电厂驱动用大功率调速设备的选型分析

2022-01-18高展羽王鑫马骏

东方汽轮机 2021年4期

高展羽王鑫马骏

（东方电气集团东方汽轮机有限公司，四川德阳，618000）

1 背景

当前，在化工、电力、水泥、冶金等领域内存在大量的风机、水泵、压缩机等做功设备，据不完全统计，我国目前有不少于4 800万台风机、水泵类的被驱动设备，其中大部分设备是被电动机直接驱动，其耗电量巨大，约占国内工业用电的40%，而风机、水泵多为变转速设备，若采用调速运行则可大大降低耗电量。

在发电厂中，引风机和给水泵是消耗厂用电的主要设备，若都采用电动机驱动，则其电量消耗约占厂用电量的70%，故很多电厂配备给水泵汽轮机和引风机汽轮机用于降低厂用电率以尽可能提高实际供电量。但近几年来，随着人们环保意识的提升和国家环保政策的收紧，越来越多的电厂和行业专家提出了更多的节能降耗理念和措施。其中给水泵由主汽轮机同轴驱动便是一种有效的节能方式，利用主汽轮机效率高于给水泵汽轮机效率的特点，采用主汽轮机直接驱动给水泵以进一步提高给水泵驱动系统的整体效率；另一种提高给水泵驱动系统效率的方式为采用功率平衡系统，即为给水泵配置回热驱动式小汽轮机和功率平衡小发电机，利用增加给水泵汽轮机功率以及保持阀门全开的运行方式提高给水泵汽轮机全负荷区间的效率以提高给水泵驱动系统的整体效率。

无论是采用主汽轮机同轴驱动给水泵或者是功率平衡系统驱动给水泵，与常规的汽动给水泵配置相比，均需新增调速设备。在主汽轮机同轴驱动给水泵中，调速设备实现主汽轮机转速3 000 r/min向给水泵转速的无级调速，来满足给水泵变工况需求；在回热驱动式小汽机驱动给水泵的系统中，若小汽轮机采用3 000 r/min设计，则调速设备也需实现小汽轮机转速3 000 r/min向给水泵转速的无级调速，若小汽轮机采用变转速设计直接驱动给水泵，则小汽轮机与功率平衡发电机之间需设置调速设备以满足汽轮机转速向功率平衡发电机转速之间的变速调节，或者设置变频发电机实现电流变频。

本文将以汽轮机（3 000 r/min定转速）与给水泵（变转速）之间的无级调速设备为例展开进一步探讨。

2 总体分析

2.1 调速设备分类

在电厂同轴驱动给水泵或者功率平衡系统驱动给水泵的调速系统中，调速装置的主要功能是将输入端3 000 r/min的定转速经过变速后达到给水泵工作所需要的转速，并且调速装置输出转速能够随给水泵实际运行工况点的变化而变化，进行无级变速，实现给水泵流量和功率的任意变工况。

调速设备根据调速原理划分可分为液力调速和变频调速。目前，在火电厂工程应用中，国内已经投运的火电机组主要采用的是液力调速设备，其主要代表是Vioth公司生产的减速器及调速之星；近几年，市场竞争越来越激烈，以RENK公司产品为代表的变频调速设备也逐步进入火电厂消费者的视野。

随着发电技术的发展，机组的功率和参数均有了较大提高，在新型1 000 MW火力发电机组中，给水压力32 MPa以上，锅炉给水泵的功率已经超过了40 MW，这对调速设备也提出了更高要求，目前在发电行业中尚未有40 MW以上的无级调速设备运行业绩。

2.2 调速原理

Vioth调速之星是基于功率分配的原理，将给水泵汽轮机总的输入功率分为两部分，一部分功率通过主输入轴传递给旋转行星外齿圈，进而传递至输出轴，其功率和转速是固定的；另一部分经过泵轮、固定行星齿轮、旋转行星齿轮等传递给输出轴，该部分功率可通过调节泵轮的导叶打开或关闭而调整，从而最终调节输出轴的转速。其工作原理见图1。

图1 Vioth调速之星工作原理图

RENK公司的调速设备是典型的功率分流汇流型产品，在该设备工作过程中，输出端负载（给水泵功率）由两部分组成，一部分来自主驱动设备（汽轮机），另一部分来自变频电动发电机。当给水泵在高负荷点（高转速）运行时，变频电机处于电动机状态，输出功率给被驱动设备；当给水泵处于低负荷点（低转速）运行时，变频电机处于发电机状态，汽轮机必须提供部分功率用于变频电机发电，以实现输出转速的调节。在给水泵整个运行过程中，其转速的调节由变频电机实现，调节范围也取决于变频电机的大小，工作原理见图2。

