趙勇，張春杰，王剛，楊金發(fā)，周麗萍，李文武

電廠閉式水泵永磁調(diào)速器改造的經(jīng)濟效益分析

趙勇1，張春杰1，王剛1，楊金發(fā)1，周麗萍2，李文武3

（1.華電國際電力股份有限公司萊州發(fā)電廠，山東萊州 261400；2.南京理工大學(xué)機械工程學(xué)院，南京 210094；3.南京艾凌節(jié)能技術(shù)有限公司，南京 211122）

閉式水泵通常采用閥門來調(diào)節(jié)流量和壓力，導(dǎo)致大量的能源浪費。永磁調(diào)速和變頻調(diào)速是目前常用的水泵調(diào)速節(jié)能技術(shù)，兩者節(jié)能效果相當。從長期運行的角度來考慮，永磁調(diào)速器改造獲得的經(jīng)濟效益比變頻器更高，且能夠提高系統(tǒng)的可靠性。華電國際電力股份有限公司萊州發(fā)電廠選擇永磁調(diào)速器對閉式水泵進行調(diào)速節(jié)能改造，以控制水泵的流量和壓力，減少能源浪費。改造后，閉式水泵運行更加穩(wěn)定，耗電量顯著減少，達到了預(yù)期的效果。

閉式水泵；永磁調(diào)速器；變頻器；選型；經(jīng)濟效益對比；節(jié)能改造

1 問題的提出

目前，離心式負載的節(jié)流調(diào)節(jié)方式已逐漸被調(diào)速調(diào)節(jié)方式所取代，常用的調(diào)速方式主要有液力耦合調(diào)速、變頻調(diào)速和永磁調(diào)速等。液力耦合調(diào)速屬于低效的調(diào)速方式，轉(zhuǎn)差損耗大，調(diào)速范圍有限，調(diào)速精度低，容易漏液，雖然初始投資相對較低，但維護復(fù)雜且費用較高［1］，需要經(jīng)常更換液壓油，該調(diào)節(jié)方式已逐漸被淘汰。變頻調(diào)速是當前電動機調(diào)速節(jié)能比較流行的一種電氣調(diào)速技術(shù)，節(jié)能效果顯著，調(diào)速精度高。永磁調(diào)速技術(shù)是近幾年新開發(fā)的一種高效、無污染電動機調(diào)速技術(shù)，該調(diào)速技術(shù)專門針對風(fēng)機、泵類等離心負載進行調(diào)速，具有高效節(jié)能、高可靠性、可減小系統(tǒng)振動和環(huán)境適應(yīng)能力強等優(yōu)點，它已成為許多高耗能企業(yè)節(jié)能改造的首選。為此，華電國際電力股份有限公司萊州發(fā)電廠（以下簡稱萊州電廠）在閉式水泵電動機節(jié)能改造時仔細考察了變頻調(diào)速和永磁調(diào)速兩種電動機調(diào)速節(jié)能技術(shù)。

萊州發(fā)電廠每臺機組配1套閉式水循環(huán)系統(tǒng)，為發(fā)電機氫冷卻器、小汽機冷油器、爐側(cè)風(fēng)機油站等重要機組輔助設(shè)備提供冷卻水。其基本流程為：除鹽水→閉式水箱→水泵→閉式水熱交換器→閉式水用戶→水泵進口。在實際工程設(shè)計中，通常按照最大需求配備水泵并留有一定裕量［2］。在實際運行中，水泵流量隨季節(jié)溫度和系統(tǒng)負荷的變化而變化。因此，在春秋季節(jié)，尤其是在冬季，水溫較低，閉式循環(huán)水裕量很大［3］，常采用調(diào)節(jié)閥門開度的方式來控制閉式水壓力和流量。這種控制方式會導(dǎo)致節(jié)流損失［4］，使得大量能源浪費，同時還容易產(chǎn)生汽蝕、振動和沖刷［1］，造成設(shè)備損壞。永磁調(diào)速技術(shù)能根據(jù)用戶的需要和現(xiàn)場的工況自動調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速和電動機輸出功率，從而達到流量調(diào)節(jié)和節(jié)約能源之目的。本文詳細介紹了永磁調(diào)速器的選型過程和改造內(nèi)容，并從節(jié)電的角度分析了永磁調(diào)速器改造產(chǎn)生的經(jīng)濟效益。

