1 000 MW 超超臨界機(jī)組凝泵永磁調(diào)速器的配套設(shè)計(jì)

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(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展, 能源的消耗越來(lái)越多。以低能耗、低污染、低排放為基礎(chǔ)的低碳經(jīng)濟(jì)模式勢(shì)在必行。節(jié)能降耗既是社會(huì)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(lái)調(diào)節(jié)流量和揚(yáng)程, 導(dǎo)致大量的電能浪費(fèi)。永磁調(diào)速技術(shù)是近十年來(lái)新開發(fā)的一種高效無(wú)污染的電動(dòng)機(jī)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(qiáng)等優(yōu)點(diǎn), 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(jī)組的凝泵項(xiàng)目, 每臺(tái)機(jī)組配2 臺(tái)100 %容量的凝結(jié)水泵, 1 臺(tái)運(yùn)行1臺(tái)備用。其中1 臺(tái)配永磁調(diào)速器, 該裝置可以安裝在任意一臺(tái)凝結(jié)水泵上。

目前國(guó)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(xiàng)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(guò)電廠凝結(jié)水系統(tǒng)中的凝泵永磁調(diào)速傳動(dòng)配套設(shè)計(jì)的介紹, 總結(jié)了永磁調(diào)速泵組的優(yōu)點(diǎn)和難點(diǎn), 同時(shí)提出了需要重點(diǎn)關(guān)注的幾個(gè)問(wèn)題。

1 凝泵永磁調(diào)速傳動(dòng)的配套設(shè)計(jì)

該2×1 000 MW 機(jī)組的凝結(jié)水泵項(xiàng)目, 配套電動(dòng)機(jī)型號(hào)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(yáng)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(jí)離心泵, 型號(hào)為NLT500-600×4S, 泵進(jìn)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(jí)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(jì), 包括零部件材料的選擇、泵組的支撐方式設(shè)計(jì)、安裝維修、零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、與電機(jī)和永磁調(diào)速器的配套、試驗(yàn)驗(yàn)收方案等。同時(shí)還開展有關(guān)產(chǎn)品研制、風(fēng)險(xiǎn)分析、標(biāo)準(zhǔn)化分析、質(zhì)量計(jì)劃等相關(guān)活動(dòng)。為確保零件設(shè)計(jì)的安全可靠性, 開展有關(guān)整泵及零部件的 CFD、CAE 計(jì)算分析驗(yàn)證、減振降噪方案論證、抗汽蝕運(yùn)行穩(wěn)定性分析、可靠性分析以及試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)及分析等。依照國(guó)內(nèi)電站技術(shù)要求, 設(shè)計(jì)汽蝕性能更高的系列產(chǎn)品。

為了保證泵組穩(wěn)定運(yùn)行, 在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中,必須充分考慮可維修性及可測(cè)試性。維修是泵組運(yùn)行一定周期不可缺少的工作項(xiàng)目。對(duì)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(jìn)行詳細(xì)的規(guī)劃, 保證維修工作的快速準(zhǔn)確?？蓽y(cè)試性關(guān)系到泵組出廠質(zhì)量的判斷, 以及泵組運(yùn)行狀態(tài)的診斷。泵組性能的測(cè)量參數(shù)有電流電壓、溫度、流量、壓力、汽蝕、振動(dòng)噪聲等, 要設(shè)置各種儀器儀表的安裝孔位, 要求布點(diǎn)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(dòng)自動(dòng)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(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)軸連接殼與緊縮盤、自動(dòng)水循環(huán)冷卻系統(tǒng)及儀表、自動(dòng)調(diào)速型控制集成柜、主機(jī)等部分組成, 如圖2 所示。其性能要求為: 永磁傳動(dòng)效率為90 ～97%；泵節(jié)能率為20%以上 (相較滿負(fù)荷)；設(shè)計(jì)壽命不少于20 年。

圖2 凝泵永磁調(diào)速器系統(tǒng)

1.3 動(dòng)力傳遞的匹配

電動(dòng)機(jī)通過(guò)永磁調(diào)速器驅(qū)動(dòng)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(gè)動(dòng)力傳遞環(huán)節(jié), 都要考慮一定的安全余量, 電動(dòng)機(jī)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(xiàng)目中, 電動(dòng)機(jī)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(jì)性。

2 應(yīng)用難點(diǎn)

配套永磁調(diào)速器型號(hào)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(yùn)行節(jié)能, 凝結(jié)水泵設(shè)置有多個(gè)運(yùn)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(guò)永磁調(diào)速傳動(dòng)即可實(shí)現(xiàn), 避免通過(guò)閥門調(diào)節(jié)工況帶來(lái)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(dòng)配套設(shè)計(jì)難點(diǎn): 由于凝泵電機(jī)是立式安裝, 加裝永磁調(diào)速器后會(huì)將電機(jī)抬高約2 m, 電機(jī)的穩(wěn)定性須深入進(jìn)行分析。運(yùn)行時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)度和振動(dòng)問(wèn)題。另外凝泵壓出段及電機(jī)座的承載能力亦須進(jìn)行分析。