图2 RENK变频调速工作原理图

无论是Vioth调速之星还是RENK公司的调速设备，从原理上看，两者均为双自由度的差动轮系，因此，根据差动轮系传速比与效率的关系（见图3），传动比（输入转速/输出转速）越小，效率越高，因此，要提升调速设备效率则必须减小调速设备的传速比，在实际工程应用中，汽轮机转速（3 000 r/min）和给水泵工作转速（约4 900 r/min）之比偏大，若将汽轮机转速直接作为输入转速，则传动效率太低，不具备工程应用价值。Vioth公司和RENK公司均采用在调速设备前增加减速箱的设计方案，将输入转速降低至1 500 r/min，然后再进行调速以提高整个调速系统的效率。

图3 差动轮系传速比与效率关系曲线

3 调速装置选型要素

由于大功率的调速设备（大于40 MW）在发电行业尚未有运行业绩，故在电厂锅炉给水泵调速设备选型时，需要对调速装置可行性进行全面的论证和分析，以确保工程应用的顺利。

3.1 传递功率

以国内某工程为例，其给水泵出力在最大工况下达到约46 MW。而Vioth液力调速器当前在电厂同轴驱动项目中使用的最大功率约28 MW，因此，若要采用液力调速器，则内部零件的结构尺寸需要进行放大设计，尤其是旋转行星外齿圈的结构要增大很多，设计难度大大增加。而RENK调速设备传递的功率一部分来自汽轮机，一部分来自变频电机，故变频电机功率的选择直接影响了主输入轴、主动轮和行星轮的结构尺寸设计，变频电机功率越大，其行星轮传递功率越大，结构尺寸越大。

3.2 整体效率

在汽轮机同轴驱动给水泵或者功率平衡驱动给水泵的系统中，效率是考虑的关键因素之一。就调速装置本身而言，调速之星在额定负荷下（假定选取额定负荷为设计点）的效率约95%，并且随着给水泵负荷点升高或降低，其效率均呈下降趋势，且波动相对较大，当给水泵负荷点降至75%时，其效率不足80%；而RENK变频调速装置在额定负荷下（假定选取额定负荷为设计点）的效率大于96%，且其效率随给水泵负荷变化而波动的差值较小，在调速设备运行的大部分范围内，其效率均大于90%。

在选择调速装置时，最主要的是考虑整个系统效率和电厂运行的收益最大化，因此，在选取调速设备的时候，需兼顾以下内容：

（1）电厂长期运行的负荷点以及各负荷点的运行时间；

（2）调速之星传递给给水泵的功率整个来自汽轮机，而RENK变频调速器传递给给水泵的功率一部分来自汽轮机，一部分来自变频电机，即给水泵部分功率呈电泵运行。

3.3 调速范围

给水泵的运行转速取决于发电机组的运行负荷点，发电机组的负荷运行区间一般为30%～100%，且电厂一般配置了30%的电泵，负荷低于30%时，电泵启动，因此，调速装置需保证能够在30%～100%负荷稳定输出给水泵需要的转速。

图4为调速之星功率传递示意图。

图4 Vioth调速之星功率传递示意图

在调速之星调速时，输入功率P分为两部分，一部分为主传动轴传递功率P1，另一部分为液力变矩器传递功率P2，P1为纯机械传动，效率较高，P2为液力传动，效率相对低；在传递功率P2的同时，还承担着调节输出转速的作用，P2占比越大，传递效率越低，但输出转速的调节范围越宽。P1和P2的功率分配可通过调速装置内部齿轮系以及液力变矩器泵轮等部件的结构尺寸进行合理设计，一般情况下，调速之星调速器的输出转速可满足给水泵20%～100%额定转速稳定运行。

图5为RENK变频调速功率传递示意图。

图5 RENK变频调速功率传递示意图

在RENK变频调速设备中，其传递功率一部分来自汽轮机P1，一部分来自变频电机P2，变频电机承担着调节输出转速的作用，且P2占比越大，传动效率越低，但输出转速的调节范围越宽。要保证输出转速的调节范围，则需提高P2占比，如此不但要调整调速设备内部齿轮系的结构尺寸，更重要的是选择功率合理的变频电机。在某火电工程中，变频电机功率占给水泵总功率约25%，其输出转速可满足给水泵40%～100%额定转速稳定运行。

