前置泵不动给水泵增加诱导轮变速运行方案
原前置泵不动，改造主给水泵一级叶轮在叶轮前增加诱导轮。给水泵芯包需要返厂改造，改造时间需要三个月，工期长费用高且轴功率增加较多，也不可取。 4．前置泵变速运行方案
前置泵变速运行方案，该方案方便易行，节省投资，降低能耗，关键是解决了相关技术问题。
第五章、变频器的配置方案
1、大唐鲁北发电有限责任公司1号机组给水泵组参数
(1)给水泵电动机参数
(2)给水泵参数
(3)液力耦合器参数
(4)前置泵参数
2、变频器的选配
根据给水泵轴功率, 给水泵电动机的参数, 结合大唐鲁北发电有限责任公司现场实际运行情况, 建议选配东方日立（成都）电控设备有限公司日立系列原装进口的DHVECTOL-HI05500/06高压变频器。其主要技术参数如下表:
(2)、DHVECTOL 系列高压变频器对外接口表 DO （开关量输出）
AO （模拟量输出）
DI （开关量输入）
AI （模拟量输入） 注：可以根据用户要求进行参数化调整
3、变频器运行控制
（1）变频器运行方式 开环运行模式/闭环运行模式 （2）变频器控制方式
本地控制: 可以利用变频器柜体上人机界面的起动、停止、参数设定等功能控制变频器，也可以通过柜体上的控制按钮来操作变频器。
远方控制: 远方控制由用户的DCS 或其他控制系统通过硬接线的方式来控制变频器。
（3）电动机差动保护:
由DCS 通过RS485接口实现或使用变频器提供的隔离刀闸信号来控制差动保护在变频运行时切除，工频运行时投入。
（4）液力偶合器勺管控制:
给水泵工频运行偶合器调速运行时，勺管手动或自动控制（给水自动调控）
给水泵变频调速运行时，勺管开度固定在最大输出位置，通过手动
或者自动调节改变变频器运行频率。
变频泵运行时，备用泵勺管跟踪变频运行泵转速。 （5）多功能主油泵运行方式:
两台多功能主油泵，一运一备。运行泵故障跳闸，连锁备用泵启动。给水泵启动前应首先启动多功能油泵，确保润滑油压和工作油压正常。
4、变频器通风散热方案
（1） 水冷却系统的工作原理：
从变频器出来的热风，经过通风管道排放到内有固定水凝管的散热器中，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℃。(见下图)
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0.25～0.3Mpa, 进水温度≤33℃。
（2）设备布置(见下图) ：
注：由于变压器正常运行的温度就明显高于功率柜温度，因此独立配置变压器柜和功率柜的热交换器，提高设备利用率。变频器室采用密闭环境设计，采用隔热效果好的石棉建筑降低热传导。避免夏季室外温度高带来的加热效应，完全依靠空－水冷装置进行环境散热。冷却器安装于变频装置室外，冷却介质采用工业水，过滤装置采用不锈钢材质（方便拆卸、清洗）；变频器室预留一个进风口，冷却系统风道在A 、B 两处预留两个活动孔板，便于检修水冷装置风机时将风道拆开。同时冷却风机是冗余配置，在检修水冷装置风机时，变频器柜顶风机可满足系统要求。 （3）水冷散热特点:
1）降温效果好，降低设备的运营成本，设备使用寿命长、故障率低、性能可靠。
2）适用于现场比较脏，灰尘比较大的环境。 3）通风、换气、防尘、降温集于一体。
5、变频二拖三方案的电气一次接线
(1) 控制与切换
多功能主油泵的起停、多功能液力偶合器工变频运行方式的切换、3台给水泵的工频启停、变频启停，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。
第六章、节能估算
节能估算, 是根裾2011年1号机组全年平均发电量、负荷率、运行小时数、转速比、给水泵电动机电流, 进行计算的。机组不同负荷工况下主要运行参数见下表:
.1节能计算依据
P 1=U ⨯I ⨯1. 732⨯cos φ
其中：U ——电机电压，kV ；
I ——电机电流，A ；
P 1——单一负荷下工频运行功率，kW ；
