1  引言
    近年來(lái)300MW抽汽供熱汽輪機(jī)組正在成為城市供熱主力機(jī)組。在建和準(zhǔn)備建設(shè)的供熱機(jī)組多為300MW汽輪機(jī)組。300MW供熱汽輪機(jī)組一般配有兩臺(tái)50%額定容量的汽動(dòng)給水泵，一臺(tái)30%額定容量的電動(dòng)給水泵或三臺(tái)50%額定容量的電動(dòng)給水泵。 
    我國(guó)運(yùn)行中和新建擴(kuò)建的熱電廠中，給水系統(tǒng)調(diào)節(jié)方式和給水泵型式和配置各不相同。盡管不同型式和不同配置的主給水系統(tǒng)都能滿(mǎn)足熱電廠的運(yùn)行需要，但作為電廠的重要輔機(jī)系統(tǒng)，其投資和運(yùn)行維護(hù)的經(jīng)濟(jì)性是不同的。按照國(guó)家“大力推動(dòng)以節(jié)能降耗為重點(diǎn)的設(shè)備更新和技術(shù)改造，加快淘汰高能耗、高耗水、高耗材的工藝、設(shè)備和產(chǎn)品”的要求，應(yīng)用循環(huán)軟啟動(dòng)變頻調(diào)速方案，實(shí)現(xiàn)300MW汽輪機(jī)組給水泵調(diào)節(jié)，取代小汽輪機(jī)調(diào)節(jié)和液力偶合器調(diào)節(jié)，初投資是節(jié)省的，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是簡(jiǎn)單的，運(yùn)行及維護(hù)費(fèi)用是節(jié)省的。
    上世紀(jì)80年代以來(lái)發(fā)達(dá)國(guó)家已應(yīng)用變頻器進(jìn)行電站給水泵的調(diào)節(jié),并逐步取代小汽輪機(jī)和液力耦合器。我國(guó)近年來(lái)高壓變頻器已成功的應(yīng)用到火電廠的送、吸風(fēng)機(jī),給水泵、凝結(jié)水泵、循環(huán)水泵、灰渣泵的生產(chǎn)技術(shù)改造中,其調(diào)節(jié)特性、節(jié)電特性和經(jīng)濟(jì)效益是其它調(diào)節(jié)方式無(wú)法比擬的。

