凝結(jié)水泵永磁調(diào)速器改造與應(yīng)用

湯國(guó)琪

（山西臨汾熱電有限公司，山西 臨汾 043000）

0 引言

山西臨汾熱電有限公司2×300 MW直接空冷供熱機(jī)組每臺(tái)機(jī)組配置3臺(tái)55%容量立式凝結(jié)水泵，原設(shè)計(jì)配置1套變頻器，該變頻器采用“一拖二”的運(yùn)行方式，在1號(hào)、2號(hào)凝結(jié)水泵之間相互切換。機(jī)組高負(fù)荷時(shí)，兩運(yùn)一備，1臺(tái)變頻凝結(jié)水泵與1臺(tái)工頻凝結(jié)水泵并列運(yùn)行，1臺(tái)工頻凝結(jié)水泵備用；機(jī)組低負(fù)荷或供熱抽汽量大時(shí)，一運(yùn)兩備，1臺(tái)變頻凝結(jié)水泵運(yùn)行，2臺(tái)工頻凝結(jié)水泵備用。機(jī)組凝結(jié)水泵耗電率0.23%，較同類型全變頻凝結(jié)水泵機(jī)組耗電率高0.05%，耗電量高21.7%，凝結(jié)水泵存在較大的節(jié)能空間。

1 永磁調(diào)速器技術(shù)

1.1 永磁調(diào)速器工作原理

永磁調(diào)速器是基于磁力耦合技術(shù)，通過機(jī)械結(jié)構(gòu)，以柔性連接的方式實(shí)現(xiàn)電機(jī)與負(fù)載之間的扭矩分散控制系統(tǒng)DCS (distributed control system） 或者可編程邏輯控制器 PLC(programmable logic controller)提供的控制信號(hào)，通過調(diào)速機(jī)構(gòu)改變導(dǎo)體轉(zhuǎn)子與永磁轉(zhuǎn)子之間耦合面積的大小，實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。永磁調(diào)速器安裝在電機(jī)和負(fù)載之間，耦合面積越大，電機(jī)通過永磁調(diào)速器傳遞的扭矩就越大，負(fù)載轉(zhuǎn)速就越高；耦合面積越小，電機(jī)通過永磁調(diào)速器傳遞的扭矩就越小，負(fù)載轉(zhuǎn)速就越低。

1.2 永磁調(diào)速器的組成及作用

永磁調(diào)速器主要由永磁轉(zhuǎn)子、導(dǎo)體轉(zhuǎn)子、調(diào)速機(jī)構(gòu)組成，如圖1所示。永磁轉(zhuǎn)子內(nèi)部裝備高性能釹鐵硼，提供永久磁場(chǎng)；導(dǎo)體轉(zhuǎn)子分為內(nèi)轉(zhuǎn)子和外轉(zhuǎn)子，工作時(shí)內(nèi)、外轉(zhuǎn)子均可切割永磁轉(zhuǎn)子的磁感線（能效高），形成渦電流并產(chǎn)生互感磁場(chǎng)，互感磁場(chǎng)與永久磁場(chǎng)相互作用實(shí)現(xiàn)電機(jī)與負(fù)載間的扭矩傳遞；調(diào)速機(jī)構(gòu)可以調(diào)節(jié)永磁轉(zhuǎn)子與導(dǎo)體轉(zhuǎn)子的耦合面積，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。

1.3 永磁調(diào)速器技術(shù)特點(diǎn)

永磁調(diào)速器技術(shù)特點(diǎn)如下。

a)永磁調(diào)速器采用平滑無級(jí)調(diào)速，調(diào)速范圍0～98%，節(jié)電率為10～50%。

b)永磁調(diào)速器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠，主體部分為機(jī)械結(jié)構(gòu)，無需外接電源。

c)永磁調(diào)速器安裝簡(jiǎn)便，無機(jī)械連接，隔離振動(dòng)，容忍較大的對(duì)中誤差，占用空間小。

d)永磁調(diào)速器能適應(yīng)各種惡劣環(huán)境，包括電網(wǎng)電壓波動(dòng)大、諧波嚴(yán)重、易燃易爆、潮濕、粉塵等。

圖1 永磁調(diào)速器結(jié)構(gòu)組成

e)永磁調(diào)速器基本為免維護(hù)產(chǎn)品，運(yùn)行成本低；可延長(zhǎng)傳動(dòng)系統(tǒng)各主要部件（軸承，密封等）的使用壽命，降低維護(hù)成本。

f)永磁調(diào)速器柔性啟動(dòng)，可減少電機(jī)的沖擊電流，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命。

g)永磁調(diào)速器無諧波，無污染物、無電磁波干擾問題。

h)永磁調(diào)速器使用壽命長(zhǎng)，可達(dá)30 a。

2 永磁調(diào)速器的改造

將3號(hào)凝結(jié)水泵電機(jī)拆除，主動(dòng)端安裝在電機(jī)軸上，電機(jī)和負(fù)載之間追加一個(gè)支撐筒，從動(dòng)端安裝在支撐筒內(nèi)部，電機(jī)與支撐筒上部連接，負(fù)載與支撐筒下部通過聯(lián)軸器連接，如圖2所示，整個(gè)改造過程只需要將電機(jī)整體抬高約900 mm即可，不存在基礎(chǔ)改造的問題。

