1000 MW 機組凝結水泵永磁調速器節能改造設計

徐皎峰

（中電神頭發電有限責任公司，山西朔州 036011）

0 引言

某火電廠1000 MW 機組凝結水泵基本運行參數如下：預計揚程503 mH2O，預計工作流量2038.79 m3/h，匹配電機輸出功率3500 kW，額定電壓10 kV，額定電流200 A，工作轉速2500 r/min，正常工作狀態下流量保持在1500～2000 m3/h。運行過程中該凝結水泵存在以下4 個問題：

（1）凝結水泵容量具有較大裕量，凝結水的流量與壓力是通過調整調節閥開度來實現的，隨著負荷工況的變化，水泵出口母管的壓力也會發生變化，進而導致主調節閥會產生一定的節流損失。通過測試發現，在850 MW、950 MW 和1000 MW的輸出工況下，主調節閥的節流損耗分別為2.4 MPa、2.2 MPa和1.9 MPa，說明輸出工況越低節流損耗越大。

（2）低負荷工況下能量轉換效率不高，在850 MW、950 MW和1000 MW 輸出工況下，能量轉換效率分別為62%、74%和85%，說明輸出工況越低能量轉換效率越低。

（3）凝結水泵驅動電機啟動方式為硬啟動，在啟動瞬間會產生較大的沖擊瞬時電流，在嚴重情況下會擊穿電機絕緣保護，大大縮短電機的使用時長。

（4）除氧器上水調整閥門沒有實現自動化控制，導致該設備運行穩定性和可靠性較差，由于火電機組工作負荷變化頻繁，需要經常性開啟和關閉調整閥門。

對超臨界機組凝結水泵進行節能改造不僅可以有效降低凝泵的損耗，而且可以提高整個系統運行的穩定性和安全性，優化電網供電質量。

1 永磁調速裝置設計思路

永磁調速是近年來國際上發展起來的一項突破性技術，同時也是一種節能技術，設備運行成本低，利用磁耦合效應傳遞轉矩，實現非接觸式調速，消除電機軸與負載軸之間的機械連接[1]。它大大降低了整個系統的振動和維護，延長了系統的使用壽命，實現了無限平滑的調速，效率高，節能環保。此外，它還具有安裝方便、適應惡劣條件、自動過載保護和維護費用低等優點[2]。但是由于在永磁調節器切斷磁場的過程中產生的熱量，永磁體的溫度升高，導致永磁材料的磁性降低。目前提高永磁體的工作溫度已成為永磁材料研究的難點之一。

導體轉子和永磁體可獨立自由旋轉。當導體轉子旋轉時，導體轉子和永磁轉子之間存在相對運動。當磁場通過氣隙時，導體轉子上產生渦流。然后，渦流產生感應磁場，感應磁場與永久磁場相互作用，使永磁轉子與導體轉子沿同一方向旋轉，并輸出驅動電機產生的扭矩[3]。調速系統由永磁調速器、電機操縱器、速度傳感器、溫度變送器、受控系統電源、受控系統等組成，電機操作員根據收到的控制指令調整圓柱形導體轉子和永磁轉子之間的嚙合面積，從而控制驅動電機的轉速，然后將結果反饋給控制系統[4]。

為了實現永磁調速裝置在超臨界機組凝結水泵上的安裝要求，需要對轉子基礎進行改造。具體實現如下：首先保持電機錨桿不動同時地基澆水部分抹去150 mm；其次該鋼底座的厚度設置為150 mm，電機向后移動200 mm；最后將永磁調節器的導體轉子連接到電機軸，永磁轉子和調速機構連接到風扇軸。此外，電動執行機構還與電源線和信號線相連。

通過調節器路線調節驅動電機轉速，隨著定期跳閘次數的增加，驅動電機轉速增加，調整到60%時振動明顯且噪聲顯著增大，永磁調速器也出現了一些異常運行現象。永磁調速器的導體轉子與永磁轉子之間發生摩擦，同時永磁轉子上出現裂紋。對上述問題進行了如下分析：

（1）隨著裂紋和摩擦的產生，安裝永磁體的負載環存在間隙、產生較大的離心力，影響負載環狀態。

（2）負載環的加工采用線切割，粗糙度低，拐角處有明顯的棱角，且角部為直角、有可能導致集中應力。

（3）為了防止因地基問題而出現的振動，需要加強電機安裝的基礎鋼結構。

（4）導體轉子轉速為3000 r/min，采用的冷卻葉片噪聲大，需要進一步改善葉片角度。

采用有限元軟件Ansys 對永磁轉子的結構進行分析，A6061-T6 用于鋁磁性負載環，其屈服強度為213 MPa；磁鐵相當于剛性材料，模擬過程中轉速為3000 r/min；將均勻結構分為32 個部分，選擇整體的1/32 進行分析。結果表明，在上述條件下最大應力為50.24 MPa，且最大應力處存在應力間斷。通過應力分析可知，鋁環材料滿足要求，需要改進安裝結構，以減小永磁體在運行過程中因線切割引起的銳角應力集中而產生的最大應力。原加載環邊緣夾角為90°，容易引起應力集中，離心力直接作用在應力較高且鋁合金機械強度較低的薄側。改進要點如下：