cos φ——单一负荷下运行功率因数，小于额定功率因数。
6.1.2改造后功率计算公式：
水泵轴功率计算公式P 2
=
Q ⨯H ⨯ρ
/(η2⨯η)，
102⨯3600
其中：P 2——为改造后单一负荷下的变频运行功率；
Q ——单一负荷的运行流量，单位m3/h；
H ——为单一负荷的压力，单位为Pa ；
η2——水泵效率，改造后取效率最高值；一般为0.76～0.86 η——变频装置效率，一般为0.90～0.97。
ρ——流体密度
6.2工频运行功率计算
已知给水泵的电机额定P =5100kw，额定转速N=1493rpm，额定电压6kV, 功率因数=0.914 。
180MW 时
液力耦合器情况下的电机实际功率为 P a 给水泵液耦=x6kVx405Ax0.914 =3847KW 200MW 时
液力耦合器情况下的电机实际功率为 P a 给水泵液耦=x6kVx273Ax0.914 =2593KW P b 给水泵液耦=x6kVx274Ax0.914=2603KW 220MW 时
液力耦合器情况下的电机实际功率为 P a 给水泵液耦=x6kVx303Ax0.914 =2878KW P b 给水泵液耦=x6kVx301Ax0.914=2859KW 240MW 时
液力耦合器情况下的电机实际功率为 P a 给水泵液耦=x6kVx329Ax0.914 =3125KW P b 给水泵液耦=x6kVx327Ax0.914=3106KW 260MW 时
液力耦合器情况下的电机实际功率为
P a 给水泵液耦=x6kVx365Ax0.914 =3467KW P b 给水泵液耦=x6kVx366Ax0.914=3476KW 280MW 时
液力耦合器情况下的电机实际功率为 P a 给水泵液耦=x6kVx390Ax0.914=3704KW P b 给水泵液耦=x6kVx388Ax0.914 =3685KW 290MW 时
液力耦合器情况下的电机实际功率为 P a 给水泵液耦=x6kVx405Ax0.914 =3847KW P b 给水泵液耦=x6kVx408Ax0.914 =3875KW 300MW 时
液力耦合器情况下的电机实际功率为 P a 给水泵液耦=x6kVx420Ax0.914 =3989KW P b 给水泵液耦=x6kVx419Ax0.914 =3980KW
6.3变频改造后预计运行功率计算
为保证变频改造后的母管压力和正常工作流量，180MW 负荷时保证其母管压力在13.2Mpa 流量在501m3/h；计算时变频器效率取0.96（备注：2台给水泵合计消耗功率）
180MW 负荷：P 12=200MW 负荷：P 22220MW 负荷：P 32240MW 负荷：P 42260MW 负荷：P 52280MW 负荷：P 62290MW 负荷：P 72
Q ⨯H ⨯ρ1320×501×1000
/(η2⨯η)=/(0. 76×0.96)≈2468KW
102⨯3600102⨯3600Q ⨯H ⨯ρ1460×572×1000=/(η2⨯η)=/(0. 76×0.96)≈3117KW 102⨯3600102⨯3600Q ⨯H ⨯ρ1520×600×1000=/(η2⨯η)=/(0. 76×0.96)≈3404KW 102⨯3600102⨯3600Q ⨯H ⨯ρ1760×684×1000=/(η2⨯η)=/(0. 76×0.96)≈4493KW 102⨯3600102⨯3600Q ⨯H ⨯ρ1830×746×1000=/(η2⨯η)=/(0. 76×0.96)≈5096KW 102⨯3600102⨯3600Q ⨯H ⨯ρ1900×819×1000=/(η2⨯η)=/(0. 76×0.96)≈5808KW 102⨯3600102⨯3600Q ⨯H ⨯ρ1940×895×1000=/(η2⨯η)=/(0. 76×0.96)≈6481KW 102⨯3600102⨯3600
300MW 负荷：P 72=
6.4节电量计算