2 永磁調(diào)速器的選型過程

2.1 變頻器與永磁調(diào)速器的投資費用對比

變頻器采用復(fù)雜的電路拓撲將數(shù)以萬計的電力電子元器件串聯(lián)和并聯(lián)，實現(xiàn)對高壓電動機的輸入頻率和輸入電壓的改變，從而實現(xiàn)電動機的轉(zhuǎn)速變化，屬于電氣調(diào)速。在對風(fēng)機水泵系統(tǒng)進行變頻調(diào)速改造時，初始投資主要包括3方面的費用：（1）變頻器主體設(shè)備；（2）輔助性設(shè)施，其中包括變壓器、濾波器、控制裝置、電纜和照明設(shè)施等；（3）基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，建造專門的空調(diào)房間，以滿足變頻器對環(huán)境和溫度的要求。

永磁調(diào)速器采用導(dǎo)體轉(zhuǎn)子與永磁轉(zhuǎn)子相互作用傳遞運動和扭矩，通過調(diào)節(jié)嚙合面積的大小實現(xiàn)負載調(diào)速，電動機轉(zhuǎn)速保持不變，屬于機械調(diào)速。永磁調(diào)速器改造的初始投資除了永磁調(diào)速器主體設(shè)備之外，還需購買輔助設(shè)備，包括冷卻系統(tǒng)、電纜和控制裝置。永磁調(diào)速器安裝在電動機和負載之間，改造時需重新建造基礎(chǔ)，同樣要投入資金。

變頻器的使用年限為10年，用于變頻器散熱的空調(diào)使用壽命為10～12年，永磁調(diào)速器使用壽命為20年，安裝基礎(chǔ)在20年內(nèi)基本不需改造，總投資金額＝主體設(shè)備×臺數(shù)+輔助設(shè)備×套數(shù)+基礎(chǔ)建設(shè)費用。

為直觀比較兩者的投資，以20年為1個周期，500 kW變頻器和永磁調(diào)速器具體費用見表1。

從表1數(shù)據(jù)可以看出，單臺變頻器的投資低于永磁調(diào)速器，但變頻器中的電子元器件老化快，使用壽命短，而永磁調(diào)速器的機械零部件使用壽命則相對較長。因此，在相同使用年限下，永磁調(diào)速器的總投資低于變頻器。

2.2 變頻器與永磁調(diào)速器的節(jié)能效率對比

變頻器和永磁調(diào)速器均是根據(jù)離心式負載（如離心泵、離心風(fēng)機）的相似定律來實現(xiàn)節(jié)能的，即離心式負載的流量與轉(zhuǎn)速成正比，揚程與轉(zhuǎn)速的平方成正比，功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比。變頻器和永磁調(diào)速器取代了原系統(tǒng)中的閥門，通過改變負載的轉(zhuǎn)速對流量和壓力進行連續(xù)控制。不同的是，變頻器改變的是電動機輸出轉(zhuǎn)速，而在永磁調(diào)速器改造系統(tǒng)中電動機的輸出轉(zhuǎn)速基本保持不變，永磁調(diào)速器輸出轉(zhuǎn)速則隨著負載需求的變化而變化。變頻器和永磁調(diào)速器在實現(xiàn)節(jié)能的同時，不可避免地會存在能量損耗。由于兩者工作原理不同，在變頻器內(nèi)部，其損耗主要包含整流損耗、逆變損耗、控制回路損耗及風(fēng)機損耗；永磁調(diào)速器的損耗包含轉(zhuǎn)差損耗和冷卻系統(tǒng)損耗。根據(jù)南京艾凌節(jié)能技術(shù)有限公司技術(shù)人員對于永磁調(diào)速器和變頻器現(xiàn)場測試積累的經(jīng)驗，當實際負載功率高于額定功率的55%時，永磁調(diào)速器的總體效率較高，最高可達99%；當負載實際功率低于額定功率的55%時，變頻器效率略高。

萊州電廠閉式水循環(huán)系統(tǒng)在夏季運行時，流量需求較大，水泵功率較高，永磁調(diào)速器的效率高于變頻器；在春、秋、冬季節(jié)，系統(tǒng)所需流量減小，水泵功率降低，永磁調(diào)速器的效率也隨之降低。對于該項目而言，改造前預(yù)計夏季工作轉(zhuǎn)速接近額定轉(zhuǎn)速的95%，其他季節(jié)轉(zhuǎn)速約為額定轉(zhuǎn)速的70%，改造后實際功率占負載額定軸功率的60%左右，永磁調(diào)速器比變頻器的節(jié)電效果略佳。

