燃气轮机联合循环机组凝结水泵永磁调速技术的节能运用

国家电投集团广东电力有限公司 唐滔

1 引言

某厂一期项目为2×400MW 燃气轮机联合循环机组，汽轮机设计功率136MW，型号 LZC136-12.69/1.9/0.403/561.7/547，为双缸、三压再热、可调整抽汽凝汽式汽轮机，轴向排汽，由上海电气提供。该厂在节能方面，开展了大量设计研究工作。两套机组连续三年在燃气发电机组能效对标评比中分别蝉联全国“AAAAA”“AAAA”级标杆机组荣誉称号。本文主要介绍凝结水泵永磁调速技术的节能运用。

该厂每套机组设计2 台100%容量凝结水泵，正常时一台运行一台备用。凝结水泵为8LDTNB-7PJS 立式多级离心泵，性能保证纯凝工况，设计流量421m3/h，转速1480r/min，泵出口压力2.61MPa，配套电动机型号为YSPKK450-4TH，额定功率500kW，额定电压6.3kV，额定电流58.7A。

2 永磁调速技术简介

2.1 原理及结构

常用的机械传动方式多采用机械连接，存在结构复杂、能耗高等问题。为解决这些问题，永磁传动技术开始在大型泵上得到运用，以铜导体和永磁体间的气隙，实现电动机与负载的转矩无机械连接传导。

永磁调速设备主要由铜转子、磁转子以及用于调节铜转子和磁转子之间气隙的控制器组成。磁转子为永磁体，产生磁场。当铜转子旋转时，两个转子即有相对运动。根据电磁感应定律，产生感应电流，使铜转子受到一个阻力作用，磁转子在反作用力的作用下产生旋转运动，方向与铜转子旋转方向一致，永磁调速设备结构如图1所示。

图1 永磁调速设备结构

2.2 控制系统和工作过程

永磁调速控制原如图2所示，控制器接收和处理压力、流量、液位等控制信号，输出4～20mA信号驱动执行器动作，调整气隙，从而改变负载转速。整个控制系统为全自动，可直接由用户集控室实现远程操控。当自动系统故障时，可通过DCS实现远程切换或就地人工调节执行器手动调节气隙，保证系统的正常运行，故障排除后又可以切换到自动控制。

图2 永磁调速控制原理

永磁调速工作过程如图3所示，启动时，气隙很大电机转动，负载不动，电机空载启动。电机全速后，调整气隙负载加速。调整负载到设定转速，正常运行。

图3 永磁调速工作过程

2.3 节能原理分析

电动机节能的手段之一是调节转速。通常在系统条件允许的情况下，调节转速可以降低设备功耗，实现高效运行、节能降耗的目的。

根据流体力学原理，功率P 与流量Q、扬程H的关系为P∝Q×H。

当电动机从运行状态1变化到运行状态2时，流量Q、扬程H、功率P与转速n的关系如下：

根据流量Q、扬程H、功率P 与转速n 的关系，当流量Q 变化时，调节转速n，系统的扬程和所需的功率也将随之变化，不同转速下的理论省电率见表1。

表1 不同转速下的理论省电率

实际工作中，根据系统需求，可以通过调节阀门开度或者调节转速等方式，调节系统流量。若采用调节阀的方式，系统管网阻力会发生变化，改变管网特性曲线，运行工况也随之不同。离心泵的运行曲线如图4所示，图4 中，从运行工况A 到运行工况B。若采用调节转速的方式，管网特性不会发生变化，泵的特性曲线将改变，从运行工况A 到运行工况C。通过分析，调节转速较调节阀门开度节约了电能使用，节约的能耗与图4 中HBH2BC 的面积成正比。

图4 离心泵的运行曲线

3 在泵与风机上常用调速技术对比

目前，运用最多的调速技术主要有三种，包括变频调速、液力耦合器调速和永磁调速。针对这三种调速技术的优缺点进行对比分析，永磁调速的优点有以下几点，一是结构简单，二是环境适应性强，三是减振效果好，四是维护成本低，五是使用寿命长，六是节能效果好等。主要缺点则是造价高。

