蔣華，霍幼文

(1. 中電神頭發(fā)電有限責(zé)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(jīng)濟的高速發(fā)展, 能源的消耗越來越多。以低能耗、低污染、低排放為基礎(chǔ)的低碳經(jīng)濟模式勢在必行。節(jié)能降耗既是社會發(fā)展的需求, 也是企業(yè)的生存之本。火電廠中的各類水泵設(shè)備通常采取閥門來調(diào)節(jié)流量和揚程, 導(dǎo)致大量的電能浪費。永磁調(diào)速技術(shù)是近十年來新開發(fā)的一種高效無污染的電動機調(diào)速技術(shù), 具有高可靠性、高效節(jié)能、環(huán)境適應(yīng)性強等優(yōu)點, 已成為很多高能耗企業(yè)節(jié)能改造的首選[1-2]。

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

目前國內(nèi)關(guān)于永磁調(diào)速器的應(yīng)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(diào)速器的應(yīng)用。文章通過電廠凝結(jié)水系統(tǒng)中的凝泵永磁調(diào)速傳動配套設(shè)計的介紹, 總結(jié)了永磁調(diào)速泵組的優(yōu)點和難點, 同時提出了需要重點關(guān)注的幾個問題。

1 凝泵永磁調(diào)速傳動的配套設(shè)計

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

1.1 凝結(jié)水泵

凝結(jié)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(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 凝結(jié)水泵結(jié)構(gòu)

凝結(jié)水泵總體方案為多級離心泵, 主要圍繞節(jié)能增效、減振降噪、可靠性、維修性等開展整體結(jié)構(gòu)功能設(shè)計, 包括零部件材料的選擇、泵組的支撐方式設(shè)計、安裝維修、零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計、與電機和永磁調(diào)速器的配套、試驗驗收方案等。同時還開展有關(guān)產(chǎn)品研制、風(fēng)險分析、標(biāo)準(zhǔn)化分析、質(zhì)量計劃等相關(guān)活動。為確保零件設(shè)計的安全可靠性, 開展有關(guān)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(wěn)定性分析、可靠性分析以及試驗方案設(shè)計及分析等。依照國內(nèi)電站技術(shù)要求, 設(shè)計汽蝕性能更高的系列產(chǎn)品。

為了保證泵組穩(wěn)定運行, 在產(chǎn)品設(shè)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(guī)劃, 保證維修工作的快速準(zhǔn)確?？蓽y試性關(guān)系到泵組出廠質(zhì)量的判斷, 以及泵組運行狀態(tài)的診斷。泵組性能的測量參數(shù)有電流電壓、溫度、流量、壓力、汽蝕、振動噪聲等, 要設(shè)置各種儀器儀表的安裝孔位, 要求布點準(zhǔn)確并且在視線范圍內(nèi)。

1.2 永磁調(diào)速器

永磁渦流柔性傳動自動調(diào)速裝置采用水冷型結(jié)構(gòu), 主要由永磁轉(zhuǎn)子、導(dǎo)磁轉(zhuǎn)子、氣隙執(zhí)行機構(gòu)、轉(zhuǎn)軸連接殼與緊縮盤、自動水循環(huán)冷卻系統(tǒng)及儀表、自動調(diào)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(jié)能率為20%以上 (相較滿負荷)；設(shè)計壽命不少于20 年。

圖2 凝泵永磁調(diào)速器系統(tǒng)

1.3 動力傳遞的匹配

電動機通過永磁調(diào)速器驅(qū)動凝結(jié)水泵, 三者傳遞的功率大小應(yīng)符合匹配關(guān)系。每一個動力傳遞環(huán)節(jié), 都要考慮一定的安全余量, 電動機的功率大于凝結(jié)水泵的功率, 并且永磁調(diào)速器的功率也要大于凝結(jié)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(diào)速器的額定功率是3 150 kW, 凝結(jié)水泵的額定功率是2 850 kW, 匹配合理功率余量適當(dāng), 兼顧了安全性和經(jīng)濟性。

2 應(yīng)用難點

配套永磁調(diào)速器型號為MAC-DY875, 額定功率3 150 kW, 額定轉(zhuǎn)速1 430 r/min, 重量5 500 kg,如圖3 所示。為了便于運行節(jié)能, 凝結(jié)水泵設(shè)置有多個運行轉(zhuǎn)數(shù), 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(diào)速傳動即可實現(xiàn), 避免通過閥門調(diào)節(jié)工況帶來電能損耗。