综上，不管是调速之星还是变频电机调速，其调速范围与功率的传递效率、设计难度以及成本是息息相关的。

3.4 旋转方向

在锅炉给水泵驱动系统中，调速设备是传递功率和调节给水泵转速的重要设备。在调速设备选型中，应考虑其与汽轮机、给水泵旋转方向的配合。对Voith调速之星和RENK变频电机调速设备，其前端均设置了为提高功率传递效率而增加的减速器。对调速之星而言，汽轮机旋转方向在经过减速箱和调速之星本体之后，并未发生改变（从汽轮机看向给水泵）；而对RENK产品而言，汽轮机旋转方向在经过减速箱和变频调速设备之后，方向发生变化。因此，给水泵、调速装置和汽轮机的旋转方向必须进行配合，保持一致。

3.5 总体布置

由于Vioth调速之星和RENK变频调速器在调速原理上的差异较大，直接造成两种设备在外观和成本上存在较大差异。Vioth调速之星的调速部件全部集成为一体，采用整体机座，对外仅保持油路和轴系等接口，其集成度相对较高，而且占用场地小；相比之下， RENK变频调速设备的调速齿轮系本体和变频电机分开布置，采用分体基架，现场进行组装，此外，变频设备还需要一个恒温、恒湿的变频设备工作间，其投资成本和维护成本相对较高。

4 启停和运行

在常规的给水泵驱动系统中，汽轮机与给水泵通过联轴器进行连接，给水泵随汽轮机一起盘车、冲转、升负荷等，对于此同轴驱动和回热驱动式给水泵系统，由于汽轮机采用定转速设计，与给水泵之间存在调速设备，那么调速设备的启动、运行和退出也是驱动系统中的关键环节之一。

4.1 盘车及启动

汽轮机盘车是保护机组轴系的避免转子弯曲而普遍采取的最有效措施，常规给水泵驱动系统中，给水泵转子全程随汽轮机转子一起转动，为了避免给水泵低速运转时卡涩，汽轮机盘车装置绝大多数采用高速盘车。在本文所述的同轴驱动系统和回热驱动给水泵系统中，汽轮机与给水泵之间设置调速设备，则调速设备在启动过程中的运行状态与汽轮机的盘车设计和运行是有关系的。

若采用Vioth调速之星进行调速，则可在调速之星前端串联液力耦合器和膜片式离合器，通过控制膜片式离合器的工作状态而实现汽轮机转子与给水泵转子的离合，即可实现机组盘车、启动过程中汽轮机独自冲转、带电负荷后，再投入汽动给水泵。

若采用RENK变频调速设备，可在调速设备输出端增设刹车装置，使汽轮机在低转速下盘车时给水泵转子保持静止状态，而当汽轮机盘车完成并开始冲转后，给水泵随汽轮机按一定比例一起升转速，快速通过给水泵的低转速区（一般为200 r/min以内）进入汽轮机定速3 000 r/min阶段，进行暖机。启动过程示意见图6。

图6 RENK变频调速启动曲线

4.2 运行和停机

不管是同轴驱动给水泵或者功率平衡驱动给水泵，无论是液力调速还是变频调速设备，在运行过程中，给水泵只能够在调速设备的转速能力区间内进行变工况运行。

在机组正常停机时，汽动给水泵转速随锅炉负荷下降而降低，若调速设备最低输出转速对应的汽动给水泵负荷低于电厂所配置电动给水泵功率（一般为30%BMCR）时，例如Vioth调速之星最低输出转速对应负荷可达20%BMCR，则可在汽动给水泵降负荷至30%BMCR时快速切入电泵，退出汽泵；某火电机组回热驱动系统中采用了RENK变频调速设备，其最低输出转速对应负荷设计为40%BMCR，故在给水泵负荷随锅炉降至40%BMCR时，须先退出给水泵驱动系统中的功率平衡小发电机，然后，汽轮机阀门参与调节，按变转速运行降低调速装置的输入转速，进一步降低给水泵转速和负荷，待给水泵负荷降至30%BMCR时，切入电泵，因此，这大大增加了汽轮机的设计难度。

调速设备的调速范围与机组的启动、运行和停机关系密切，是电厂在对调速设备选型时必须考虑的重点因素之一。