Discussion on Application of Mechatronics Planetary Gear Speed Regulation and Frequency Conversion Speed Regulation

液力偶合调速电动给水泵是发电厂生产过程中的主要辅机之一，因液力偶合器相对于定速泵+调节阀的控制方式有着无级调速的优点，因此，我国在上个世纪七十年代末期，开始从国外引进并逐步有了国产化产品。考虑到性价比问题，国产液力偶合器一段时期广泛应用于火力发电机组中。作为电厂最大辅机设备的电动机驱动给水泵，虽然配有液力偶合器，但给水泵耗电率一直居高不下，直接影响到全厂经济技术指标和节电效益。燃煤火力发电机组锅炉全配置的液力偶合器调速电动给水泵耗电量约占单元机组发电量的2.5％～4％（因纯凝、供热、空冷、压力等因素不同而不同），是机组辅机中最大的耗电设备^[1]，尤其是空冷机组，厂用电率高达10％左右。以常规330 MW亚临界煤粉锅炉机组为例，2台给水泵电机容量相当于送风机、引风机和1次风机6台风机容量的总和，耗去35％左右的厂用电。电动给水泵耗费的电功率除了正常所需外，液力偶合器滑差调节产生的热耗损失了部分功率，直接影响到全厂的供电煤耗、发电成本等指标。

按行业规定，锅炉给水泵容量的选择都是根据机组最大连续工况来确定设计选型点，确保机组长期运行后仍能维持额定出力，并为给水泵从静止状态进入正常运行工况提供足够的启动动力，辅机额定功率通常要比额定工况出力高出10％左右。为了保证机组能够适应各种负荷下的运行工况，平衡辅机动力超出实际出力的偏差，就要对辅机进行必要的出力调节。另外，机组或辅机都有一个最佳的经济运行曲线，设备的特性不同、调节手段、方式不同，形成的实际运行工况会影响设备偏离经济运行曲线，偏离多少将产生不同能量消耗，所以，改造给水泵非常必要。

一种被公认为是节能、高效的交流调速方式，在工业领域内被广泛应用。用变频器替代液力偶合器控制锅炉给水泵也许是兼顾了投资和节电2个方面最合适的改造方法。变频调节给水泵转速与液偶间接调速不同，变频器通过改变给水泵电动机的供电频率直接调节给水泵的转速，始终让电动机具有较高的工作效率。同时，电动机的功率消耗也与给水泵的转速有了3次方的关联关系（当然实际给水泵组运行还受到系统工况的影响，节能量未必和理论完全相符，但节能的方向是确定的），如果再改变液力偶合器的工作方式或干脆采用机械方式传递动力到给水泵，液力偶合器的热损耗也被消除了。高压变频器直接调节给水泵电动机可降低给水泵组的用电损耗。因此，给水泵变频节能改造方案作为首推最优方案应用于火力发电厂电动给水泵节能改造中^[1]。

电动给水泵节能改造考虑的出发点不同，改造方案也层出不穷，广州某300 MW机组在给水泵节能改造中采用直接针对液力偶合器的方案，将液力偶合器（型号R16K400M）替换为行星齿轮调速装置（型号VECO Driver/RE450-F5-42），此型号行星齿轮调速装置^[2]在该电厂给水泵上的应用是全球的首个案例。目的是为了给水泵的节能，但选择的方案值得认真商榷。要发掘给水泵节能空间，首先要对整套给水泵组当前能耗进行分析。

为探讨行星齿轮调速装置与变频调速2种方案的实际适用性，通过对液力偶合器能耗分解，得出液力偶合器耗能点，其次对给水泵变频调速与行星齿轮调速的设备本身数据进行比对、运行工况进行分析，且结合采用变频调速进行节能改造的给水泵的实际运行情况。综合探讨液偶调节的锅炉电动给水泵组调速改造，行星齿轮调速与变频调速哪种方案更为适用。