圖3 永磁調(diào)速器外形及結(jié)構(gòu)圖

凝泵永磁調(diào)速傳動配套設(shè)計難點: 由于凝泵電機是立式安裝, 加裝永磁調(diào)速器后會將電機抬高約2 m, 電機的穩(wěn)定性須深入進行分析。運行時可能會產(chǎn)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(jié)構(gòu)力學(xué)性能分析, 采用ANSYS 有限元分析軟件構(gòu)建泵組的三維模型,并進行網(wǎng)格劃分、輸入材料和載荷等參數(shù)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(diào)速器的重力、電機通過永磁調(diào)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(tài)分析等。通過分析找到結(jié)構(gòu)設(shè)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(diào)整, 改變厚度調(diào)整數(shù)量及布局等。

通過反復(fù)修改設(shè)計和試驗驗證, 因電機抬高2 m, 泵組運行可能失穩(wěn)的問題已經(jīng)得到妥善解決,機組實際運行穩(wěn)定, 避免共振現(xiàn)象發(fā)生。稀油站冷卻系統(tǒng)運行良好, 永磁調(diào)速器的溫升在可控范圍之內(nèi)。

3 各種調(diào)速方式比較

為了保證發(fā)電設(shè)備經(jīng)濟穩(wěn)定的運行, 凝泵設(shè)計有多個運行工況。這就需要調(diào)節(jié)泵的出口閥門或者調(diào)節(jié)泵的轉(zhuǎn)數(shù), 調(diào)節(jié)閥門是不經(jīng)濟的, 產(chǎn)生大量的電能浪費。變速泵減少了閥門的調(diào)節(jié), 節(jié)能效果明顯[11-14]。調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)數(shù)通常有以下三種方式, 一是采取雙速電機, 成本較低、調(diào)速方式簡單, 缺點是僅有兩種轉(zhuǎn)數(shù), 不能適應(yīng)更多的工況需求；二是采用永磁調(diào)速或變頻調(diào)速, 配套較為復(fù)雜成本較高, 優(yōu)點是有多種轉(zhuǎn)數(shù), 能適應(yīng)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(huán)境, 電機風(fēng)扇轉(zhuǎn)數(shù)變慢, 不利于電機散熱。

永磁傳動裝置結(jié)構(gòu)簡單, 可自行解決故障, 不必請專業(yè)公司的人來維修, 其使用壽命可達30 年。變頻器是復(fù)雜的電子設(shè)備, 一旦有電氣故障發(fā)生,只能由變頻器生產(chǎn)廠家或?qū)I(yè)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(diào)速方案也存在局限性, 尤其是在改造項目中。由于永磁調(diào)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(chǔ), 工程量較大。立式安裝時需重新設(shè)計電機架, 泵組的重心升高, 給設(shè)備運行的穩(wěn)定性帶來不利影響。另外啟動電流較大, 轉(zhuǎn)數(shù)較低時效率很低, 并不節(jié)能,通常建議最低運行轉(zhuǎn)數(shù)不低于額定轉(zhuǎn)數(shù)的70%。轉(zhuǎn)數(shù)低于額定轉(zhuǎn)數(shù)的80%時, 和變頻器相比, 永磁傳動綜合節(jié)能已沒有優(yōu)勢。

永磁調(diào)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(biāo)準(zhǔn)。

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

定速泵與采用永磁調(diào)速器的變速泵的運行參數(shù)的比較見表1。

表1 定速泵與變速泵的運行參數(shù)

在以上3 個運行工況下, 采用永磁調(diào)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(diào)節(jié)工況是極不經(jīng)濟的。從長期運行的角度來考慮, 永磁調(diào)速技術(shù)能為電廠帶來明顯的經(jīng)濟效益[15]。

目前在國內(nèi)發(fā)電廠的很多應(yīng)用上, 永磁和變頻兩種方案都有選擇。永磁傳動裝置調(diào)速方案和高壓變頻器調(diào)速方案, 各有優(yōu)缺點, 應(yīng)在分析經(jīng)濟成本, 分析設(shè)備運行的可靠性、維修性及環(huán)境適應(yīng)性的基礎(chǔ)上選擇合適的方案。

4 結(jié)語

在凝泵永磁調(diào)速泵組的配套設(shè)計過程中, 根據(jù)實際運行工況的需求, 合理地選擇永磁調(diào)速器, 建議最低運行轉(zhuǎn)數(shù)不低于額定轉(zhuǎn)數(shù)的70%。由于增加了永磁調(diào)速器來傳遞動力, 可以在多種轉(zhuǎn)數(shù)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(yīng)把電機、泵和永磁調(diào)速器作為一個整體來校核計算共振頻率, 在多個工況對應(yīng)的運行轉(zhuǎn)數(shù)下不得發(fā)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(diào)速器在低轉(zhuǎn)數(shù)下運行時發(fā)熱量較大, 應(yīng)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(tǒng)的可靠性問題。