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摘要：锅炉给水泵是火力发电厂最为重要的辅助设备之一。而电动给水电耗占全厂辅助用电比例较大,在项目投标过程，正确的计算给水泵轴功率是考虑电厂辅助用电一个重要方面。本文结合项目投标过程中的经验，对如何计算给水泵的轴功率，做一个整体的总结说明。
关键词：电动给水泵，轴功率计算，流量，扬程，效率，调速变频
一、引言
目前海外电站EPC投标竞争日益白热化，同时业主对电站性能要求也在提高。作为EPC投标方，在投标过程，较为准确的计算辅助设备用电，是抵御性能风险的重要手段。
锅炉给水泵是火力发电厂中的重要设备之一，其任务是将除氧气储水箱内具有一定温度的给水提高到足够的压力，输送给锅炉，作为锅炉给水。针对电机驱动的给水泵，分析其的轴功率计算，对正确的得出电厂能耗有重要意义。
二、给水泵轴功率计算
电厂用给水泵为了适合锅炉负荷变化的需求，要求在调节改变给水流量后，给水泵的出口压力变化较小，因此结构为多级离心式水泵。
可知计算轴功率需要知道水泵运行工况下的流量，扬程，泵效率，液耦、变频调速效率。以下总结这些参数如何获得。
计算电厂某个工况下的给水泵轴功率，首先要计算出泵的选型容量，扬程，水温相关参数发给泵厂家，作为厂家泵选型的基础，从而得到泵的性能曲线，就能查到对应流量的泵效率。
1.容量
给水泵的选型容量主要取决于主机参数和汽轮机厂家。当一个电厂已经定了机组出力，主机蒸汽参数和汽机厂家，则给水泵容量相当于已经定了。主机参数（蒸汽温度，压力，机组出力）选定后，汽轮机厂家会提供相应的汽轮机热平衡图。以图中汽轮机最大连续出力（TMCR）工况或是汽轮机阀门全开（VWO）工况的主给水参数为基础，再根据业主标书中具体要求就可以计算出锅炉连续最大蒸发量（BMCR）。
给水泵的选型容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高于锅炉的最大连续蒸发量。其容量的选择原则一般是：
给水泵的出口总容量（即最大给水消耗量，不包含备用给水泵）应为：
1)对于汽包锅炉宜为锅炉最大连续蒸发量的110%；
2)对于直流锅炉宜为锅炉最大连续蒸发量的105%；
3)对于具有快速切负荷功能的机组，给水泵出口的总流量还应包括高压旁路减温水的流量；
而给水泵入口的总流量，还应加上供给再热蒸汽调温用的从泵中间级抽出的流量，以及漏出和注入给水泵轴封的流量差（此项通常为泵厂家考虑范围）。
计算某个工况给水泵轴功率时，只需根据汽机热平衡图上的流量作为输入参数即可。
2.扬程
给水泵的扬程是要保证向锅炉连续供水、安全运行。给水泵工作时必须克服下面的阻力：
1)给水管路及其附件的阻力；
2)高压加热器的阻力;
3)给水自动调整门的阻力
4)省煤器的阻力；
5)锅炉进水及水泵出口之间的管道距离和几何高度；
6)锅炉汽包内存压力；
7)直流锅炉推动水循环所需压力。
然而，由于给水泵发生故障，将引起严重后果，所以给水泵额扬程必须有一个富裕量。一般给水泵的扬程H为下列各项之和：
Hgs=(p1+p2+p3-p4)/(ρ*g)
式中：Hgs——给水泵扬程，m;
p1——从除氧器出口到锅炉省煤器的进口之间介质流动总阻力（按照锅炉最大连续蒸发量计算）(Pa)。对汽包锅炉，另加20%裕量，对直流锅炉，另加10%的裕量；
p2——对汽包锅炉来说，为锅炉正常水位与除氧器正常水位间水柱静压差；对直流锅炉来说，为锅炉水冷壁炉水汽化始终点标高的平均值与除氧器正常水位间水柱静压差。假如，制造厂提供的锅炉本体总阻力中包含静压差，则应为省煤器进口与除氧器给水箱正常水位间的水柱静压差(Pa)；
p3——锅炉连续蒸发量时，省煤器入口的进水压力(Pa)；
p4——除氧器额定工作压力(Pa)；
ρ——给水密度（kg/m3）
g——重力加速度（m/s2）
通常性能保证工况都是100%TMCR工况，其扬程也是根据上述方式通过对应TMCR的锅炉、汽机汽水参数计算得出。
3.泵效率
给水泵效率是一个已定型的给水泵的性能特点，是由泵本身决定的。因此需要递交泵的选型容量，扬程，水温相关参数发给泵厂家，作为厂家泵选型设计基础，从而得到泵的性能曲线，就能查到对应流量的泵效率。
根据经验，一般TMCR工况，135MW~300MW发电机组的给水泵效率不低于81%；300MW及以上容量的机组泵效率一般不小于82%，做的好些的厂家在83%以上，再好一些的在84%。不过在投标阶段不建议通过极端的追求泵效率来降低能耗。一是投标阶段厂家给的数值是个初步计算的值，如果过高，在后续中标后执行阶段难以较为广泛的选择厂家；二是在现场实际性能实验的时候，泵的运行情况和最佳效率点设计理论的工况是有差别的，一般比理论设计值要低。