液偶调速锅炉电动给水泵组的原理如图1所示。按现行设计标准规定，锅炉给水泵选型点容量比机组ECR铭牌出力要高出20%左右。那么，机组正常运行中，机组即便在额定负荷运行，电动给水泵仍然有20%的富裕容量。按电动机设计原理，当轴功率偏离电动机额定功率时，其功率因数和效率都将偏离电动机的最佳工作点，将产生额外的能量损耗，偏离额定功率，损耗越大，这部分损耗占电动给水泵组总损耗的60%～75%。液力偶合器同样有能量损耗，占比25%～40%，主要因为液偶调速时工作油摩擦生热产生的^[3]。采用给水泵电动机增配高压变频器来实现给水泵的调速节能，方案有多种。节能的理论依据是“泵与风机相似性定律”中的“电机功率与转速的3次方成正比”，实际在组成给水泵泵组后，系统特性对泵与风机相似性定律有一定偏移，电机转速下降，功率下降并没有达到3次方的函数关系，但节能率在12%～40%（对应机组负荷率100%～60%）毋庸置疑。

Figure 1.  Energy consumption analysis of boiler electric feed pumps regulated by hydrodynamic couplings

国内给水泵变频调速案例较多，电厂里典型应用有以下两种：一种是“纯电调”改造（图2）；另一种是“电液并存”改造（图3）^[4]。纯电调改造有以下优点：第一，有最高的节能效果，降低厂用电率可达0.85%～1.0%（年平均负荷60%～85% ECR）；第二，具有与给水泵组改造前相同的调速范围（25%～100%）和全工况安全性能。纯电调方案尤其适配于300 MW以上机组。

Figure 2.  Schematic diagram of the principle of shift from hydrodynamic coupling to electric frequency conversion regulation

Figure 3.  Schematic diagram of the principle ofshift from hydrodynamic coupling regulation to a combination with electrohydraulic regulation

电液并存改造方案，给水泵电动机增配变频器，液偶保留，泵组运行时，液偶维持液力联轴器功能^[5-6]。该种方案优点是改造相对简单，相比纯电调方案整体节能效果低25%。在极端运行工况下，例如机组大幅度甩负荷，安全性能与改前相比降低，变频调速范围只有60%～100%，液偶调速维持原有性能，25%～100%。国内给水泵纯电调方案最长已安全运行14年（电机额定功率5.4 MW/6 kV），纯电调改造单台给水泵电动机容量最大的为11 MW/10 kV，安全运行也有5年时间。

在给水泵变频节能改造方案作为首推最优方案大量应用于火力发电厂电动给水泵节能改造之时，市场上出现一套自认为最新的机电一体化行星齿轮转机调速方案，利用行星齿轮调速替换原有液力偶合器，一体化行星齿轮调速装置原理如图4所示。

Figure 4.  Mechatronics planetary gear speed regulation principle schematic diagram

采用一体化行星齿轮调速替代原来液力偶合器调速的方案，其改造完成后的原理如图5所示。行星齿轮调速装置的提供商公开资料显示采用的这一创新解决方案由机械行星齿轮和变频伺服电动机组成，机电一体化行星齿轮调速装置是最为高效的转速调节方式，总体组件效率高达90%以上。据此，该公司给出了机电一体化行星齿轮调速系统（型号VECO Driver/RE450-F5-42）与VFD高压变频调速系统应用效率对比曲线，从图6可见行星齿轮调速装置比高压变频器的效率高2.5%～3%。若果真如此，采用该行星齿轮调速系统代替高压变频器对液偶调速给水泵组进行改造肯定更为节能，但下结论之前有几个关键技术问题必须要进行分析。

Figure 5.  Schematic diagram of the speed regulation principle of shift from hydrodynamic coupling to mechatronics planetary gear

Figure 6.  Comparison curve diagram of application efficiency between planetary gear speed regulation device and high-voltage inverter

首先，我们把锅炉给水泵液偶调速与行星齿轮调速装置进行系统对比，如图7所示，利用行星齿轮调速装置调速取代液偶调速，如果给水泵电动机没有增配高压变频器，那么，从能耗分析的角度看，给水泵电动机原有的能耗损失依旧存在。道理很简单，给水泵电动机没有做任何改动，和原来的运行方式完全一样，能耗损失自然不会减少。

Figure 7.  Comparison of speed regulation of mechatronics planetary gear and hydrodynamic coupling