2  主給水系統(tǒng)調(diào)節(jié)方式
    主給水系統(tǒng)的主要功能是將溫度、壓力和水質(zhì)合格的水送到鍋爐大汽包,并利用給水系統(tǒng)調(diào)節(jié)功能將汽包水位維持在允許范圍(給定范圍),它是保證鍋爐機(jī)組安全運(yùn)行和汽水品質(zhì)的重要熱工系統(tǒng)。主給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)可分為兩類(lèi);即定速給水泵給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)和調(diào)速給水泵給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)。
2.1 定速給水泵給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)
    定速給水泵給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)是保持給水泵特性曲線不變的條件下，通過(guò)改變主給水自動(dòng)調(diào)節(jié)門(mén)開(kāi)度從而改變主給水管道阻力特性曲線，來(lái)改變給水泵工作點(diǎn)的調(diào)節(jié)方式。這一調(diào)節(jié)方式節(jié)流損失大，給水泵單耗高，已是不爭(zhēng)的事實(shí)，屬于應(yīng)該“加快淘汰的高能耗工藝”之列。
 2.2 變速給水泵給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)
    變速給水泵給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)是在給水管道阻力特性曲線不變（主給水調(diào)節(jié)門(mén)全開(kāi)）的條件下，通過(guò)改變給水泵轉(zhuǎn)速來(lái)改變給水泵特性曲線，實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)給水流量，控制鍋爐汽包水位的目的。
    變速給水泵給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)，就其原動(dòng)機(jī)來(lái)分，可分為小汽輪機(jī)和電動(dòng)機(jī)兩種方式。汽動(dòng)給水泵由小汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)，小汽輪機(jī)接受給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)流量、壓力和水位信號(hào)，并通過(guò)小汽輪機(jī)進(jìn)汽量，調(diào)節(jié)給水泵轉(zhuǎn)速；電動(dòng)給水泵又分液力耦合器調(diào)節(jié)和變頻調(diào)節(jié)兩種。液力偶合器調(diào)節(jié)是以油做工質(zhì)，由原動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)泵輪（主動(dòng)輪）將機(jī)械功率傳遞給工質(zhì)油，帶動(dòng)渦輪（從動(dòng)輪）旋轉(zhuǎn)，液力耦合器接受給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)的流量、汽壓、水位信號(hào)，通過(guò)勺管控制機(jī)構(gòu)改變液力耦合器充油量來(lái)調(diào)節(jié)給水泵轉(zhuǎn)速；變頻器則是通過(guò)改變異步電動(dòng)機(jī)定子的供電電源頻率ｆ及電壓Ｖ使同步轉(zhuǎn)速變化，從而改變異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，變頻器接受給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)流量、汽壓、水位信號(hào)，通過(guò)改變電源頻率和電壓調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。
2.3 不同調(diào)速方式技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析
    小汽輪機(jī)調(diào)節(jié)、液力耦合器調(diào)節(jié)和變頻調(diào)節(jié)都能實(shí)現(xiàn)給水泵的調(diào)節(jié)功能，達(dá)到調(diào)節(jié)的目的。但其初投資、維護(hù)費(fèi)用和運(yùn)行費(fèi)用各不相同。
2.3.1 投資經(jīng)濟(jì)比較
    （1）汽動(dòng)給水泵投資構(gòu)成主要是給水泵、小汽輪機(jī)、抽汽管道、調(diào)節(jié)管道系統(tǒng)，前置泵減速機(jī)構(gòu)，小汽輪機(jī)汽封系統(tǒng)、疏水放汽系統(tǒng)、小汽輪機(jī)排汽管道等，以及由于小汽輪機(jī)占地面積和空間等因素影響到主廠房空間增加較多等，初投資也較大。 
    （2）液力耦合器調(diào)速給水泵投資構(gòu)成主要是給水泵、電動(dòng)機(jī)、液力耦合器、開(kāi)關(guān)柜、電纜等。
    （3）變頻器調(diào)速給水泵投資構(gòu)成主要是給水泵、電動(dòng)機(jī)、變頻器、開(kāi)關(guān)柜、電纜。由于變頻軟啟動(dòng)，則廠用變壓器啟動(dòng)容量可不考慮給水泵啟動(dòng)沖擊電流問(wèn)題，變壓器容量可相應(yīng)減少，這也可以減少相應(yīng)初投資。
2.3.2 維修經(jīng)濟(jì)比較
    （1）汽動(dòng)給水泵年維修費(fèi)用高出液力耦合器年維修費(fèi)用3倍。主要有給水泵小汽輪機(jī)，前置泵減速機(jī)構(gòu)，潤(rùn)滑油系統(tǒng)、小汽輪機(jī)疏水放汽系統(tǒng)、小汽輪機(jī)汽封系統(tǒng)與主汽輪機(jī)相比，麻雀雖小五臟具全，與電動(dòng)給水泵相比無(wú)疑大大增加了維修工作量，備品配件及消耗材料的數(shù)量小汽輪機(jī)除需定期小修維護(hù)外，還需定期（4年）大修揭蓋檢查通流部分等。
    （2）液力耦合器年維修費(fèi)用是小汽輪機(jī)年維修費(fèi)用的四分之一。液力耦合器調(diào)速給水泵的維修量除給水泵外，主要是液力耦合器的油系統(tǒng)和冷卻水系統(tǒng)與小汽輪機(jī)比較維修量較小，其維修費(fèi)用只占小汽輪機(jī)維修費(fèi)的四分之一。
    （3）變頻器年維修費(fèi)用最小。變頻器是高科技電力電子產(chǎn)品，設(shè)計(jì)壽命為15年，設(shè)計(jì)安裝位置得當(dāng)（無(wú)粉塵）一般無(wú)需維修，年維修費(fèi)用可以忽略不計(jì)。
2.3.3 運(yùn)行經(jīng)濟(jì)比較
    根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道汽動(dòng)給水泵配置方式與電動(dòng)給水泵液力耦合器配置方式相比在運(yùn)行上并不經(jīng)濟(jì)；同等條件下液力耦合器調(diào)速電動(dòng)給水泵比變頻調(diào)速電動(dòng)給水泵多耗電15%。
    綜上所述,汽動(dòng)給水泵初投資高,系統(tǒng)復(fù)雜,所占平面與空間均較大,維護(hù)費(fèi)用高;液力耦合器調(diào)速給水泵初投資較高,系統(tǒng)較復(fù)雜,維護(hù)費(fèi)用較高,節(jié)電率較差；變頻調(diào)速給水泵,初投資較低,系統(tǒng)簡(jiǎn)單,維護(hù)費(fèi)用低,節(jié)電率較高。故300ＭＷ汽輪機(jī)組調(diào)速給水泵配置順序應(yīng)以:
    （1）變頻調(diào)速給水泵；
    （2）液力耦合器調(diào)速給水泵；
    （3）小汽輪機(jī)調(diào)速給水泵為宜。