4.液力耦合器、变频调速效率
目前火电机组锅炉配置的电动给水泵，基本上都是采用液力偶合器作为调速装置。但是近年来，随着技术的发展和降低能耗的要求，也会考虑变频器和调速行星齿轮。变频调速效率可以直接从厂家得到，或是根据厂家典型曲线得出。下面简单介绍一下这几种变频调速设备。
4.1调速型液力偶合器
调速型液力偶合器以油作中介来传递动力的变速装置，其主要包括泵轮、涡轮和转动外壳、主动轴及从动轴，油系统等部件构成。它可以无极变速，变速范围通常是25%~100%输出最大转速。液力偶合器通过改变工作油的油量，改变传递动力，从而改变涡轮的转速，以适应负荷改变的需要。
如何得到较准确的液力偶合器效率，对于计算给水泵的轴端能耗是很重要参数之一。液力偶合器的传动效率等于输出轴转速乘以输出扭矩（输出功率）与输入轴转速乘以输入扭矩（输入功率）之比。一般液力偶合器额定工况的输入与输出转速比在0.95～0.975时可获得较高的效率，又有足够大的扭矩。通常厂家取值0.97，选型工况的滑差率为3%。
然而根据其的工作原理，我们可以知道液力偶合器的能量损失包括机械损失，滑差损失（因工作油在转动外壳中工作，理想状态我们不考虑容积损失）。可以用以下公式计算偶合器效率：
液力偶合器效率=（1‐滑差损失率‐机械损失率）x100%
常规的偶合器在选型工况，厂家经验机械损失为3%，滑差损失3%，因此通常其在设计转速下效率约为94%。若果在电厂部分负荷工况，偶合器就会进行调速来调整泵的流量，扬程来适应负荷需要。其效率主要受滑差损失变化影响。
4.2变频器
变频器是利用电力半导体器件的通断作用把电压、频率固定不变的交流电变成电压、频率都可调的交流电源。现在使用的变频器主要采用交—直—交方式，先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。通过调整电机的转速来改变给水泵的转速。
随着电力电子技术的发展，近年来，高压变频器技术已经成熟。变频器调速技术在机械生产上得到了很大推广。在满足机械调速要求的同时，其节能行易比较显著，特别是在泵和风机类需要根据运行工况调整的机械设备上的应用。
变频器负载率β与效率η的关系曲线，当β=50%时，η=94%;当β=100%时，η=96%。虽然β增加了一倍，但η变化仅为2%，这对于中大功率变频调速系统，如几百千瓦至几千千瓦电动机而言也是可观的。
变频器调速有诸如速度控制范围宽，1%～100%；效率高97%，部分负荷也能维持较高的效率。但是整体设备价格昂贵，一般投标阶段会综合考虑，进行选择。
4.3调速行星齿轮（VORECON）
VORECON是一款“液压偶合变矩、行星齿轮传动”的调速装置，是目前VOITH公司大力推广的一种调整装置。
VORECON把流体力学部件和一个双重行星齿轮集成在一个箱体中，运行是通过功率分流的原理，及大部分的功率直接通过主轴和行星齿轮以机械方式传递，只有从动机有必要调速的那一部分功率通过液力变速器传送。按照厂家的公开资料，机械传动为75%功率，其余25%为夜里传送。从而整个装置效率超过95%。同时其优点在调速范围内效率曲线比较平坦的，稳定的。
值得注意的是根据VOITH公司公开资料，目前主要应用于电厂的调速行星齿轮RWE型，其调速范围是60％～100％，这就意味着其不能在机组低负荷运行，可能在50%左右负荷以下就失去了给水流量的调节能力了。再有一个就是其价格较高，近乎是液力偶合器的两倍。一般投标阶段会综合考虑，进行选择。
还有就是较为老的型号RW，常用于石油、化工行业，结构更加复杂（简单相对RWE型来说，就是又在输入轴端增加了一套液力变速偶合器。在较低转速时，使用液偶调速；到一定转速，通过机械离合器脱开液偶，使用行星齿轮调速）调速范围在10%～100％。这个类型设备更加昂贵，至少是调速液力耦合器价格的三倍以上。投标阶段如不是强制要求，不会配置。
三、总结
通常出力300MW及以下燃煤电厂和燃机联合循环机组配置的锅炉给水泵都是电机驱动的，计算辅助设备用电时要计入总厂用电中。对于300MW以上的电厂，如标书中无特殊要求，配置的锅炉给水泵一般是汽机驱动的，主泵是不需计算电力消耗的。上文总的来说对如何计算给水泵轴功率有个整体的认识。在投标过程计算给水泵轴功率时，要多方面考虑，仔细审阅水泵计算书，联系相关设备厂家，通过给水泵性能曲线，较为准确的得出给水泵轴功率。
参考文献：
［1］中国动力工程学会。火力发电设备技术手册第四卷火电站发电与辅机,出版地：机械工业出版社，2006出版年
［2］中国电力企业联合会。GB50660-2011大中型火力发电厂设计规范，出版社：中国计划出版社
［3］VOITH产品介绍手册
［4］变频器厂家资料
【作者简介】姓名：李小君工作单位：山东电力建设第三工程公司职务：工程师。