國(guó)家電投集團(tuán)廣東電力有限公司 唐滔

1 引言

某廠一期項(xiàng)目為2×400MW 燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組，汽輪機(jī)設(shè)計(jì)功率136MW，型號(hào) LZC136-12.69/1.9/0.403/561.7/547，為雙缸、三壓再熱、可調(diào)整抽汽凝汽式汽輪機(jī)，軸向排汽，由上海電氣提供。該廠在節(jié)能方面，開展了大量設(shè)計(jì)研究工作。兩套機(jī)組連續(xù)三年在燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組能效對(duì)標(biāo)評(píng)比中分別蟬聯(lián)全國(guó)“AAAAA”“AAAA”級(jí)標(biāo)桿機(jī)組榮譽(yù)稱號(hào)。本文主要介紹凝結(jié)水泵永磁調(diào)速技術(shù)的節(jié)能運(yùn)用。

該廠每套機(jī)組設(shè)計(jì)2 臺(tái)100%容量凝結(jié)水泵，正常時(shí)一臺(tái)運(yùn)行一臺(tái)備用。凝結(jié)水泵為8LDTNB-7PJS 立式多級(jí)離心泵，性能保證純凝工況，設(shè)計(jì)流量421m3/h，轉(zhuǎn)速1480r/min，泵出口壓力2.61MPa，配套電動(dòng)機(jī)型號(hào)為YSPKK450-4TH，額定功率500kW，額定電壓6.3kV，額定電流58.7A。

2 永磁調(diào)速技術(shù)簡(jiǎn)介

2.1 原理及結(jié)構(gòu)

常用的機(jī)械傳動(dòng)方式多采用機(jī)械連接，存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、能耗高等問(wèn)題。為解決這些問(wèn)題，永磁傳動(dòng)技術(shù)開始在大型泵上得到運(yùn)用，以銅導(dǎo)體和永磁體間的氣隙，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)與負(fù)載的轉(zhuǎn)矩?zé)o機(jī)械連接傳導(dǎo)。

永磁調(diào)速設(shè)備主要由銅轉(zhuǎn)子、磁轉(zhuǎn)子以及用于調(diào)節(jié)銅轉(zhuǎn)子和磁轉(zhuǎn)子之間氣隙的控制器組成。磁轉(zhuǎn)子為永磁體，產(chǎn)生磁場(chǎng)。當(dāng)銅轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，兩個(gè)轉(zhuǎn)子即有相對(duì)運(yùn)動(dòng)。根據(jù)電磁感應(yīng)定律，產(chǎn)生感應(yīng)電流，使銅轉(zhuǎn)子受到一個(gè)阻力作用，磁轉(zhuǎn)子在反作用力的作用下產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，方向與銅轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向一致，永磁調(diào)速設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 永磁調(diào)速設(shè)備結(jié)構(gòu)

2.2 控制系統(tǒng)和工作過(guò)程

永磁調(diào)速控制原如圖2所示，控制器接收和處理壓力、流量、液位等控制信號(hào)，輸出4～20mA信號(hào)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器動(dòng)作，調(diào)整氣隙，從而改變負(fù)載轉(zhuǎn)速。整個(gè)控制系統(tǒng)為全自動(dòng)，可直接由用戶集控室實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控。當(dāng)自動(dòng)系統(tǒng)故障時(shí)，可通過(guò)DCS實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程切換或就地人工調(diào)節(jié)執(zhí)行器手動(dòng)調(diào)節(jié)氣隙，保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行，故障排除后又可以切換到自動(dòng)控制。

圖2 永磁調(diào)速控制原理

永磁調(diào)速工作過(guò)程如圖3所示，啟動(dòng)時(shí)，氣隙很大電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，負(fù)載不動(dòng)，電機(jī)空載啟動(dòng)。電機(jī)全速后，調(diào)整氣隙負(fù)載加速。調(diào)整負(fù)載到設(shè)定轉(zhuǎn)速，正常運(yùn)行。

圖3 永磁調(diào)速工作過(guò)程

2.3 節(jié)能原理分析

電動(dòng)機(jī)節(jié)能的手段之一是調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。通常在系統(tǒng)條件允許的情況下，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速可以降低設(shè)備功耗，實(shí)現(xiàn)高效運(yùn)行、節(jié)能降耗的目的。

