第八节 锅炉给水泵变频调速节能改造（上）
一、发电厂锅炉给水系统概述
1. 火电机组给水泵的作用和重要性
在火力发电厂中，给水泵是极其重要的辅机设备。给水泵的作用是将除氧器贮水箱内或凝结水泵直接输送来的具有一定温度的水，通过给水泵产生足够的压力并经过多级高压加热器加热后送入锅炉汽包，作为锅炉的补给水。给水泵系统由前置泵、电动机、液力耦合器、给水泵组成。其工艺流程是：从除氧器水箱出来的三根低压给水管分别接至给水泵的前置泵，通过前置泵增压后进入给水泵，再经过高压加热器进入锅炉省煤器、水冷壁、汽包、过热器等加热设备，形成过热蒸汽后输送至汽轮机侧做功，带动发电机组发电运行。
根据电力生产的特点和锅炉运行的特殊要求，锅炉给水泵必须连续不断地工作。这不仅关系到机组正常发电，而且也直接关系到锅炉设备本身的安全，因此锅炉给水泵是发电厂中最为重要的水泵，号称火电机组的“心脏”，可见其在火电机组安全运行中的重要性。
由于锅炉给水泵所担负的责任重大，因此对它提出了如下特殊的要求：
（1）为了适应锅炉负荷变化的需要，要求在调节改变给水量以后，给水泵的出口压力变化较小，即给水泵的特性曲线是比较平坦的，稳定的，无驼峰的。
（2）由于锅炉给水泵输送的是一定压力下的饱和水，为了防止给水的汽化。泵的进口应有一定高度的倒灌水头，使给水泵进口的静压力高于进口水温相应的饱和压力，但泵进口的必需汽蚀余量要小。
附图 典型的锅炉给水泵性能曲线
2. 给水泵变频改造的必要性
世界上发达国家把火电厂锅炉给水泵拖动系统作为推广应用变频调速节能改造的首选对象之一，其原因是：（1）功率大；（2）节能潜力大。而目前我国火电厂中除大机组采用汽动调速给水泵，电泵加液力耦合器调速外，其它给水泵基本上都采用定速驱动，用出口阀调节流量，存在着严重的节流损耗。尤其在机组变负荷运行时，由于给水泵的运行偏离高效点，使运行效率降低，结果是白白地浪费掉大量的电能。一台国产200MW发电机组的电动给水泵，其电动机功率达5000kW，给水泵的出口压力与锅炉汽包压力之差达8.5MPa，其原因为两个：（1）锅炉检修以后打水压的需要；（2）为给水调节阀前提供较大的压力，以提高汽包水位调节系统的反应速度，从而提高水位调节品质的需要。
如此巨大的节流损耗，造成大量的能源浪费。若采用变频调速驱动，则可用改变电动机转速的方法来满足不同的给水量要求，不仅避免了给水调节阀的节流损耗，达到了节能的目的；同时以调速的方式改变给水流量的响应速度远比改变阀门开度的方式来的快，从而大大改善了锅炉的给水调节性能。这种方法还降低了给水管道和高压加热器所承受的压力，从而也大大提高了锅炉给水系统的运行可靠性，和发电机组的运行经济性。
随着电力电子技术、计算机和自动控制技术的迅速发展，交流调速取代直流调速和计算机数字控制技术取代模拟控制技术已成为发展趋势，电动机交流变频调速技术是当今节电、推动技术进步的一种主要手段。高压交流变频调速技术是20世纪90年代以来迅速发展起来的一种新型电气传动调速技术，主要用于交流电动机的变频调速，其技术和性能胜过其它任何一种调速方式（如：变极调速、滑差调速、内反馈串级调速和液力耦合器调速等）。变频调速以其显著的节能效益、高的调速精度、宽的调速范围、完善的电力电子保护功能，以及易于实现的自动通信功能，得到了广大用户的认可和市场的确认，在运行的安全可靠、安装使用方便、维修维护工作量小等方面，也给使用者带来了极大的便利和经济效益，已经成为国内外企业电机系统节能的首选方案。
经过近20年来的努力，火力发电厂在工作辅机节能改造方面取得了骄人的业绩，已经有相当大部分的风机和水泵完成了变频调速节能改造工作，目前，我国煤电机组综合升级改造正在步入“深水区”。发电厂在大量的风机和水泵已经进行了变频调速节能改造的情况下，“动刀”号称火电机组“心脏”的液力耦合器调速的电动给水泵已经势在必行了。由于电动给水泵的改造不仅是变频改造而已，还包括液力耦合器的改造和前置泵的改造工作；不仅牵涉到电气系统、机械驱动系统的改造，还要牵涉到高压水路系统的改造工作，而且给水泵的安装位置又十分紧凑，必须另找地方安装变频器。另外由于发电厂给水系统的重要性，决定了其对设备可靠性的要求极高，必须配备可靠性指标特别高的高压变频器；同时对给水系统的控制、连锁、保护的要求也特别高，还牵涉到DCS系统扩容改造和组态设计改造等问题，涉及面极广，工作量巨大，因而往往使人望而却步。所以关键是要拿出可靠性最高，改动最小，投资最少，节能效果最好的科学合理的改造方案来。
