燃氣輪機聯合循環機組凝結水泵永磁調速技術的節能運用

國家電投集團廣東電力有限公司 唐滔

1 引言

某廠一期項目為2×400MW 燃氣輪機聯合循環機組，汽輪機設計功率136MW，型號 LZC136-12.69/1.9/0.403/561.7/547，為雙缸、三壓再熱、可調整抽汽凝汽式汽輪機，軸向排汽，由上海電氣提供。該廠在節能方面，開展了大量設計研究工作。兩套機組連續三年在燃氣發電機組能效對標評比中分別蟬聯全國“AAAAA”“AAAA”級標桿機組榮譽稱號。本文主要介紹凝結水泵永磁調速技術的節能運用。

該廠每套機組設計2 臺100%容量凝結水泵，正常時一臺運行一臺備用。凝結水泵為8LDTNB-7PJS 立式多級離心泵，性能保證純凝工況，設計流量421m3/h，轉速1480r/min，泵出口壓力2.61MPa，配套電動機型號為YSPKK450-4TH，額定功率500kW，額定電壓6.3kV，額定電流58.7A。

2 永磁調速技術簡介

2.1 原理及結構

常用的機械傳動方式多采用機械連接，存在結構復雜、能耗高等問題。為解決這些問題，永磁傳動技術開始在大型泵上得到運用，以銅導體和永磁體間的氣隙，實現電動機與負載的轉矩無機械連接傳導。

永磁調速設備主要由銅轉子、磁轉子以及用于調節銅轉子和磁轉子之間氣隙的控制器組成。磁轉子為永磁體，產生磁場。當銅轉子旋轉時，兩個轉子即有相對運動。根據電磁感應定律，產生感應電流，使銅轉子受到一個阻力作用，磁轉子在反作用力的作用下產生旋轉運動，方向與銅轉子旋轉方向一致，永磁調速設備結構如圖1所示。

圖1 永磁調速設備結構

2.2 控制系統和工作過程

永磁調速控制原如圖2所示，控制器接收和處理壓力、流量、液位等控制信號，輸出4～20mA信號驅動執行器動作，調整氣隙，從而改變負載轉速。整個控制系統為全自動，可直接由用戶集控室實現遠程操控。當自動系統故障時，可通過DCS實現遠程切換或就地人工調節執行器手動調節氣隙，保證系統的正常運行，故障排除后又可以切換到自動控制。

圖2 永磁調速控制原理

永磁調速工作過程如圖3所示，啟動時，氣隙很大電機轉動，負載不動，電機空載啟動。電機全速后，調整氣隙負載加速。調整負載到設定轉速，正常運行。

圖3 永磁調速工作過程

2.3 節能原理分析

電動機節能的手段之一是調節轉速。通常在系統條件允許的情況下，調節轉速可以降低設備功耗，實現高效運行、節能降耗的目的。

根據流體力學原理，功率P 與流量Q、揚程H的關系為P∝Q×H。

當電動機從運行狀態1變化到運行狀態2時，流量Q、揚程H、功率P與轉速n的關系如下：

根據流量Q、揚程H、功率P 與轉速n 的關系，當流量Q 變化時，調節轉速n，系統的揚程和所需的功率也將隨之變化，不同轉速下的理論省電率見表1。

表1 不同轉速下的理論省電率

實際工作中，根據系統需求，可以通過調節閥門開度或者調節轉速等方式，調節系統流量。若采用調節閥的方式，系統管網阻力會發生變化，改變管網特性曲線，運行工況也隨之不同。離心泵的運行曲線如圖4所示，圖4 中，從運行工況A 到運行工況B。若采用調節轉速的方式，管網特性不會發生變化，泵的特性曲線將改變，從運行工況A 到運行工況C。通過分析，調節轉速較調節閥門開度節約了電能使用，節約的能耗與圖4 中HBH2BC 的面積成正比。

