1 000 MW 超超臨界機組凝泵永磁調速器的配套設計

蔣華，霍幼文

(1. 中電神頭發電有限責任公司，山西 朔州036800；2. 上海凱士比泵有限公司，上海200245)

0 引言

隨著中國經濟的高速發展, 能源的消耗越來越多。以低能耗、低污染、低排放為基礎的低碳經濟模式勢在必行。節能降耗既是社會發展的需求, 也是企業的生存之本?；痣姀S中的各類水泵設備通常采取閥門來調節流量和揚程, 導致大量的電能浪費。永磁調速技術是近十年來新開發的一種高效無污染的電動機調速技術, 具有高可靠性、高效節能、環境適應性強等優點, 已成為很多高能耗企業節能改造的首選[1-2]。

某2×1 000 MW 燃煤發電機組的凝泵項目, 每臺機組配2 臺100 %容量的凝結水泵, 1 臺運行1臺備用。其中1 臺配永磁調速器, 該裝置可以安裝在任意一臺凝結水泵上。

目前國內關于永磁調速器的應用大多屬于低功率段的, 本項目所涉及到的功率3 000 kW 以上的永磁調速器的應用。文章通過電廠凝結水系統中的凝泵永磁調速傳動配套設計的介紹, 總結了永磁調速泵組的優點和難點, 同時提出了需要重點關注的幾個問題。

1 凝泵永磁調速傳動的配套設計

該2×1 000 MW 機組的凝結水泵項目, 配套電動機型號為 YKKL 3100-4/1180-1, 額定轉速為1 480 r/min, 功率為 3 100 kW, 電壓為 10 kV。凝結水泵銘牌工況流量為2 685 m3/h, 揚程為315 m,轉數為1 480 r/min。

1.1 凝結水泵

凝結水泵采用筒袋型立式多級離心泵, 型號為NLT500-600×4S, 泵進口法蘭DN1000, 出口法蘭DN500, 筒體直徑 1.3 m, 總高度 9.9 m, 重量16 t, 結構如圖1 所示。

圖1 凝結水泵結構

凝結水泵總體方案為多級離心泵, 主要圍繞節能增效、減振降噪、可靠性、維修性等開展整體結構功能設計, 包括零部件材料的選擇、泵組的支撐方式設計、安裝維修、零部件結構設計、與電機和永磁調速器的配套、試驗驗收方案等。同時還開展有關產品研制、風險分析、標準化分析、質量計劃等相關活動。為確保零件設計的安全可靠性, 開展有關整泵及零部件的 CFD、CAE 計算分析驗證、減振降噪方案論證、抗汽蝕運行穩定性分析、可靠性分析以及試驗方案設計及分析等。依照國內電站技術要求, 設計汽蝕性能更高的系列產品。

為了保證泵組穩定運行, 在產品設計過程中,必須充分考慮可維修性及可測試性。維修是泵組運行一定周期不可缺少的工作項目。對起吊空間、人體站位空間、扳手空間以及所有零件的裝拆順序,都必須進行詳細的規劃, 保證維修工作的快速準確?？蓽y試性關系到泵組出廠質量的判斷, 以及泵組運行狀態的診斷。泵組性能的測量參數有電流電壓、溫度、流量、壓力、汽蝕、振動噪聲等, 要設置各種儀器儀表的安裝孔位, 要求布點準確并且在視線范圍內。

1.2 永磁調速器

永磁渦流柔性傳動自動調速裝置采用水冷型結構, 主要由永磁轉子、導磁轉子、氣隙執行機構、轉軸連接殼與緊縮盤、自動水循環冷卻系統及儀表、自動調速型控制集成柜、主機等部分組成, 如圖2 所示。其性能要求為: 永磁傳動效率為90 ～97%；泵節能率為20%以上 (相較滿負荷)；設計壽命不少于20 年。

圖2 凝泵永磁調速器系統

1.3 動力傳遞的匹配

電動機通過永磁調速器驅動凝結水泵, 三者傳遞的功率大小應符合匹配關系。每一個動力傳遞環節, 都要考慮一定的安全余量, 電動機的功率大于凝結水泵的功率, 并且永磁調速器的功率也要大于凝結水泵的功率。不推薦大馬拉小車, 更不許可小馬拉大車。

在該凝泵項目中, 電動機的額定功率是3 100 kW, 永磁調速器的額定功率是3 150 kW, 凝結水泵的額定功率是2 850 kW, 匹配合理功率余量適當, 兼顧了安全性和經濟性。

2 應用難點

配套永磁調速器型號為MAC-DY875, 額定功率3 150 kW, 額定轉速1 430 r/min, 重量5 500 kg,如圖3 所示。為了便于運行節能, 凝結水泵設置有多個運行轉數, 分別為1 430 r/min、1 400 r/min、1 300 r/min、1 200 r/min、1 100 r/min。通過永磁調速傳動即可實現, 避免通過閥門調節工況帶來電能損耗。