3 不同容量机组给水泵配置
目前国内外的研究结果一般认为300MW以下机组采用电动给水泵，350MW以上机组采用汽动给水泵的经济效益比较合理；而对于300～350MW机组，采用电动给水泵方案与采用汽动给水泵方案的经济性差别不大，所以国内外电厂采用各种配置方案的都有。由于汽动给水泵除了投资大以外，其控制和保护系统复杂，维护工作量也大，因此目前很多600MW和1000MW机组也大量采用电动给水泵方案。具体如附表所示。
附表 采用电动给水泵方案
电动给水泵驱动方式有两种方案：一种是电动机通过升速齿轮箱驱动定速泵，通过出口调节阀调节流量及压力；另一种是电动机通过液力耦合器来驱动给水泵，由液力耦合器来改变给水泵的转速，达到调节出口流量及压力的目的。
锅炉给水泵的节能改造效果，不仅与其驱动和调速方式有关，也与其配置方式有关。如采用两台100%容量给水泵一用一备的系统，其节电率随着机组负荷的降低而增大；而采用三台50%容量给水泵二用一备的系统，由于低负荷时（65%额定负荷以下）单泵运行，其低负荷时的节电率反而不如高负荷时大。
给水泵的容量（给水量）是根据锅炉的最大连续蒸发量来决定的，而且给水泵的容量必须大于锅炉的最大连续蒸发量。其容量选择原则一般为：对于每一个给水系统应有一台备用泵，给水泵出口的总容量（即最大给水量，不包括备用泵）应为：
对于汽包锅炉，应为锅炉最大连续蒸发量的110%；对于直流锅炉应为锅炉最大连续蒸发量的105%。还应加上漏出和注入给水泵轴封的流量；对于中间再热式机组，还应加上供给再热蒸汽调温用的从泵的中间级抽出的减温水的流量。
给水泵的台数选择一般应遵循以下原则：
对于母管制给水系统，给水泵的台数应保证其总容量在其中一台最大的给水泵停用时，其余给水泵能供给该给水泵所连接的系统的全部锅炉在最大连续蒸发量时所需的给水量，且总台数不少于2台。
对于扩大单元制的给水系统，2台机可合用一台备用给水泵。对单元制给水系统，给水泵的台数应不少于2台，其中一台为备用。
一般来讲，给水泵有以下三种配置方案：
（1）配置3台50%容量的给水泵，2台运行，1台备用；
（2）配置2台100%容量的给水泵，1台运行，1台备用；
（3）配置1台100%容量的给水泵，1台50%容量的起动/备用给水泵。
我国火电厂200MW机组一般配备3台50%容量或2台100%容量给水泵；300MW机组配备2台50%容量和一台30%容量的给水泵，或1台全容量和一台半容量给水泵，或3台50%容量的给水泵。
4 给水泵的驱动控制方式
（1）由定速电动机驱动的定速泵；
（2）由定速电动机驱动，液力耦合器调速的调速泵；
（3）由变频调速电机驱动的调速泵；
（4）由小汽轮机驱动的调速泵。
一般125MW以下机组配套的锅炉给水泵采用定速泵，给水泵的最佳工况点设计在额定工况点。然而在火电厂设计时，配置的给水泵已考虑了一定的余量，而且在给水泵后均设有给水调节阀，使定速泵均在偏离最佳效率点工况下运行，这就使给水泵的运行效率低，经济性差。当机组变负荷运行时，靠设在定速给水泵出口的调节阀的开度来调节流量，由于阀门调节有节流损耗，且随着负荷的降低，节流损耗愈大，这就更降低了定速给水泵的运行经济性。
125~200MW机组采用电动调速给水泵（变频器调速或液力耦合器调速）；300~600MW机组采用汽动调速给水泵。调速泵的经济性和机组的运行负荷、运行方式有很大的关系，当机组经常在低负荷、滑参数方式下运行时，则调速泵较之定速泵有较大的经济性。