2.3 變頻器與永磁調(diào)速器維護和運行費用對比

變頻器是復(fù)雜的電子設(shè)備，投入運行后易受環(huán)境的干擾和影響，可靠性相對較低，平均每年都要發(fā)生一次故障，長期運行穩(wěn)定性很差。對于長期運行的變頻器，其中的散熱直流風(fēng)扇、濾波電容等每隔2～5年就需更換維護1次，且變頻器在正常使用6～10年后，就進入了故障頻率的高發(fā)期，經(jīng)常出現(xiàn)元器件燒壞、失效、保護停機功能頻繁動作等故障現(xiàn)象。一旦發(fā)生電氣故障，需要專業(yè)技術(shù)人員進行維修。由于故障的不可預(yù)見性，故障排查困難，維修難度較大且費用較高。另外，在變頻器發(fā)生故障時，為了確?？焖傩迯?fù)設(shè)備，變頻器的備件通常要備全，這樣會造成購買備件的資金占用比例過大。根據(jù)目前的調(diào)查，1臺500 kW／10 kV變頻器的年維護費用約為3萬元。其空調(diào)和冷卻風(fēng)扇需要大量耗電，空調(diào)功率為2.5 kW，冷卻風(fēng)扇功率為1 kW，電費按0.43元／（kW·h）計算，年運行費用約為1.2萬元。

永磁調(diào)速器作為純機械裝置，其設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，適應(yīng)環(huán)境能力強，運行穩(wěn)定可靠。由于永磁調(diào)速器采用氣隙傳遞扭矩，有效地隔離了振動，提高了軸承、密封件等重要零部件的使用壽命，保證了設(shè)備的安全運行，所以，永磁調(diào)速器的維護工作量很小，只需定期為軸承添加潤滑油，在長期運行中表現(xiàn)出了良好的穩(wěn)定性。為了提高系統(tǒng)的可靠性，在每次大修期間，每隔3～5年需要更換一次軸承密封圈和軸承，每套大約2萬元，即維護費用平均每年最多0.7萬元。500 kW永磁調(diào)速器需要水冷，冷卻水可以循環(huán)使用，不產(chǎn)生水費；循環(huán)冷卻水需要動力，平均每臺永磁調(diào)速器需要3 kW電動機作為冷卻水動力，電費按0.43元／（kW·h）計算，年運行費用約為1萬元。

500 kW的變頻器和永磁調(diào)速器在20年內(nèi)的運行成本比較見表2。從表2中數(shù)據(jù)可以看出，變頻器不僅維護難度高于永磁調(diào)速器，其維護費用也遠遠大于永磁調(diào)速器。

表2 變頻器和永磁調(diào)速器在20年內(nèi)的維護費用 萬元

2.4 變頻器和永磁調(diào)速器的總收益對比

根據(jù)現(xiàn)場實際情況的調(diào)查結(jié)果，預(yù)計永磁調(diào)速器的節(jié)電率為26%，預(yù)計變頻器的節(jié)電率為25%。假設(shè)年運行時間為8000 h，電費為0.43元／（kW·h），負載額定功率為450 kW，則年節(jié)約電費＝負載功率×節(jié)電率×年運行時間×電費，調(diào)速設(shè)備總收益＝年節(jié)約電費×使用年份-總投資-運行成本。

表1 500 kW變頻器和永磁調(diào)速器的投資費用

根據(jù)上式的計算結(jié)果，變頻器和永磁調(diào)速器20年內(nèi)的總收益見表3。

表3 變頻器和永磁調(diào)速器20年內(nèi)的總收益 萬元

從變頻器和永磁調(diào)速器運行成本和收益的對比可以看出，永磁調(diào)速器總收益比變頻器高20%，永磁調(diào)速器更具優(yōu)勢?；诮?jīng)濟效益、維護難度和系統(tǒng)可靠性的角度，決定采用永磁調(diào)速器并對閉式水泵進行改造。

3 永磁調(diào)速器改造

根據(jù)電動機和水泵型號選擇水冷型ALT0500H永磁調(diào)速器，并對永磁調(diào)速器進行節(jié)能改造。水泵和電動機的技術(shù)參數(shù)見表4。