3  300MW汽輪機(jī)組給水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
    300MW汽輪機(jī)組給水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。給水系統(tǒng)流程為，除氧氣、前置泵、鍋爐給水泵或電動(dòng)給水泵、高壓加熱器、主給水調(diào)節(jié)門(mén)及其旁路門(mén)、省煤器入口聯(lián)箱、省煤器出口聯(lián)箱、鍋爐汽包。

圖1  300MW汽輪機(jī)組給水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

4  300MW汽輪機(jī)組給水泵變頻調(diào)速方案
    液力耦合器調(diào)速需要每臺(tái)泵裝一臺(tái)液力耦合器，變頻調(diào)速則不然，無(wú)論是配備兩臺(tái)100%額定容量給水泵，還是配備三臺(tái)50%額定容量給水泵，只要配備一臺(tái)變頻器就可以方便地實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)和變頻調(diào)速，這是液力耦合器無(wú)法做到的。
4.1 一拖三循環(huán)軟啟動(dòng)變頻調(diào)速方案
    300ＭＷ汽輪機(jī)組往往配備三臺(tái)50%額定容量的給水泵,兩臺(tái)運(yùn)行一臺(tái)備用。所謂一拖三循環(huán)軟啟動(dòng)變頻調(diào)速方式就是利用一臺(tái)變頻器通過(guò)切換分別實(shí)現(xiàn)三臺(tái)給水泵的軟啟動(dòng)和變頻調(diào)速,如圖2所示。這一方案的特點(diǎn)是一臺(tái)變頻器通過(guò)切換可以分別實(shí)現(xiàn)三臺(tái)泵中任意一臺(tái)泵的軟啟動(dòng)和變頻調(diào)速運(yùn)行,提高了變頻器的利用率。既實(shí)現(xiàn)了給水泵的軟啟動(dòng),又實(shí)現(xiàn)了給水泵的變頻調(diào)速。這一方案的運(yùn)行方式是鍋爐機(jī)組滑啟和50%額定負(fù)荷以下時(shí)，一臺(tái)給水泵變頻調(diào)速運(yùn)行；50%額定負(fù)荷到100%額定負(fù)荷時(shí),為兩臺(tái)給水泵一工一變運(yùn)行(即一臺(tái)工頻運(yùn)行，一臺(tái)變頻運(yùn)行),工頻泵帶固定流量其揚(yáng)程由鍋爐機(jī)組運(yùn)行參數(shù)(汽包壓力加汽包水位到給水泵水柱高加管道阻力之和)決定。變頻泵調(diào)節(jié)給水流量,保持鍋爐水位。

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 圖2  一拖三循環(huán)軟啟動(dòng)變頻調(diào)速給水泵原理接線圖

