一、項目概況
河南汝州市瑞平煤電有限公司成立于2004年6月，注冊資本金10億元，是由中國平煤神馬集團和河南天瑞集團按照6∶4的比例共同出資建設的合資企業，電廠位于汝州市汝河南岸汝南工業區，于2007年投產運營，屬國家發改委批準的熱電聯產機組，經營范圍為發電和供熱，項目建設規模為300MW，現有兩臺150MW超高壓供熱汽輪機發電機組和兩臺每小時480噸超高壓、再熱、循環流化床鍋爐，固定資產12億元。
圖1：廠區概貌
二、給水泵系統
每臺鍋爐給水系統配套兩臺3800kW鍋爐給水泵，共計4臺，單臺給水泵流量593m3/h，揚程1770m，采用一用一備的運行方案，單臺給水泵即能滿足鍋爐滿負荷運行，給水泵系統由電動機、液力偶合器、給水泵本體組成（見圖2）。其工藝流程是除氧器的水通過給水泵增壓后，經過高壓加熱器送至鍋爐汽包（圖3黑色尖頭方向），鍋爐通過燃燒發熱將水變成高溫高壓的蒸汽，推動汽輪機做功，實現鍋爐蒸汽系統和給水系統的汽水平衡。
圖2：給水泵組成
圖3：現場給水系統圖
為保證整個鍋爐系統的穩定運行，改造前機組通過調節給水泵液偶輸出轉速的方式改變給水流量，保持汽包的液位穩定。由于給水泵轉速較高，液力偶合器主要由兩部分組成，一是增速齒輪，這一部分的作用是把電動機的額定轉速，升高至滿足給水泵額定工況的運行轉速；二是泵輪、渦輪、勺管、和循環油系統，其作用是通過勺管調節循環油，改變偶合器內的充油量，從而調節渦輪轉速，實現輸出轉速的調速。機組正常運行時，就采用單臺給水泵供水運行方式，另外一臺泵處于備用狀態，兩臺給水泵之間只需按規程進行定期倒泵操作。
三、可行性分析
3.1存在的問題
瑞平電廠在采用液力偶合器調速時，雖然能滿足鍋爐供水調節的功能，但是發現存在以下問題：
（1）給水泵采用液偶傳動調速運行，傳動損失大、系統效率低，造成大量能源浪費。
（2）調速范圍有限為50～95%，轉速不穩定，高速段減小了設備的出力能力，低速段影響節能效益的發揮；
（3）調速精度低，線性度差，響應慢，不大適應自動控制要求；
（4）液偶調速器采用高壓傳動油工作，在機械能傳遞過程中產生大量熱量損失。
（5）電機雖然可以不帶載啟動，但仍然有5倍左右的沖擊電流，影響電網穩定；
（6）由于存在較為復雜的油系統，液偶維護量較大，單臺4000KW的液力偶合器平均每年的維護費用就近20W，嚴重浪費人力及影響生產。同時由于液力偶合器啟動時仍具有的較大沖擊電流，會對電廠的系統穩定造成影響，瑞平電廠技術人員尋找適合的替代方案，經多方對比發現，利用高壓變頻器替換目前給水泵液偶調速控制，具有完美的解決方案。同液偶調速方案相對比，高壓變頻器調速系統具有以下優勢：
（7）調速范圍寬0-140%，調速精度高，響應速度快
（8）效率高（大于96%），且在20%負荷以上時均穩定在96%
（9）可實現真正的軟啟動，對電動機和電網無沖擊，可降低給水泵及電動機的故障率，減少維修費用
（10）輸入功率因數高可達0.95以上，只吸收很少的無功
（11）易維護；改造、調試周期短；故障時可切換工頻運轉，適用于不允許停機的場合。
3.2 具有的優勢
在確定采用高壓變頻器進行改造后，瑞平電廠開始對國內高壓變頻器主要生產廠家進行考察和篩選，利德華福公司的高壓變頻調速系統，對比其它產品具有如下優勢：
（1）采用單元串聯多電平拓撲結構，輸入輸出諧波含量小，功率因數高，結構可靠。
（2）應用無速度傳感器的矢量控制技術，控制精度高，響應速度快。
（3）產品應用近10000套為國內最多，充分經過市場檢驗，產品成熟可靠，故障率低。
（4）電廠應用業績最多，在3000套以上，熟悉電廠工藝工況，對實施方案的設計有豐富經驗，保證系統的可靠性。并且在給水泵的改造上有成功經驗，例如300MW機組的大唐耒陽電廠、包頭東華熱電用戶曾經前去考察。
（5）6kV/4000kW產品額定電流將達到450A以上，將遇到很多設計難點，而利德華福公司有豐富的大功率變頻器的設計經驗，已投運的設備最大達18000KW，5000KW功率以上的投運設備有100余套。