對(duì)凝泵泵組進(jìn)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(jìn)行網(wǎng)格劃分、輸入材料和載荷等參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。充分考慮泵組的各種載荷, 包括電機(jī)的重力、永磁調(diào)速器的重力、電機(jī)通過(guò)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(guò)程中, 對(duì)泵組進(jìn)行線性靜力分析、動(dòng)力分析及振動(dòng)模態(tài)分析等。通過(guò)分析找到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的薄弱點(diǎn), 并進(jìn)行改進(jìn)。主要是對(duì)電機(jī)架的窗口筋板及法蘭等要素進(jìn)行調(diào)整, 改變厚度調(diào)整數(shù)量及布局等。

通過(guò)反復(fù)修改設(shè)計(jì)和試驗(yàn)驗(yàn)證, 因電機(jī)抬高2 m, 泵組運(yùn)行可能失穩(wěn)的問(wèn)題已經(jīng)得到妥善解決,機(jī)組實(shí)際運(yùn)行穩(wěn)定, 避免共振現(xiàn)象發(fā)生。稀油站冷卻系統(tǒng)運(yùn)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(jì)穩(wěn)定的運(yùn)行, 凝泵設(shè)計(jì)有多個(gè)運(yùn)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(jì)的, 產(chǎn)生大量的電能浪費(fèi)。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(jī), 成本較低、調(diào)速方式簡(jiǎn)單, 缺點(diǎn)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(diǎn)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(xiǎn)環(huán)境, 電機(jī)風(fēng)扇轉(zhuǎn)數(shù)變慢, 不利于電機(jī)散熱。

永磁傳動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單, 可自行解決故障, 不必請(qǐng)專業(yè)公司的人來(lái)維修, 其使用壽命可達(dá)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(zhǎng)也不過(guò)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(xiàng)目中。由于永磁調(diào)速器外形尺寸較大, 臥式安裝時(shí)電機(jī)需要移位, 需要重新澆筑基礎(chǔ), 工程量較大。立式安裝時(shí)需重新設(shè)計(jì)電機(jī)架, 泵組的重心升高, 給設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性帶來(lái)不利影響。另外啟動(dòng)電流較大, 轉(zhuǎn)數(shù)較低時(shí)效率很低, 并不節(jié)能,通常建議最低運(yùn)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(shí), 和變頻器相比, 永磁傳動(dòng)綜合節(jié)能已沒(méi)有優(yōu)勢(shì)。

永磁調(diào)速器對(duì)中誤差容忍度高, 最大可為5 mm, 并且隔離了機(jī)械振動(dòng)的傳遞。但在實(shí)際安裝過(guò)程中, 要求盡可能減小對(duì)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(dòng)方式, 機(jī)組的水平度、垂直度以及軸心線對(duì)中都是必不可少的, 而且盡可能采取高標(biāo)準(zhǔn)。

某凝泵項(xiàng)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(gè)運(yùn)行工況, 運(yùn)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(yùn)行范圍內(nèi)。該轉(zhuǎn)速下永磁調(diào)速器的傳動(dòng)效率是高于變頻器傳動(dòng)的, 具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

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

表1 定速泵與變速泵的運(yùn)行參數(shù)

在以上3 個(gè)運(yùn)行工況下, 采用永磁調(diào)速器的變速泵相對(duì)于定速泵, 平均揚(yáng)程差占總揚(yáng)程的10%左右。對(duì)于定速泵而言, 這部分揚(yáng)程全部損失在出口閥門上, 采用出口閥門來(lái)調(diào)節(jié)工況是極不經(jīng)濟(jì)的。從長(zhǎng)期運(yùn)行的角度來(lái)考慮, 永磁調(diào)速技術(shù)能為電廠帶來(lái)明顯的經(jīng)濟(jì)效益[15]。

目前在國(guó)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(dòng)裝置調(diào)速方案和高壓變頻器調(diào)速方案, 各有優(yōu)缺點(diǎn), 應(yīng)在分析經(jīng)濟(jì)成本, 分析設(shè)備運(yùn)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(yǔ)

在凝泵永磁調(diào)速泵組的配套設(shè)計(jì)過(guò)程中, 根據(jù)實(shí)際運(yùn)行工況的需求, 合理地選擇永磁調(diào)速器, 建議最低運(yùn)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(lái)傳遞動(dòng)力, 可以在多種轉(zhuǎn)數(shù)下運(yùn)行, 擴(kuò)大了泵組的運(yùn)行范圍, 更好地滿足客戶的需求, 但同時(shí)也需要注意以下三點(diǎn):

1) 應(yīng)把電機(jī)、泵和永磁調(diào)速器作為一個(gè)整體來(lái)校核計(jì)算共振頻率, 在多個(gè)工況對(duì)應(yīng)的運(yùn)行轉(zhuǎn)數(shù)下不得發(fā)生共振。

2) 在實(shí)際安裝過(guò)程中, 盡可能減小對(duì)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(yùn)行時(shí)發(fā)熱量較大, 應(yīng)及時(shí)更換潤(rùn)滑油, 對(duì)管路清洗除垢, 需要重點(diǎn)考慮所配稀油站冷卻系統(tǒng)的可靠性問(wèn)題。