改造時，可根據(jù)設(shè)備圖紙設(shè)計尺寸重新建造基礎(chǔ)，將電動機后移，使永磁調(diào)速器有足夠空間安裝在電動機和水泵之間；從廠用電系統(tǒng)中引接電源，用以驅(qū)動電動執(zhí)行機構(gòu)和永磁調(diào)速器水冷系統(tǒng)的水泵電動機；鋪設(shè)信號電纜，進行分散控制系統(tǒng)（DCS）組態(tài)，以便DCS對永磁調(diào)速器系統(tǒng)進行監(jiān)測和閉環(huán)控制，改造后的照片如圖1所示。改造后，閉式冷卻水泵加裝永磁調(diào)速器的總投資為64萬元，包括永磁調(diào)速器、冷卻系統(tǒng)、電纜、基礎(chǔ)改造的工程費、調(diào)試費等費用。

圖1＃1機組閉式水泵改造現(xiàn)場

永磁調(diào)速器改造后，閉式水泵出口閥全開，DCS檢測閉式水泵出口閥處的壓力，并將此壓力信號反饋給電動執(zhí)行機構(gòu)，電動執(zhí)行機構(gòu)調(diào)節(jié)導(dǎo)體轉(zhuǎn)子和永磁轉(zhuǎn)子的嚙合面積來調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速，從而達到自動控制閉式水泵流量的目的。DCS同時在線檢測和顯示永磁調(diào)速器冷卻系統(tǒng)進、出水水溫以及各軸承處的溫度，溫度一旦超過報警值，則停機檢查。

4 永磁調(diào)速器改造效益分析

萊州電廠＃1機組A閉式水泵通過永磁調(diào)速器改造達到了預(yù)期的效果。永磁調(diào)速器系統(tǒng)根據(jù)環(huán)境溫度和機組運行工況自動調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速，改變系統(tǒng)供水量和供水壓力。與原系統(tǒng)相比，電動機電流和水泵出口壓力明顯下降，消除了閥門節(jié)流損失，達到了節(jié)約廠用電量、提高系統(tǒng)可靠性的目的。

4.1 節(jié)能效果分析

改造前閉式水循環(huán)系統(tǒng)夏季運行時，電動機電流為22.6A，閉式水泵壓力為0.75MPa，日耗電約6850 kW·h。假設(shè)＃1機組全年運行330 d，則改造前A閉式水泵年耗電量＝日耗電量×年運行天數(shù)＝6850×330＝2260500（kW·h）。

在春、秋、冬季，原系統(tǒng)通過關(guān)閉閥門來減小閉式水循環(huán)系統(tǒng)流量，電動機電流略有降低。因此，全年實際耗電量會低于上式結(jié)果。

永磁調(diào)速器改造后，閉式水泵的運行情況見表5。從表5中數(shù)據(jù)可以看出，通過電動執(zhí)行機構(gòu)調(diào)節(jié)導(dǎo)體轉(zhuǎn)子和永磁轉(zhuǎn)子的嚙合面積百分比，可以改變閉式水泵壓力，電動機的輸入電流也隨之變化，永磁調(diào)速器嚙合面積百分比在30%～55%時即可滿足生產(chǎn)要求。對照夏季水泵電動機的運行電流，改造后的運行電流明顯比改造前小。

改造后，假設(shè)閉式水泵每季度運行82.5 d，年耗電量＝∑功率×24 h×每季度運行天數(shù)＝（155.99+ 186.06+142.84+132.5）×24×82.5＝1 222 432.2（kW·h）。

②魏金枝：《回憶“五四”時期的學(xué)生生活》，新民晚報副刊部著《夜光杯文粹(1946～1966)》，上海遠東出版社,1999年8月第1版，第466頁。

電費以0.43元／（kW·h）計算，則年節(jié)約電費＝年節(jié)約電量×電費＝（2 260 500-1 222 432.2）× 0.43＝446369.15（元）。

改造后的閉式水泵，消除了節(jié)流損失，年耗電量

表4＃1機組A閉式水泵和電動機技術(shù)參數(shù)

表5＃1機組A閉式水泵永磁調(diào)速器改造后運行數(shù)據(jù)

明顯降低了，節(jié)電率達45.9%，取得了顯著的節(jié)能效果。永磁調(diào)速器改造的年運行費用見表2，則投資回收期＝初始投資／（收益-年維護成本-年輔助設(shè)備費用）＝64／（4.64-0.7-1）＝1.49（年）。