圖2 設(shè)備安裝模擬效果圖（mm）

采用永磁調(diào)速器代替原來運(yùn)轉(zhuǎn)系統(tǒng)中的聯(lián)軸器，安裝在電機(jī)與水泵之間，永磁調(diào)速器配有電動(dòng)執(zhí)行器，新增永磁溫度、凝結(jié)水泵轉(zhuǎn)速、電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)反饋測(cè)點(diǎn)。根據(jù)除氧器水位變化，通過DCS傳輸給電動(dòng)執(zhí)行器4～20 mA電流信號(hào)，通過電動(dòng)執(zhí)行器帶動(dòng)調(diào)速機(jī)構(gòu)拖動(dòng)導(dǎo)體端軸向運(yùn)動(dòng)。電動(dòng)執(zhí)行器提供動(dòng)力使得嚙合面積隨著電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的指令變化而變化，電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)接受DCS控制中心的指令，進(jìn)行動(dòng)作，并將結(jié)果反饋給DCS控制中心，如圖3所示。

圖3 永磁調(diào)速器控制圖

3 永磁調(diào)速器的應(yīng)用

3號(hào)凝結(jié)水泵進(jìn)行永磁調(diào)速器節(jié)能改造后，高負(fù)荷運(yùn)行方式由原變頻凝結(jié)水泵與工頻凝結(jié)水泵并列運(yùn)行，變更為變頻凝結(jié)水泵與永磁凝結(jié)水泵并列運(yùn)行，工頻凝結(jié)水泵列備用；低負(fù)荷或供熱抽汽流量大仍保持單臺(tái)變頻凝結(jié)水泵運(yùn)行，將永磁凝結(jié)水泵列備用。

永磁凝結(jié)水泵自動(dòng)控制策略采取轉(zhuǎn)速跟蹤變頻凝結(jié)水泵轉(zhuǎn)速，使永磁凝結(jié)水泵轉(zhuǎn)速與變頻凝結(jié)水泵轉(zhuǎn)速趨于一致，防止并列運(yùn)行凝結(jié)水泵因出力不同，造成凝結(jié)水泵出力失衡。由于永磁凝結(jié)水泵轉(zhuǎn)速與永磁電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)開度非線性關(guān)系，永磁凝結(jié)水泵控制轉(zhuǎn)速取自永磁泵新增轉(zhuǎn)速測(cè)點(diǎn)反饋；變頻凝結(jié)水泵轉(zhuǎn)速與頻率成線性關(guān)系，變頻凝結(jié)水泵轉(zhuǎn)速通過頻率折算得出。變頻凝結(jié)水泵控制策略為跟蹤除氧器水位變化，通過比例積分微分PID(proportion，integration，differentiation)輸出變頻凝結(jié)水泵頻率指令，控制變頻凝結(jié)水泵輸出轉(zhuǎn)速，永磁凝結(jié)水泵跟蹤變頻凝結(jié)水泵轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)除氧器水位控制，如圖4所示。

該永磁調(diào)速器采用自然通風(fēng)冷卻，實(shí)際運(yùn)行永磁溫度在100℃左右，滿足永磁溫度不超150℃的運(yùn)行要求。永磁凝結(jié)水泵轉(zhuǎn)速控制與變頻凝結(jié)水泵轉(zhuǎn)速基本一致，凝結(jié)水壓力在0.7～1.2 MPa之間；原變頻凝結(jié)水泵與工頻凝結(jié)水泵并列運(yùn)行時(shí)，凝結(jié)水壓力在1.0～1.5 MPa之間，相同工況下凝結(jié)水壓力較原運(yùn)行壓力降低約0.3 MPa。

圖4 凝結(jié)水泵控制邏輯圖

3號(hào)凝結(jié)水泵永磁改造后，進(jìn)行了節(jié)能試驗(yàn)，在不同凝結(jié)水流量，先后進(jìn)行了變頻與工頻凝結(jié)水泵并列運(yùn)行、變頻與永磁凝結(jié)水泵并列運(yùn)行試驗(yàn)，凝結(jié)水泵永磁調(diào)速改造后，不同工況下平均節(jié)電率為24.7%，節(jié)能情況見表1。

表1 凝結(jié)水泵節(jié)能情況

4 結(jié)束語

通過對(duì)3號(hào)凝結(jié)水泵實(shí)施永磁調(diào)速器改造，采用原有變頻凝結(jié)水泵與永磁凝結(jié)水泵并列運(yùn)行方式，運(yùn)行安全穩(wěn)定，改造后全年凝結(jié)水泵耗電率0.18%，較改造前降低0.05%，凝結(jié)水泵耗電量降低約22%，取得了良好的運(yùn)行及節(jié)能效果，對(duì)同類型配置的機(jī)組有良好的借鑒及推廣意義。