圖4 離心泵的運行曲線

3 在泵與風機上常用調速技術對比

目前，運用最多的調速技術主要有三種，包括變頻調速、液力耦合器調速和永磁調速。針對這三種調速技術的優缺點進行對比分析，永磁調速的優點有以下幾點，一是結構簡單，二是環境適應性強，三是減振效果好，四是維護成本低，五是使用壽命長，六是節能效果好等。主要缺點則是造價高。

4 永磁調速在凝結水泵上的運用

4.1 實際設計布置

因凝結水泵安裝在凝汽器旁凝泵坑，現場空間狹小，溫度、濕度等環境因素不易控制，該廠在考慮節能和成本的基礎上，#1 凝結水泵采用傳統配置，轉速額定運行，#2凝結水泵采用永磁調速。從#2凝結水泵運行的情況看，維護工作較少；可實現空載啟動；軸承振動較小；能很好的適應凝泵坑復雜、惡劣的環境；調節效果良好，調速平穩、連續，反饋迅速，低壓汽包上水調閥和凝結水再循環調節閥節流損失小。永磁調速在凝結水泵中的設計布置如圖5所示。

圖5 永磁調速在凝結水泵中的設計布置

4.2 實際啟動操作過程

因永磁調速凝結水泵固有的結構和工作特性，在實際運行啟動中，操作方式有別于傳統的定速泵。

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 冷卻水泵備用聯鎖；檢查鍋爐低壓汽包給水閥門關閉，開啟凝結水再循環閥至100%開度。

然后設定永磁裝置開度20%，DCS 順控啟動永磁凝泵，凝泵出口電動自動開啟至全開位置。

最后根據實際工況流量設置永磁裝置開度；確認各軸承振動、溫度、油流量及其他參數正常，設備無異常聲響，系統管道無泄漏；將另一臺凝泵投備用，出口電動門自動打開，備用泵不倒轉。

5 永磁調速的效果分析

5.1 節能效果分析

根據實際運行情況，采集相關數據，利用軸功率計算式（1）、式（2）、式（3）分析節能效果[1]：

式中，P 為泵軸功率（kW）；U 為電機額定電壓（kV）；I 為電機電流（A）；cosφ 為電機功率因數（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為泵揚程（m）。

式中，Q1、Q2為功率P1、P2下對應的流量（m3/s）。

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

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

由公式（3），計算得知，在節流后功率僅為P=223kW，節流損失達到146kW。

永磁調速凝結水泵投運后發現在相同負荷下，電機電流由原來48A 下降至35A。根據公式（1），功率為P=269kW， 因此每小時可節約電量100kWh，節能效果達到27%。按燃氣輪機電廠每年平均利用小時數3000h 計算，每年節約廠用電300000kWh。電價按0.715 元/kWh 計算，每年節約成本21.45萬元。

5.2 減振效果分析

對比工頻泵和永磁調速泵軸承振動實測值，永磁調速泵軸承振動比工頻泵大幅降低，振動降低40%～60%。振動下降原因分析：因用永磁調速器取代原來的剛性連接，即一個長軸變成了兩個短軸，這樣泵體振動就不會影響到電機，同時可以減小長軸系對振動的放大效應[2]。

5.3 啟動過程分析

大功率電機在啟動時，電機合閘瞬間，啟動電流將達到額定電流的十幾倍甚至幾十倍，使得電氣設備在啟動過程中嚴重過載，加速電機線圈老化，縮短使用壽命。永磁調試技術實現空載啟動，有效降低了啟動電流大的問題，大大提高了電機的啟停性能。

6 結語

與變頻器調速和液力耦合技術相比，永磁調速技術具有結構簡單、性能可靠等優點，具有很好的減振效果，能夠很好適應濕度大和粉塵含量高的環境。永磁調速技術減少了節流損失，節省了大量電能，提高了凝結水泵效率，實現了凝結水系統長期安全、穩定、經濟運行。