Q ⨯H ⨯ρ1970×915×1000
/(η2⨯η)=/(0. 76×0.96)≈6728KW
102⨯3600102⨯3600
180MW 负荷：每小时节电3847-2468=1379KW 200MW 负荷：每小时节电2593+2603-3117=2079KW 220MW 负荷：每小时节电2878+2859-3404=2333KW 240MW 负荷：每小时节电3125+3106-4493=1738KW 260MW 负荷：每小时节电3467+3476-5096=1847KW 280MW 负荷：每小时节电3704+3685-5808=1581KW 290MW 负荷：每小时节电3847+3875-6481=1241KW 300MW 负荷：每小时节电3989+3980-6728=1241KW 6.5预估节电收益计算
大唐鲁北发电有限责任公司1号机组2011年全年发电量：191634万KW.h) ，发电设备利用小时数为：5807h ，机组实际运行小时数：7842h ，从上述数据可知鲁北厂2011年机组平均负荷率为74.05%，机组平均负荷在244MW 左右，在此平均负荷段，再考虑我厂2013年需要大流量对齐星化工及钛白粉供汽的实际运行工况，给水泵组始终处于额定流量状态，即在此工况下，变频调速型液力耦合器较液力耦合器调速每小时节电量在1241kw.h 之间, 按此核计，较理论计算有一定偏差，我们按最大偏差-20%核算：
则预估1号机组给水泵组进行变频改造后年可节电：1241x7842x80%≈7785538KW.h
年总节能收益￥=7785538 x0.42≈327万元（上网电价0.42元/KW.h） 给水泵组耗电率将下降为：（56532030-7785538）/1916340000≈2.544% 厂用电率将下降:2.95%-2.544%≈0.406%
通过以上计算, 在年平均负荷率为74.05%，大流量供汽的运行工况下, 给水泵组变频调速运行, 年可节电7785538千瓦时, 其节电率为: 7785538/56532030=13.8%。
年节电7785538千瓦时，就等于增加上网电量7785538千瓦时，可增加产值3270000元/年（平均上网电价为0.42元/千瓦时）, 产生效益6.54万元（按每度电利润2分计算），可折合成标准煤2483吨/年(供电煤耗为319克/千瓦时), 可降
低供电煤耗1.29克/千瓦时。标煤单价按720元/吨计，可降低发电成本178.776万元/年，按投资1265万元计算，回收周期为7.08年。
第七章、投资预估
第八章、结论
通过以上计算分析测算改造后电动给水泵可实现软启动、降低启动电流、延长电机使用寿命；可以节省178.776万元/年，节电量是明显的，但是有以下几点需要考虑：
8.1、该工程投资较大、回收时间较长；根据测算改造后需要7.08年后才可收回投资成本，投资回收时间较长；收回投资期间有可能因设备损坏造成设备的二次投资。
8.2、该技术还不成熟，改造后设备运行的可靠性未知；据了解国内同类型机
组还没有改造的案例，我厂耦合器为德国德国福依特公司生产，是一个成熟的产品，随意改变其内部结构不能够保障其传动效率，而且我厂前置泵轴瓦为径向薄壁瓦（瓦胎加乌金共1.6mm ），乌金特别薄，如果受力频繁改变，会对轴瓦乌金造成极大伤害，使检修维护费用增高。集团公司同类型机组如合山电厂、珲春电厂虽较早研究改造的可行性，但至今未实施改造，改造后设备运行的可靠性未知，因电动给水泵为重要辅机，如改造后不成功会对机组安全运行产生较大影响。 8.3、厂房空间小、施工难度较大；经调研变频器安装需要至少60平米的空间，由于设计原因我厂汽机房零米空间狭小，不适合安装变频室，施工难度极大。若把变频器安装在室外，不仅影响厂区整体的美观、而且增加额外的投资和维护费用。
综上所述、从改造投资、设备施工、设备运行的可靠性等来考虑，此项目的技术还不是很成熟，改造后的前景不是很明朗，所以现阶段不建议实施此项目。