（1）改進負載環結構。增加永磁體上的臺階，使離心力直接作用于厚臺肩，臺肩與上部薄處留有間隙，增加所有拐角處的圓角，避免應力集中現象。

（2）采用高強度材料，如不銹鋼。

（3）改進永磁調速器的葉片結構，使其符合氣流特性。在高轉速下，水冷式永磁調速器的葉片角度非常重要，否則可能會產生較大的噪聲甚至導致電機振動。永磁調速器的改造方法雖然簡單，但需要改造電機基礎。目前基礎改造大多數采用方便的鋼結構電機座，需要考慮鋼結構的強度要求，以防止電機引起底座振動。

（4）永磁調速裝置需要滿足導體轉子與永磁轉子之間的冷卻條件和強度要求。由于永磁轉子上負載環是最脆弱部分，結構需要改進并滿足強度要求。

2 凝結水泵節能改造具體應用

2.1 永磁調速裝置的安裝與熱調節系統的改造

在某發電站火電機組凝泵節能改造中，選用型號為WV-2500 型永磁調速裝置，該裝置的工作方式為水冷式，安裝過程比較簡單，重要的是后續水冷卻系統的安裝以及熱調節系統的改造。該調速裝置采用380 V、50 Hz 的交流電獨立供電，通過50 mA 的遠程控制信號實現對裝置的控制。將原有的驅動電機與凝結水泵拆開，將調速裝置放置在兩者之間就可以完成裝置的安裝工作。接下來就需要完成水冷卻系統的安裝。

水冷卻系統的進水口采用的是自閉式進水母管，要求冷卻水最高溫度不大于35 ℃，進水壓力大于0.4 MPa，進水流量不低于6 m3/h。水冷卻系統采用自循環工作方式，利用兩臺輸出功率為5 kW 的水泵回收已進行熱循環的冷卻水。另外，需要確保回收水箱的高度要低于調速裝置的回水口位置，同時在分散控制系統中實時監控冷卻水和回收水的各項指標。

熱調節系統的改造主要是通過分散控制系統對調速機構進行遠程控制，增加對冷卻水各項指標的實時監控以及安全報警裝置。主要改造思路為：首先利用調速裝置來實現對除氧水水位的控制，將原有的除氧水上水調節閥門改造為凝結水的壓力控制閥門，將上水調節閥門的開度開到最大，由此減少凝泵的節流損耗。調速裝置的執行機構開度可以達到100%，通過調節執行機構的開度進而改變凝結水泵的轉速，實現對除氧水水位的控制，同時滿足不同負荷工況下對除氧水水位的要求。原有的上水調節閥門以最大開度運轉，在保證凝結水最小壓力的同時降低節流損耗。

2.2 系統穩定性測試與節能改造對比

在永磁調速裝置安裝完成后需要對系統進行振動穩定性測試和冷卻能力測試，測試周期分別為8 個月和4 個月。由于永磁調速裝置為凝結水泵上新增的設備，所以不可避免會存在系統共振的問題，在共振頻率較大的情況下可能會出現驅動電機機架斷裂的故障，嚴重影響凝結水泵工作的穩定性，因此需要定期進行檢測凝結水泵各部位的振動位移值。統計8 個月的振動位移值測試結果并分析發現，電機機架的振動位移值最大，為51 μm；凝結水泵的振動位移值最小，為14 μm；振動產生的偏移值均小于1 mm，完全滿足系統穩定運行要求，并且系統各部件噪聲較改造前也有了較明顯改善。

水冷卻系統是確保永磁調速機構長時間穩定工作的核心裝置，通過水冷卻系統可以帶走調速機構工作時產生的絕大部分熱量。為了驗證水冷卻系統工作的可靠性，在調速裝置安裝完成后的用電高峰期進行冷卻能力測試。通常夏季的6～9 月份是一年中用電量的最高峰，而且各設備工作溫度也較高，是測試水冷卻系統在極端環境工作能力的最佳時間段。通過4 個月的統計測試發現，冷卻水的平均進水溫度為35 ℃，最高可達38 ℃，經過冷卻系統后的出水平均溫度為56 ℃、最高出水溫度為61 ℃。而系統設置的出水溫度預警值為75 ℃，保護動作啟動值為85 ℃，因此水冷卻系統的工作穩定性和安全性符合設計要求。

為了評估采用永磁調速裝置改造后的凝結水泵所產生的效益，對火電機組凝結水泵改造前和改造后的各項參數進行測試，分析結果見表1 和表2。

表1 改造前凝結水泵各項參數

表2 改造后凝結水泵各項參數

從表1 和表2 中可以看出，改造后凝結水泵的各項參數有了明顯改善。統計分析5 年多的凝結水泵運行數據后發現，改造后比改造前平均每年節電約4750 MW·h，用電量降低了約45%，每年節省電費高達230 萬元。雖然永磁調速裝置的生產安裝成本較高，但是該電廠改造投入的成本僅用兩年就可以收回，按照永磁調速裝置安全使用時間為25 年來計算，其產生的收益是非常可觀的。