4.2 工、變頻同步切換是循環(huán)軟啟動(dòng)的關(guān)鍵
    利用一臺(tái)變頻器實(shí)現(xiàn)循環(huán)軟啟動(dòng)變頻調(diào)速的關(guān)鍵是工頻與變頻同步切換技術(shù)。這是因?yàn)殄仩t機(jī)組運(yùn)行中一刻都不能間斷供水。有鑒于此，變頻調(diào)速運(yùn)行中的給水泵切換到工頻運(yùn)行，不能瞬間斷電，即不能先斷開(kāi)變頻開(kāi)關(guān)，再合上工頻開(kāi)關(guān)，只能是在變頻調(diào)速運(yùn)行中的（#1）給水泵與#1給水泵工頻電源開(kāi)關(guān)進(jìn)行同步并列，合#1給水泵工頻電源開(kāi)關(guān)后，再斷開(kāi)#1泵變頻開(kāi)關(guān)。實(shí)現(xiàn)給水泵從變頻運(yùn)行到工頻運(yùn)行的同步平穩(wěn)過(guò)渡和切換。
    實(shí)現(xiàn)同步切換的關(guān)鍵是同步切換軟件系統(tǒng)和PLC控制系統(tǒng)。同步切換軟件系統(tǒng)的主要功能是通過(guò)運(yùn)行中的變頻調(diào)速系統(tǒng)與工頻電網(wǎng)進(jìn)行自動(dòng)準(zhǔn)同期調(diào)整,做到相序一致(這是接線時(shí)已經(jīng)確定了的),電壓相等(同步切換軟件系統(tǒng)完成),頻率差小于0.5Hz,直至相位誤差小于設(shè)定值(同步切換軟件系統(tǒng)完成),PLC發(fā)出指令,工頻電源開(kāi)關(guān)同步合閘。經(jīng)檢定同步合閘正常后,斷開(kāi)變頻開(kāi)關(guān)。
4.3 一定一變并列運(yùn)行原理
    兩臺(tái)定速泵并列運(yùn)行和兩臺(tái)變速泵并列運(yùn)行人們是熟悉的。一定一變并列運(yùn)行只要保持揚(yáng)程相同也是可行的。300ＭＷ機(jī)組主給水泵的調(diào)節(jié)功能（手動(dòng)和自動(dòng)）是在汽包壓力一定、主給水調(diào)節(jié)門(mén)全開(kāi)的條件下，通過(guò)改變給水泵轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)給水流量，保持鍋爐汽包水位。鍋爐啟動(dòng)過(guò)程中和50%額定負(fù)荷以下一臺(tái)泵（1號(hào)）變頻運(yùn)行；鍋爐負(fù)荷超過(guò)50%額定負(fù)荷時(shí)，一臺(tái)泵（1號(hào)）的流量滿(mǎn)足不了需要，需要啟動(dòng)另一臺(tái)泵（2號(hào)）并列運(yùn)行，此時(shí)將運(yùn)行中的變頻泵（1號(hào)）切換到工頻定速運(yùn)行。帶固定流量其揚(yáng)程由汽包壓力加汽包水位到給水泵水柱高加管道阻力之和決定，用變頻器軟啟動(dòng)另一臺(tái)（2號(hào)）泵變頻調(diào)速運(yùn)行，根據(jù)需要調(diào)節(jié)流量，保持鍋爐水位。工頻定速泵（1號(hào)）對(duì)應(yīng)最佳工作點(diǎn)帶固定流量，變頻調(diào)速泵（2號(hào)）對(duì)應(yīng)工作點(diǎn)調(diào)節(jié)流量。工頻定速泵特性曲線與運(yùn)行揚(yáng)程的交點(diǎn)即是工頻定速泵的工作點(diǎn)，其對(duì)應(yīng)流量即為工頻定速泵的流量。對(duì)應(yīng)變頻調(diào)速泵特性曲線與運(yùn)行揚(yáng)程的交點(diǎn)為變頻泵的工作點(diǎn)，其對(duì)應(yīng)的流量即為變速泵的流量。工頻定速泵與變頻調(diào)速泵流量之和即為總流量。如圖3所示。