其次，行星齿轮调速装置的工作效率再高，即便为100%，节能效果也只能是行星齿轮调速装置和液力偶合器相对比，节能的最大值就是液偶能量损耗的份额（占给水泵组总损耗的25%），如图7所示。既然用行星齿轮装置调速替换液力偶合器调速，就要与液力偶合器进行全面技术比对，液力偶合器的效率要比行星齿轮装置调速低。但是，液偶的调速范围是25%～100%，要看行星齿轮调速装置是否能够与液偶的转速调整范围相同。如果行星齿轮变矩调速器调速范围是55%～105%，给水泵启动初期的运行方式就需要仔细探讨，内容涉及管道、再循环阀以及并泵方式等。

再者，比较两者必须采用相同的边界条件、相同的工作环境、相同的功能，如图8和图9所示。再看行星齿轮调速装置与高压变频器应用效率对比曲线，如图6所示，该曲线有明显的误导性。给水泵组节能改造，是系统性改造，单独1台设备的特性在成为系统中的一员后，特性会发生变化，加之起到的作用不同，对系统节能的贡献就要从系统整体效果来进行评价。就算是高压变频器比行星齿轮调速装置的设备效率低2.5%～3%，但因变频器调节的是给水泵电动机转速，所以给水泵电动机的能量损耗可占给水泵组总损耗的75%。电动机变频调速节能有理论根据也有实践证明，行星齿轮调速装置设备效率再高，节能效果也只能在给水泵组总损耗的25%范围内做文章。所以，离开具体的系统，具体的作用来谈单台设备的效率，给用户的视觉印象，机电一体化行星齿轮调速装置比电动机变频调速更节能，这并不是单纯的技术性对比，如此会偏离基本事实。

Figure 8.  Comparison of speed regulation of mechatronics planetary gear device and motor frequency conversion

Figure 9.  Comparison of mechatronics planetary gear device and hydrodynamic coupling

最终，采用机电一体化行星齿轮调速装置调速方案，相当于更换了1台液力偶合器。但实际上改造的工程并非仅此而已，给水泵液偶调速泵组原有的液偶输入轴和输出轴并不同轴，水平间距400多mm，而行星齿轮调速装置输入、输出同轴，改造是要大动干戈的，设备、基础都要动^[7-8]，存在问题如下：

1）行星齿轮调速装置比液力偶合器在设备和工程造价高；

2）这种改造是否算过何时能够收回成本；

3）行星齿轮调速装置长期的维护、检修费用是否考虑。（注：既然号称全球首台业绩，那么目前或短期内国内无人能检修，行星齿轮调速装置提供商派人来修，需沟通好价格，根据同类型设备比对，单单一项人工费就能让人惊到。当然，若不考虑费用，则一切自由。 ）

上述这些问题其实已仁者见仁智者见智。通过国内上百台的给水泵增配变频器方案比对，3年左右，至多5年，即可收回投资成本。行星齿轮调速装置方案的成本回收时间大于给水泵增配变频器方案的成本回收时间。

根据国内给水泵液偶调速改变频接近200台成功案例，以及对照液偶调速能耗分析，以节能效果最好的纯变频电调方案比液偶改行星齿轮调速装置（给水泵电机恒速）方案节电率要高出75%^[1]，两种方案节能改造效果的对比图如图10所示。

Figure 10.  Comparison of energy-saving retrofit effects of two schemes

行星齿轮调速装置替换原有液力偶合器^[9]之前，电动给水泵启动采用工频直接启动，启动之时液力偶合器勺管一般开至5%位置，如此设置可使启动给水泵之时电动机输出功率小，电动机瞬间启动电流可控，待行星齿轮调速装置替换原有液力偶合器方案实施之后，调速范围只有55%～100%，直接启动输出功率大，给水泵电动机启动瞬间冲击电流不可控，对厂用电网冲击很大，长年累月，大概率会发生因电动机启动电流大而导致电动机故障情况，电动机维修费用高，且修复周期长，影响机组安全运行，所以此种方案还要需要增配固态软启设备，如图11所示。

Figure 11.  The planetary gear speed control scheme requires an additional high-pressure solid-state soft start

液力偶合器的英文名称是：GEARED VARIABLE SPEED COUPLING，COUPLING，既可以翻译成“耦合”，也可以翻译成“联轴器”，因此，液偶实际上有一项重要的功能就是“联轴器”，那么行星齿轮调速装置也是联轴器，与液偶的功能基本一致，即便行星齿轮的传递效率高一些，但调速范围只有55%～100%，而液偶的调速范围是25%～100%^[9]，行星齿轮的调速性能并不如液偶的调速性能。行星齿轮调速装置替换原有液力偶合器方案，给水泵电动机未增配高压变频器，却额外的增加高压固态软启，实际正常运行中固态软启退出，多花了不该花的费用，还增加许多本不应该增加的维护成本，实不可取。