根據(jù)流體力學(xué)原理，功率P 與流量Q、揚(yáng)程H的關(guān)系為P∝Q×H。

當(dāng)電動(dòng)機(jī)從運(yùn)行狀態(tài)1變化到運(yùn)行狀態(tài)2時(shí)，流量Q、揚(yáng)程H、功率P與轉(zhuǎn)速n的關(guān)系如下：

根據(jù)流量Q、揚(yáng)程H、功率P 與轉(zhuǎn)速n 的關(guān)系，當(dāng)流量Q 變化時(shí)，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速n，系統(tǒng)的揚(yáng)程和所需的功率也將隨之變化，不同轉(zhuǎn)速下的理論省電率見表1。

表1 不同轉(zhuǎn)速下的理論省電率

實(shí)際工作中，根據(jù)系統(tǒng)需求，可以通過(guò)調(diào)節(jié)閥門開度或者調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速等方式，調(diào)節(jié)系統(tǒng)流量。若采用調(diào)節(jié)閥的方式，系統(tǒng)管網(wǎng)阻力會(huì)發(fā)生變化，改變管網(wǎng)特性曲線，運(yùn)行工況也隨之不同。離心泵的運(yùn)行曲線如圖4所示，圖4 中，從運(yùn)行工況A 到運(yùn)行工況B。若采用調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的方式，管網(wǎng)特性不會(huì)發(fā)生變化，泵的特性曲線將改變，從運(yùn)行工況A 到運(yùn)行工況C。通過(guò)分析，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速較調(diào)節(jié)閥門開度節(jié)約了電能使用，節(jié)約的能耗與圖4 中HBH2BC 的面積成正比。

圖4 離心泵的運(yùn)行曲線

3 在泵與風(fēng)機(jī)上常用調(diào)速技術(shù)對(duì)比

目前，運(yùn)用最多的調(diào)速技術(shù)主要有三種，包括變頻調(diào)速、液力耦合器調(diào)速和永磁調(diào)速。針對(duì)這三種調(diào)速技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比分析，永磁調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)有以下幾點(diǎn)，一是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，二是環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，三是減振效果好，四是維護(hù)成本低，五是使用壽命長(zhǎng)，六是節(jié)能效果好等。主要缺點(diǎn)則是造價(jià)高。

4 永磁調(diào)速在凝結(jié)水泵上的運(yùn)用

4.1 實(shí)際設(shè)計(jì)布置

因凝結(jié)水泵安裝在凝汽器旁凝泵坑，現(xiàn)場(chǎng)空間狹小，溫度、濕度等環(huán)境因素不易控制，該廠在考慮節(jié)能和成本的基礎(chǔ)上，#1 凝結(jié)水泵采用傳統(tǒng)配置，轉(zhuǎn)速額定運(yùn)行，#2凝結(jié)水泵采用永磁調(diào)速。從#2凝結(jié)水泵運(yùn)行的情況看，維護(hù)工作較少；可實(shí)現(xiàn)空載啟動(dòng)；軸承振動(dòng)較?。荒芎芎玫倪m應(yīng)凝泵坑復(fù)雜、惡劣的環(huán)境；調(diào)節(jié)效果良好，調(diào)速平穩(wěn)、連續(xù)，反饋迅速，低壓汽包上水調(diào)閥和凝結(jié)水再循環(huán)調(diào)節(jié)閥節(jié)流損失小。永磁調(diào)速在凝結(jié)水泵中的設(shè)計(jì)布置如圖5所示。

圖5 永磁調(diào)速在凝結(jié)水泵中的設(shè)計(jì)布置

4.2 實(shí)際啟動(dòng)操作過(guò)程

因永磁調(diào)速凝結(jié)水泵固有的結(jié)構(gòu)和工作特性，在實(shí)際運(yùn)行啟動(dòng)中，操作方式有別于傳統(tǒng)的定速泵。

首先需投入永磁冷卻裝置冷卻水泵，檢查冷卻水壓力、流量、溫度正常，投入永磁冷卻裝置 冷卻水泵備用聯(lián)鎖；檢查鍋爐低壓汽包給水閥門關(guān)閉，開啟凝結(jié)水再循環(huán)閥至100%開度。