4 永磁调速在凝结水泵上的运用

4.1 实际设计布置

因凝结水泵安装在凝汽器旁凝泵坑，现场空间狭小，温度、湿度等环境因素不易控制，该厂在考虑节能和成本的基础上，#1 凝结水泵采用传统配置，转速额定运行，#2凝结水泵采用永磁调速。从#2凝结水泵运行的情况看，维护工作较少；可实现空载启动；轴承振动较小；能很好的适应凝泵坑复杂、恶劣的环境；调节效果良好，调速平稳、连续，反馈迅速，低压汽包上水调阀和凝结水再循环调节阀节流损失小。永磁调速在凝结水泵中的设计布置如图5所示。

图5 永磁调速在凝结水泵中的设计布置

4.2 实际启动操作过程

因永磁调速凝结水泵固有的结构和工作特性，在实际运行启动中，操作方式有别于传统的定速泵。

首先需投入永磁冷却装置冷却水泵，检查冷却水压力、流量、温度正常，投入永磁冷却装置 冷却水泵备用联锁；检查锅炉低压汽包给水阀门关闭，开启凝结水再循环阀至100%开度。

然后设定永磁装置开度20%，DCS 顺控启动永磁凝泵，凝泵出口电动自动开启至全开位置。

最后根据实际工况流量设置永磁装置开度；确认各轴承振动、温度、油流量及其他参数正常，设备无异常声响，系统管道无泄漏；将另一台凝泵投备用，出口电动门自动打开，备用泵不倒转。

5 永磁调速的效果分析

5.1 节能效果分析

根据实际运行情况，采集相关数据，利用轴功率计算式（1）、式（2）、式（3）分析节能效果[1]：

式中，P 为泵轴功率（kW）；U 为电机额定电压（kV）；I 为电机电流（A）；cosφ 为电机功率因数（0.88）；η为泵效率（0.8）。

式中，ρ为水的密度；g为重力加速度；Q为泵流量（m3/s）；h为泵扬程（m）。

式中，Q1、Q2为功率P1、P2下对应的流量（m3/s）。

在没有节流的情况下，U=6.3kV，I=55A，h=205m 由公式（1）、（2）计算得知：P=422kW；Q=0.21m3/h。

在有节流的情况下，造成水泵运行工况偏离设计值，U=6.3kV，I=48A，h=220m 由公式（1）、（2）计算得知：P=369kW；Q=0.17m3/h。

由公式（3），计算得知，在节流后功率仅为P=223kW，节流损失达到146kW。

永磁调速凝结水泵投运后发现在相同负荷下，电机电流由原来48A 下降至35A。根据公式（1），功率为P=269kW， 因此每小时可节约电量100kWh，节能效果达到27%。按燃气轮机电厂每年平均利用小时数3000h 计算，每年节约厂用电300000kWh。电价按0.715 元/kWh 计算，每年节约成本21.45万元。

5.2 减振效果分析

对比工频泵和永磁调速泵轴承振动实测值，永磁调速泵轴承振动比工频泵大幅降低，振动降低40%～60%。振动下降原因分析：因用永磁调速器取代原来的刚性连接，即一个长轴变成了两个短轴，这样泵体振动就不会影响到电机，同时可以减小长轴系对振动的放大效应[2]。

5.3 启动过程分析

大功率电机在启动时，电机合闸瞬间，启动电流将达到额定电流的十几倍甚至几十倍，使得电气设备在启动过程中严重过载，加速电机线圈老化，缩短使用寿命。永磁调试技术实现空载启动，有效降低了启动电流大的问题，大大提高了电机的启停性能。

6 结语

与变频器调速和液力耦合技术相比，永磁调速技术具有结构简单、性能可靠等优点，具有很好的减振效果，能够很好适应湿度大和粉尘含量高的环境。永磁调速技术减少了节流损失，节省了大量电能，提高了凝结水泵效率，实现了凝结水系统长期安全、稳定、经济运行。