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电厂凝结水泵永磁及变频调速方式综合对比分析

赵良峰
摘要：凝结水泵是发电厂重要的辅机，本研究通过对永磁调速与变频调速的凝结水泵运行特性进行比较，分析了两种技术路线的节能效果、经济性、可靠性以及对厂用电的影响等方面进行了详细的对比，认为永磁调速装置较变频调速装置经济性更高，具有更广阔的推广前景。
关键词：永磁调速；变频调速；凝结水泵
电厂是能源转换大户，同时也是耗能大户。凝结水泵作为发电厂的重要辅机之一，凝结水泵的节能改造能够顺应电厂节能、降低厂用电消耗的需求，为电厂的节能开展奠定了基础。
1.永磁调速机构
1.1永磁调速机构简述
电厂一期1号、2号机组共2台，每台机组配置两台100%容量的凝泵，同时凝泵增加了永磁调速机构；另2台凝泵工频作为备泵运行，该永磁调速机构厂家为麦格钠公司，为老式水冷永磁调速机构，冷却水使用闭式水，凝泵电机型号为YLKS630-4，功率2000kW，额定电流218.5A，水泵的功率为1715kW，额定流量为1628m3/h，额定全压为329m，工作效率0.85，于2009年5月加装并调试完成。该2台永磁调速机构运行至今已8年，其中返厂维修2次，厂家人员现场维修3次，主要更换的部件有导磁体盘（铝盘更换为铜盘）、各密封垫、气隙调整机构（该机构传动轴磨损严重导致更换）等。永磁调速机构结构如图1所示[1]。
永磁转子：镶有永磁体的铝盘，与负载轴连接
导磁转子：导磁体盘（铜或铝），与电机轴连接
气隙执行机构：调整磁盘与导磁盘之间气隙的机构
转轴连接壳与紧缩盘：以紧缩盘装置与电机及负载轴连结。
1.2永磁调速机构控制模式简述
通过对调速过程中的压力、流量、液位或其它过程控制信号的接受，将这些信号反馈到执行器，通过执行器调整气隙，从而调整负载速度以满足控制要求。其结构如图2所示。
1.3永磁调速机构节能计算
1.3.1凝泵实际运行情况
原凝泵設备运转时，为了保证负荷最大时水泵系统满足输出要求，凝泵电机按系统的最大输出能力配备；而实际运行时，凝泵大部分时间不在满负荷情况下运行，而是根据负载的实际需要，通过流量控制阀门来实现流量控制，以满足生产过程的需要。采用永磁调速后，可以通过调节气隙实现流量连续控制，取代原系统中用阀门控制流量，在电机转速不变的情况下，调节风机或水泵的转速。
1.3.2水泵等离心负荷相似定律
水泵等离心负载符合以下定律：
Q1/Q2=n1/n2（流量变化与转速变化成正比）
H1/H2=（n1/n2）2（压力变化与转速变化的平方成正比）
P1/P2=（n1/n2）3（负载功率变化与转速变化的立方成正比）
T1/T2=（n1/n2）3（负载扭矩变化与转速变化的立方成正比）
电机输出功率P=T×ω（功率=扭矩×转速）
所以电机输出功率P1/P2=（n1/n2）3
各因素对电机输出功率影响如图3。
1.3.3节能效果计算
从上述公式及图表可以看出，当输出流量和减少时，按照离心负载的相似定律，凝泵电机功率急剧下降，减少了能源需求，从而大大节约了能源。例如，当输出流量需求仅降低20%满负荷流量，输出压力降低到满负荷的38%，而能源需求降低了将近50%。如果不考虑调速装置的能耗，节能效果可达50%。
2.变频调速机构
2.1变频调速机构简述
（1）电厂二期3号、4号机组共2台凝泵增加变频调速机构，另2台凝泵工频作为备泵运行，变频调速机构厂家为东方日立公司，该变频调速机构安装在室内，室内由2台空调24h制冷降温，凝泵电机型号为YLBKS6304，功率2240kW，额定电流245.1A，水泵额定流量为1462m3/h，工作效率0.813，扬程410m，于2013年12月安装并调试完成。该2台变频调速机构运行至今已3年，其中厂家人员现场维修3次，更换的部件有变频器功率单元控制板（共更换3次）、继电器1个。