对于调速给水泵，其运行工况的改变是靠变动泵的转速，平移泵的扬程一流量特性曲线来实现的，它不需要改变管道的阻力特性，也就是可以不用给水调节阀靠节流来改变给水流量。这是节省能源的有效方法，尤其是在低负荷时，其节能效果尤为显著。以调速的方式改变给水流量的响应速度要比改变阀门开度来的快，从而改善了锅炉给水调节性能。这种方法还降低了给水管道和高压加热器所承受的压力，从而提高了给水系统的可靠性。
中、小型热电厂锅炉给水多采用母管制给水系统，给水泵多为定速运行，锅炉汽包水位靠自动给水调节阀调节，属节流调节，存在节流损耗。运行中的热电厂，除冬季供暖期热电负荷较高外，大多数参与调峰，且峰谷差较大，给水量也相应变化较大。母管制给水系统采用给水泵台数调节法，给水泵随着负荷的变化频繁起停，造成给水母管压力变化较大，负荷越小母管压力越高，锅炉自动给水调节阀开度越小，其节流损耗就越大。
若对母管制给水系统的部分给水泵采用变频调速改造，让工频定速泵与变频调速泵并列运行，共同维持母管压力恒定，工频定速泵对应最佳工作点带固定流量，变频调速泵对应工作点调节给水流量。工频定速泵的特性曲线与设定母管压力的交点即是工频定速泵的工作点，其对应的流量即是定速泵流量；对应变频调速泵转速的特性曲线与设定母管压力的交点即为变频调速泵的工作点，其对应的流量即为调速泵的流量。工频定速泵与变频调速泵的流量之和即为总的给水流量。调速泵的比例越大，调节越灵敏，母管压力越稳定。
工频定速运行的给水系统，母管压力是随负荷的变化而变化的，其变动范围一般为2～3MPa，母管制给水系统进行调速改造的目的，就是在实现给水母管恒压运行的同时，最大限度地降低给水泵单耗，为此需要确定并列运行给水泵的最佳工作点。工频定速泵的最佳工作点，就是其额定工况点，在额定工况点工作的定速泵其效率最高；调速泵保持这一压力运行，进行给水量的调节，工况最佳，单耗最低。值得注意的是一定要做到确保其工作点流量大于调速泵最低流量以避免调速泵的汽蚀。
调速泵不仅自身通过调速而节能，同时由于调速泵稳定了母管压力，使工频定速泵工作在最佳工作点，提高了定速泵的效率而节能。母管制给水系统最经济的工作点，应该是保证安全上水条件下的最低扬程，这样也同时减少了给水调节阀的节流损耗，这在工频定速运行方式下是难以做到的。
5 电动给水泵变频改造存在的问题
5.1 给水泵可靠性要求高
由于发电厂给水系统的重要性，决定了其对设备可靠性的要求极高，必须配备可靠性指标特别高的高压变频器；同时对给水系统的控制、连锁、保护的要求也特别高，还牵涉到DCS系统的扩容改造和组态设计改造，涉及面很广，工作量巨大，所以往往使人望而却步。
5.2 给水泵系统改造工程大
（1）由于给水泵系统（包括前置泵和液力耦合器）安装位置紧凑，其机械传动系统的改造难度很大；
（2）给水系统回路的改造工作量也很大，且质量要求高（因为给水压力高）；
（3）电气系统的改造工作相对来说难度较小，但是由于安装位置紧凑，必须另找地方建变频器房。
5.3 节能效果并不理想（若保留液力耦合器就更加捉襟见肘）
水泵系统与风机系统不同的是管路系统都有静扬程存在，管路性能曲线的静扬程越高，水泵性能曲线和管路性能曲线的夹角就越小，则变速调节流量时，改变相同流量时的转速变化就越小，其轴功率的减小值也越小，还有可能引起管路的水击，因此水泵系统的调速节能效果比风机要差一些。尤其是锅炉给水泵其静扬程（汽包压力）占到额定扬程的80%，当流量减少到50%时，转速只能降低11%，轴功率只减少20%左右，而非87.5%。
电动给水泵一般都配备液力耦合器调速运行，虽然液力耦合器属于低效的调速装置，但是用在风机水泵调速控制时，也有明显的节能效果；若用变频器代替液力耦合器调速的话，虽然也有较好的节电率（100%—转速比），但是节电量却有限，因此节电的经济效果并不理想。若是变频改造时保留液力耦合器的话，则节电率还要下降6～8%左右，当机组处于高负荷运行或低负荷单泵运行时可能会出现不但不节能还反而费能的情况，因为降速所节省的功率将不足以抵消变频器加上液力耦合器总共10～12%左右的功率损耗。
另外由于给水泵电动机功率太大，因而变频器的投资也大，再加上发电厂的电价是以上网电价甚至是成本电价计算的，所以回收期长，节能改造的经济效果并不理想。