永磁調(diào)速器改造后，在不到2年的時間內(nèi)，就能夠回收投資成本。

4.2 永磁調(diào)速器減振效果分析

永磁調(diào)速器的投用改變了閉式水泵的振動狀態(tài)，表6為改造后的振動情況。改造前的水泵和電動機之間采用聯(lián)軸器連接，即使安裝時使用激光對中，將對中精度控制在一定范圍內(nèi)，仍無法避免振動過大的問題，振動值一直在0.2mm以上，密封件和軸承磨損嚴重。永磁調(diào)速器改造后，永磁調(diào)速器改進了扭矩傳遞方式，導(dǎo)體轉(zhuǎn)子和永磁轉(zhuǎn)子間的氣隙使得電動機軸和水泵軸無需激光對中也不會產(chǎn)生過大的振動，振幅減少60%～90%，大大提高了系統(tǒng)的可靠性。

調(diào)速節(jié)能的目的，減小了系統(tǒng)振動，且具備空載啟動和過載保護等優(yōu)點，延長了設(shè)備的使用壽命，提高了整個系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性。從長期運行的角度考慮，永磁調(diào)速器能為電廠帶來明顯的經(jīng)濟效益，在風(fēng)機、水泵改造方面將會擁有更廣闊的應(yīng)用前景。

表6 永磁調(diào)速器改造后系統(tǒng)振動情況 mm

［1］徐光誠.永磁調(diào)速技術(shù)在電廠凝結(jié)水泵上的成功應(yīng)用［J］.新疆電力技術(shù)，2011（3）：82-84.

［2］嚴新榮，張東.永磁調(diào)速技術(shù)在火力發(fā)電廠中的節(jié)能應(yīng)用研究［J］.華電技術(shù)，2009，31（12）：26-28.

［3］呂鵬飛.某電廠閉式泵改變頻的應(yīng)用［J］.安徽電力科技信息，2011（4）：27-29.

［4］趙國祥，馬文靜，曹永剛，等.永磁調(diào)速驅(qū)動器在閉式冷卻水泵上的節(jié)能改造［J］.節(jié)能，2010（4）：41-44.

［5］朱計劃，戚明浩，蔡全平，等.鍋爐風(fēng)機液力耦合器調(diào)速改造為變頻調(diào)速的節(jié)能分析［J］.發(fā)電設(shè)備，2010（6）：438-440.

［6］張戰(zhàn)剛.永磁調(diào)速器在電廠水泵上的應(yīng)用及節(jié)能效果分析［J］.河南科技，2013（9）：126-127.

［7］翟德雙.永磁調(diào)速器在凝結(jié)水泵上的節(jié)能改造運用［J］.中國電力，2012，45（7）：45-48.

［8］趙克中.磁力驅(qū)動技術(shù)與設(shè)備［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003.

［9］楊興瑤.電動機調(diào)速的原理及系統(tǒng)［M］.北京：水利電力出版社，1995.

永磁調(diào)速器改造后，節(jié)約了能源，提高了整個系統(tǒng)的性能，減少了系統(tǒng)的振動，延長了軸承和密封件的使用壽命；能使電動機空載啟動，有效降低電動機的啟動電流以及電動機啟動時的故障率，減少了負載啟動時對管道的沖擊；當負載出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)或過載時，能斷開扭矩傳遞，對電動機實施保護；實現(xiàn)了自動控制，減少了人員的勞動強度；大大減少了系統(tǒng)的備品消耗，降低了維護費用。其間接經(jīng)濟效益同樣相當可觀。

（本文責(zé)編：王書平）

5 結(jié)論

永磁調(diào)速器投資和維護費用低，節(jié)電率高，是電廠風(fēng)機、水泵等離心式負載的理想改造方式。萊州電廠閉式水泵永磁調(diào)速器改造項目的實施，達到了

TK 223.5+2：TK 01+8

：B

：1674-1951（2015）03-0038-04

趙勇（1971—），男，山東菏澤人，高級工程師，從事火力發(fā)電廠生產(chǎn)運營管理及基建管理方面的工作。

張春杰（1968—），男，山東禹城人，工程師，從事火力發(fā)電廠生產(chǎn)技術(shù)管理方面的工作。

王剛（1984—），男，山東昌邑人，助理工程師，從事火力發(fā)電廠汽機運行技術(shù)管理方面的工作。

楊金發(fā)（1973—），男，山東萊州人，高級工程師，從事火力發(fā)電廠生產(chǎn)管理方面的工作。

周麗萍（1989—），女，江蘇江陰人，在讀碩士研究生，從事永磁調(diào)速技術(shù)方面的研究（E-mail：zhoulp789＠163.com）。

李文武（1989—），男，江蘇宿遷人，助理工程師，從事永磁調(diào)速器的推廣及銷售方面的工作。

2014-09-26；

2014-12-08