（6）依托于全球500強企業、電氣巨頭施耐德公司的先進的管理理念和質量控制體系，產品的質量及可靠性大幅提升；利用集團優勢，柜內主要低壓元器件均采用施耐德產品。
給水泵作為鍋爐最為關鍵的負載，其可靠運行肯定是第一位的，所以產品的可靠性也是改造時首要考慮的對象。經過多方對比和綜合考慮，瑞平電廠最終選定北京利德華福電氣技術有限公司的HARSVERT-VA06/490產品對4臺給水泵進行改造。
四、實施方案
以下兩種方案均為可行的給水泵改造方案:
方案一：將液力偶合器保留不變，勺管開度至最大輸出，只承載傳動和增速作用。變頻器通過電氣特性控制電動機轉速實現給水泵的流量調節。由于沒有拆除液力偶合器，對液力偶合器的維護同樣存在；同時由于液力偶合器本身的效率問題，仍存在一定的節能率下降。
方案二：拆除液力偶合器，更換為增速齒輪箱實現剛性傳遞聯接；解決系統機械力矩傳遞中的效率損失問題。此種方法前期施工周期較長，同時投入相對會增加。但系統效率提高，很快就能收回增加的投資。
結合現場情況，我公司初步設計的方案為拆除液力偶合器，在電機和水泵之間增加增速齒輪箱，這樣可減少液偶的中間損失，使給泵系統效率最高。但由于工期及增速齒輪箱廠家供貨周期的問題，最終用戶保留了三臺液力偶合器，在變頻器控制運行時，液力偶合器勺管開度至100%輸出，據現場反饋，在同等負荷下，沒有拆除液偶的給水泵電流比拆除液偶的要大將近10A，所以瑞平電廠仍計劃在檢修時將剩余液偶拆除。
現場兩個機組4臺給水泵，采取一用一備的形式，且全部配備變頻器，當一臺給水泵故障時，可立即啟動備用泵運行來給鍋爐供水，所以變頻器的主回路采用一拖一手動旁路的方案是既經濟又可靠地主回路方案。
圖6：主回路示意圖
此方案是手動旁路的典型方案。原理是由3個高壓隔離開關QS41、QS42和QS43組成（見上圖）。要求QS42和QS43之間存在機械互鎖邏輯，不能同時閉合。變頻運行時，QS43斷開，QS41和QS42閉合；工頻運行時，QS41和QS42斷開，QS43閉合。功能:在檢修變頻器時，有明顯斷電點，能夠保證人身安全，同時也可手動使負載投入工頻電網運行。
五、節能效益分析
對于系統變頻改造前有液偶調速設備，節能計算如下：
5.1工頻狀態下的耗電量計算
Pd：電動機功率；Cd：年耗電量值； U：電動機輸入電壓；I：電動機輸入電流；cosφ：功率因子； T：年運行時間；δ：單負荷運行時間百分比
根據計算公式①②，通過計算可得出工頻情況下各負載的耗電量,綜合高速、低速運行的時間，計算出平均工頻運行功率。
5.2變頻狀態下的年耗電量計算
不管是用液偶調速還是變頻調速，所需要的軸功率是相同的，可推出變頻后軸功率公式：
變頻器的效率曲線可從下圖中查出。
圖7變頻器的效率曲線
根據計算公式③④⑤，通過計算可得出變頻情況下各負載的耗電量，根據加權時間得出設備在變頻調速下運行的平均功率。
5.3節能計算
年節電量：ΔC= Cd－Cb …⑥
節電率=（ΔC/Cd）×100% …⑦
變頻改造后，根據公式⑥⑦，可計算出各負載上變頻后與工頻相比每年的節電情況。
圖8 現場DCS畫面截圖
由現場采集的DCS的圖片以及現場運行人員反饋，當時機組運行負荷為73MW，給水泵的轉速為2974r/min（額定轉速4725r/min），如原有液偶的情況下，轉速也基本相當，根據液偶的效率可計算出在此轉速節電率在30%左右，秋季和春季運行情況和圖片中的運行狀態基本相同；機組冬季和夏季負荷會稍高，達到100MW以上，所以節電率會降低，約在15%左右。
七、小結
隨著電廠節能優化的深入，常規的送風機、引風機、凝結水泵等負載均已完成節能改造，電廠的降耗就必須尋找新的突破口。給水泵作為鍋爐系統最大的用電設備也是最重要的輔機設備，由于前幾年對于變頻器的可靠性有顧慮，基本未進行變頻改造，但是隨著這幾年變頻器的發展，技術逐步成熟，可靠性大大提高，各個電廠對于給水泵的變頻器改造開始進行有意的嘗試，通過多個項目的改造實例證明，給水泵的變頻改造是可行的，我們公司提供的改造方案成熟可靠，對機組的安全運行沒有影響，同時帶來的經濟效益也是相當可觀。給水泵的變頻改造在近期將會成為電廠節能改造的熱點。