然后設(shè)定永磁裝置開度20%，DCS 順控啟動(dòng)永磁凝泵，凝泵出口電動(dòng)自動(dòng)開啟至全開位置。

最后根據(jù)實(shí)際工況流量設(shè)置永磁裝置開度；確認(rèn)各軸承振動(dòng)、溫度、油流量及其他參數(shù)正常，設(shè)備無(wú)異常聲響，系統(tǒng)管道無(wú)泄漏；將另一臺(tái)凝泵投備用，出口電動(dòng)門自動(dòng)打開，備用泵不倒轉(zhuǎn)。

5 永磁調(diào)速的效果分析

5.1 節(jié)能效果分析

根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況，采集相關(guān)數(shù)據(jù)，利用軸功率計(jì)算式（1）、式（2）、式（3）分析節(jié)能效果[1]：

式中，P 為泵軸功率（kW）；U 為電機(jī)額定電壓（kV）；I 為電機(jī)電流（A）；cosφ 為電機(jī)功率因數(shù)（0.88）；η為泵效率（0.8）。

式中，ρ為水的密度；g為重力加速度；Q為泵流量（m3/s）；h為泵揚(yáng)程（m）。

式中，Q1、Q2為功率P1、P2下對(duì)應(yīng)的流量（m3/s）。

在沒(méi)有節(jié)流的情況下，U=6.3kV，I=55A，h=205m 由公式（1）、（2）計(jì)算得知：P=422kW；Q=0.21m3/h。

在有節(jié)流的情況下，造成水泵運(yùn)行工況偏離設(shè)計(jì)值，U=6.3kV，I=48A，h=220m 由公式（1）、（2）計(jì)算得知：P=369kW；Q=0.17m3/h。

由公式（3），計(jì)算得知，在節(jié)流后功率僅為P=223kW，節(jié)流損失達(dá)到146kW。

永磁調(diào)速凝結(jié)水泵投運(yùn)后發(fā)現(xiàn)在相同負(fù)荷下，電機(jī)電流由原來(lái)48A 下降至35A。根據(jù)公式（1），功率為P=269kW， 因此每小時(shí)可節(jié)約電量100kWh，節(jié)能效果達(dá)到27%。按燃?xì)廨啓C(jī)電廠每年平均利用小時(shí)數(shù)3000h 計(jì)算，每年節(jié)約廠用電300000kWh。電價(jià)按0.715 元/kWh 計(jì)算，每年節(jié)約成本21.45萬(wàn)元。

5.2 減振效果分析

對(duì)比工頻泵和永磁調(diào)速泵軸承振動(dòng)實(shí)測(cè)值，永磁調(diào)速泵軸承振動(dòng)比工頻泵大幅降低，振動(dòng)降低40%～60%。振動(dòng)下降原因分析：因用永磁調(diào)速器取代原來(lái)的剛性連接，即一個(gè)長(zhǎng)軸變成了兩個(gè)短軸，這樣泵體振動(dòng)就不會(huì)影響到電機(jī)，同時(shí)可以減小長(zhǎng)軸系對(duì)振動(dòng)的放大效應(yīng)[2]。

5.3 啟動(dòng)過(guò)程分析

大功率電機(jī)在啟動(dòng)時(shí)，電機(jī)合閘瞬間，啟動(dòng)電流將達(dá)到額定電流的十幾倍甚至幾十倍，使得電氣設(shè)備在啟動(dòng)過(guò)程中嚴(yán)重過(guò)載，加速電機(jī)線圈老化，縮短使用壽命。永磁調(diào)試技術(shù)實(shí)現(xiàn)空載啟動(dòng)，有效降低了啟動(dòng)電流大的問(wèn)題，大大提高了電機(jī)的啟停性能。

6 結(jié)語(yǔ)

與變頻器調(diào)速和液力耦合技術(shù)相比，永磁調(diào)速技術(shù)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠等優(yōu)點(diǎn)，具有很好的減振效果，能夠很好適應(yīng)濕度大和粉塵含量高的環(huán)境。永磁調(diào)速技術(shù)減少了節(jié)流損失，節(jié)省了大量電能，提高了凝結(jié)水泵效率，實(shí)現(xiàn)了凝結(jié)水系統(tǒng)長(zhǎng)期安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。