圖3  工頻定速泵與變頻調(diào)速泵并列運(yùn)行調(diào)節(jié)原理圖

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4.4 一拖三循環(huán)軟啟動(dòng)變頻調(diào)速給水泵特點(diǎn)
    應(yīng)用變頻器實(shí)現(xiàn)電動(dòng)給水泵循環(huán)軟啟動(dòng)和調(diào)速運(yùn)行是主給水系統(tǒng)電動(dòng)給水泵啟動(dòng)和調(diào)節(jié)方式的一場(chǎng)變革。這一方式從根本上解決了液力耦合器調(diào)速的所有弊端。其主要特征是：
    （1）實(shí)現(xiàn)了給水泵的軟啟動(dòng)，減少定壓下啟動(dòng)的沖擊電流，縮短了啟動(dòng)時(shí)間，減少了啟動(dòng)過(guò)程中的鐵損、銅損和對(duì)主絕緣的損傷。
    （2）實(shí)現(xiàn)了給水泵的無(wú)級(jí)調(diào)速,調(diào)速精度高(0.01Hz)解決了液力耦合器丟轉(zhuǎn)問(wèn)題。
    （3）高效率（變頻器效率可達(dá)到98%）、高功率因數(shù)（變頻器工率因數(shù)可達(dá)到0.98）、高節(jié)電率（節(jié)電率在相同條件下高于液力耦合器15%以上）。
    （4）具有工業(yè)網(wǎng)絡(luò)及通訊接口，可以方便地實(shí)現(xiàn)DCS的啟動(dòng)、停止、聯(lián)鎖、閉鎖、開(kāi)環(huán)、閉環(huán)、手動(dòng)、自動(dòng)控制。
    （5）保護(hù)功能齊全，具有過(guò)流、輸出電壓異常、過(guò)載、電機(jī)過(guò)熱、冷卻風(fēng)機(jī)異常等、停電檢測(cè)、接地檢測(cè)等功能。
    （6）維護(hù)量小、故障率低、使用壽命長(zhǎng)，一般可以達(dá)到80000h無(wú)故障。
    （7）年運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于液力耦合器。

5  二拖三軟啟動(dòng)變頻調(diào)速給水泵方案也是可行的
    一拖三軟啟動(dòng)變頻調(diào)速給水泵理論上是可行的，但尚無(wú)運(yùn)行實(shí)踐，人們不免擔(dān)心，萬(wàn)一變頻器故障怎么辦，其實(shí)這很簡(jiǎn)單，增加一臺(tái)變頻器問(wèn)題就解決了。其原理圖如圖4所示。

 圖4  二拖三軟啟動(dòng)變頻調(diào)速給水泵方案原理圖

    這一方案在鍋爐機(jī)組啟動(dòng)時(shí)可以用#2（#3）給水泵變頻啟動(dòng)帶負(fù)荷至50%額定容量時(shí)，啟動(dòng)#1給水泵，運(yùn)行正常后可將#2（#3）給水泵切換到工頻運(yùn)行，以#1給水泵變頻調(diào)速運(yùn)行，保持鍋爐水位。#3（或#2）變頻給水泵做備用。
這一方案盡管增加了一臺(tái)變頻器，其初投資也不高于汽動(dòng)給水泵，其綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較是可取的。

6  結(jié)束語(yǔ)
    變頻調(diào)速是當(dāng)代最先進(jìn)、最可靠、最高效的調(diào)速技術(shù)。低壓變頻器在火電廠已得到了廣泛應(yīng)用，在實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制和節(jié)能降耗上收到了良好效果，已被社會(huì)所公認(rèn)。高壓變頻器在火電廠的送、引風(fēng)機(jī)、排粉機(jī)、灰渣泵、循環(huán)水泵、汽機(jī)凝結(jié)水泵、母管制給水泵等技術(shù)改造、新建、擴(kuò)建機(jī)組中，已經(jīng)和正在廣泛得到應(yīng)用。高壓變頻器在電廠的應(yīng)用，已經(jīng)和正在得到人們的普遍重視。
    節(jié)能降耗是基本國(guó)策，也是長(zhǎng)遠(yuǎn)方針，對(duì)待節(jié)能降耗要像對(duì)待環(huán)保那樣應(yīng)從根本上加以重視。主給水泵是必須進(jìn)行調(diào)節(jié)的主要輔機(jī)，也是火電廠單機(jī)耗電量最大的輔機(jī)，應(yīng)用變頻器進(jìn)行一拖三循環(huán)軟啟動(dòng)變頻調(diào)速或二拖三變頻調(diào)速運(yùn)行 是主給水泵調(diào)速的最佳選擇。