圖3 永磁調速器外形及結構圖

凝泵永磁調速傳動配套設計難點: 由于凝泵電機是立式安裝, 加裝永磁調速器后會將電機抬高約2 m, 電機的穩定性須深入進行分析。運行時可能會產生強度和振動問題。另外凝泵壓出段及電機座的承載能力亦須進行分析。

對凝泵泵組進行CAE 結構力學性能分析, 采用ANSYS 有限元分析軟件構建泵組的三維模型,并進行網格劃分、輸入材料和載荷等參數進行計算。充分考慮泵組的各種載荷, 包括電機的重力、永磁調速器的重力、電機通過永磁調速器傳遞給凝泵的扭矩以及泵自身的重力、軸向力和徑向力等。

在凝泵的有限元分析過程中, 對泵組進行線性靜力分析、動力分析及振動模態分析等。通過分析找到結構設計中的薄弱點, 并進行改進。主要是對電機架的窗口筋板及法蘭等要素進行調整, 改變厚度調整數量及布局等。

通過反復修改設計和試驗驗證, 因電機抬高2 m, 泵組運行可能失穩的問題已經得到妥善解決,機組實際運行穩定, 避免共振現象發生。稀油站冷卻系統運行良好, 永磁調速器的溫升在可控范圍之內。

3 各種調速方式比較

為了保證發電設備經濟穩定的運行, 凝泵設計有多個運行工況。這就需要調節泵的出口閥門或者調節泵的轉數, 調節閥門是不經濟的, 產生大量的電能浪費。變速泵減少了閥門的調節, 節能效果明顯[11-14]。調節轉數通常有以下三種方式, 一是采取雙速電機, 成本較低、調速方式簡單, 缺點是僅有兩種轉數, 不能適應更多的工況需求；二是采用永磁調速或變頻調速, 配套較為復雜成本較高, 優點是有多種轉數, 能適應多種工況需求；三是采用變頻器, 不適合易腐蝕易爆炸的危險環境, 電機風扇轉數變慢, 不利于電機散熱。

永磁傳動裝置結構簡單, 可自行解決故障, 不必請專業公司的人來維修, 其使用壽命可達30 年。變頻器是復雜的電子設備, 一旦有電氣故障發生,只能由變頻器生產廠家或專業公司派人修理。變頻器的使用壽命最長也不過10 年。

但是采用永磁調速方案也存在局限性, 尤其是在改造項目中。由于永磁調速器外形尺寸較大, 臥式安裝時電機需要移位, 需要重新澆筑基礎, 工程量較大。立式安裝時需重新設計電機架, 泵組的重心升高, 給設備運行的穩定性帶來不利影響。另外啟動電流較大, 轉數較低時效率很低, 并不節能,通常建議最低運行轉數不低于額定轉數的70%。轉數低于額定轉數的80%時, 和變頻器相比, 永磁傳動綜合節能已沒有優勢。

永磁調速器對中誤差容忍度高, 最大可為5 mm, 并且隔離了機械振動的傳遞。但在實際安裝過程中, 要求盡可能減小對中誤差, 確保傳遞效率高及傳遞受力均勻。不論采取什么樣的傳動方式, 機組的水平度、垂直度以及軸心線對中都是必不可少的, 而且盡可能采取高標準。

某凝泵項目中, 凝結水泵額定轉速是1 480 r/min。為了更加節能, 增加永磁調速器后凝結水泵有 3 個運行工況, 運行轉速都是1 430 r/min, 為額定轉速的96.6%, 正好位于永磁調速器的高效運行范圍內。該轉速下永磁調速器的傳動效率是高于變頻器傳動的, 具有明顯的優勢。

定速泵與采用永磁調速器的變速泵的運行參數的比較見表1。

表1 定速泵與變速泵的運行參數

在以上3 個運行工況下, 采用永磁調速器的變速泵相對于定速泵, 平均揚程差占總揚程的10%左右。對于定速泵而言, 這部分揚程全部損失在出口閥門上, 采用出口閥門來調節工況是極不經濟的。從長期運行的角度來考慮, 永磁調速技術能為電廠帶來明顯的經濟效益[15]。

目前在國內發電廠的很多應用上, 永磁和變頻兩種方案都有選擇。永磁傳動裝置調速方案和高壓變頻器調速方案, 各有優缺點, 應在分析經濟成本, 分析設備運行的可靠性、維修性及環境適應性的基礎上選擇合適的方案。

4 結語

在凝泵永磁調速泵組的配套設計過程中, 根據實際運行工況的需求, 合理地選擇永磁調速器, 建議最低運行轉數不低于額定轉數的70%。由于增加了永磁調速器來傳遞動力, 可以在多種轉數下運行, 擴大了泵組的運行范圍, 更好地滿足客戶的需求, 但同時也需要注意以下三點:

1) 應把電機、泵和永磁調速器作為一個整體來校核計算共振頻率, 在多個工況對應的運行轉數下不得發生共振。

2) 在實際安裝過程中, 盡可能減小對中誤差, 確保傳遞效率高及傳遞受力均勻。

3) 永磁調速器在低轉數下運行時發熱量較大, 應及時更換潤滑油, 對管路清洗除垢, 需要重點考慮所配稀油站冷卻系統的可靠性問題。