机电一体化行星齿轮装置是通过Distributed Control System（DCS）、Voith Control Unit（VCU）及低压变频器相应电机模块单元之间的通信，实现从动轴的转速调节。通过分散式控制系统（DCS）从外部指定的转速额定值经过VCU处理，然后作为扭矩额定值传输至电机模块单元。扭矩额定值由电机模块单元处理，频率和电流经过相应设置。伺服电机把扭矩通过行星支架传输至行星齿轮，由此设置相应的从动转速。

简而言之，图11中2台B伺服电动机通过2台低压变频器+VCU（图4中的⑤）调节，根据负荷需要调节低压变频器更改伺服电机的转速从而控制从动轴（图12中的②）的输出转速，如果2台低压变频器中的任何1台变频器出现故障，那么该台行星齿轮装置便彻底失去调节能力，相比于高压变频调节方案的只增加1台高压变频器，此种改造方案增加2台低压变频器，故障风险明显增加。另外，高压变频器一般都具有单元旁路功能，即变频器中单元体出现故障，高压变频器会执行单元自动旁路功能，不影响高压变频器继续正常运行，然而低压变频器一旦发生故障，就立即停止输出，没有对应的预防措施，所以采用行星齿轮装置方案明显比高压变频调速方案安全裕度低。

Figure 12.  Internal structure diagram of the mechatronics planetary gear speed regulation device

行星齿轮装置把驱动机的恒定输入转速转换为针对工作机的可变输出转速。行星齿轮装置的功能源于功率分配原理。选择使用齿轮链中的2个开关连接器。通过开关连接器可将伺服电机接合至主传动轴，借助2个变频器调控的转速可变伺服电机，通过齿轮链（图12中的⑧）传递功率。

根据行星齿轮装置本身的设计特质，其调节调速范围只有55%～100%^[1]，与此同时具有回转点（低压变频器不参与调节时的行星齿轮额定速比输出），通过2个伺服电机可以把从动轴调节至额定转速最高点，也可以把从动轴调节至最低点，所以低压变频器根据调节需求以回转点为界限存在电机模式（图13）与发电机模式（图14）2种状态。电机模式从动转速介于额定点和回转点之间时，电机模式运行，它们驱动着行星支架。在此，所装的伺服电机功率定义整个驱动系的调节范围；转速低于回转点时，发电机模式运行。它们制约行星支架，通过四象限低压变频器把功率回传至电源，以上为行星齿轮装置功率传输原理。

Figure 13.  Schematic diagram of power flow in motor mode

Figure 14.  Schematic diagram of power flow in generator mode

那么在行星齿轮装置输出轴转速低于回转点发电机模式运行之时，此时伺服电动机为制约行星支架通过变频器向电网馈电，归根到底伺服电动机反馈至电网上的功率最原始来源是主电动机（图4中的①），驱动主电动机的功率是从电网上直接下来，发电机模式下一部分功率根据运行状况通过伺服电动机经变频器馈电至电网，从能量平衡角度来讲没有能量损失，但是伺服电动机以及变频器都有额定效率，并且效率不可能为100%，那么整个能量传递过程中必然存在能量损失，也就是说在整体调节过程中，输出轴转速低于回转点时，存在能量效率损失，而且是持续性的。

1）随着国内电力电子技术的不断突破与发展，高压变频器的可靠性和维护便利性完全满足电长期运行安全的要求，在满足给水泵的调速性能方面，高压变频器优于机电一体化行星齿轮调速装置^[2]。

2）投资费用高压变频器低于行星齿轮调速，给水泵变频改造中采用高压变频器调节方案节能效果比行星齿轮调速方案至少高出75％，而且不会产生调节过程中的能量反馈情况，从而因传递效率问题产生的能量无故损失。

3）从投资、安全、节能以及施工难度多方面考虑，高压变频器在火力发电厂锅炉液偶调速电动给水泵的节能改造应用中比机电一体化行星齿轮调速装置更为合适。