（2）变频器采用直接高压变换形式，由多个功率单元构成单元串联多电平的拓扑结构。每个功率单元输出交流低压，多个功率单元叠加后输出为所需的交流高压。以6kV每相五个功率单元串联为例，叠加后所构成的主回路每个功率单元输入三相交流电压，经整流、逆变后输出单相交流电压，其有效值约为693V，由于每相由五个相同的功率单元串联而成，所以相电压为3464V，三相的一端经过短接形成中性点，三相的另外三个端口线电压为6000V，可以直接驱动交流电动机，所以该级联式主回路拓扑又常称为“单元串联多电平”直接高压变频器结构[3]。
2.2变频调速机构控制模式简述
通过安装在管道处的流量、压力传感器信号反馈到主控系统，再由主控系统通过光纤通信系统向各个功率单元传输PWM信号，改变变频器输出电流、频率等参数，并同时接收、监测各个功率单元状态信息。
2.3变频调速机构节能计算
凝泵增加变频后平均效率将达到83%以上，在600MW、480MW、360MW负荷下电机效率分别提高约3%、16%、32%，按年运行7000h计算，每台电机增加变频后每年可节电约159.3万kWh，扣除变频器小室内空调平均损耗按20kW计算，年损耗约14.4万kWh。按照每度电0.4元计算，年收益约57.96万元；一台变频器投入约300万元，直接投资回收期为5.17年，具体如表1所示[4]。
3.变频调速与永磁调速对比
3.1运行环境要求
使用变频调速的电机，由于其变频器本体散热量较大（约为2%～3%）且为电子产品，对环境温度和灰尘要求较高，一般需将变频器安装在环境较好的空调房间内，对空调的容量有一定的要求；而永磁调速装置结构简单且为纯机械设备，可以在恶劣环境下运行，对运行环境要求低。
3.2變频调速与永磁调速对厂用电系统影响
使用变频调速的电机，由于其采用整流滤波电路+变频逆变电路，会产生谐波电流，对厂用电系统产生一定的影响；而永磁调速装置为纯机械设备，不会对厂用电系统产生影响。
3.3变频调速与永磁调速对电机影响
使用变频调速的设备，启动时电机速度逐渐增加，启动时间长，启动电流小，电机容易发热，同时由于其为电子元器件，故不能短时频繁启动。而永磁调速装置为纯机械的设备，启动时电机直接升为额定转速，通过气隙改变逐渐带载，电机发热量与改造前对比基本无变化，启动时间较变频调速短，启动电流较变频器大，可以短时频繁启动。
3.4变频调速与永磁调速调速精度对比
变频调速装置为电子产品，通过其内部精密的电子元器件控制，使其调节电机出力精度高且通过电压及频率的变化，使其调节范围广；而永磁调速装置因其为纯机械式，其调节精度、调节范围均低于变频调速[3]。
3.5变频调速与永磁调速调速故障率及维护成本对比
变频调速装置为电子产品，内部为精密的电子元器件，且数量较多，相对于纯机械式的永磁调速装置，易产生故障；且因其构造原因，故障原因排查难度也较永磁调速装置大。同时变频调速装置维护时需定期更换滤网而永磁调速装置基本无维护工作，其维护成本较永磁调速装置高[4]。
4.结语
总的来说，我国现正处于高速发展阶段，能源开发和利用也处于高速增长阶段，高效利用和节约能源已经成为当代中国急需解决的重大问题。综上，文章通过对比分析，在综合比较分析变频调速和永磁调速的优缺点后，论证了永磁调节技术在电厂凝结水系统应用的可行性、经济性，与此同时，永磁调速装置维护更方便。因而，笔者相信，在未来永磁调速装置将会有更广阔的应用前景。
参考文献：
[1]唐强.永磁调速在电厂凝结水泵节能改造的可行性分析[J].电子制作，2015（1）：224-225.
[2]彭博.发电厂凝泵高压变频调速系统的研究[D].安徽理工大学，2014.
[3]曾维勇.中粤A火电厂凝结水泵永磁调速节能改造及应用研究[D].华南理工大学，2017.
[4]俞金树.永磁调速技术在600MW抽凝供热机组凝结水泵上的应用[J].现代制造，2017（12）：28-29.

-全文完-