1000 MW 機組凝結(jié)水泵永磁調(diào)速器節(jié)能改造設(shè)計

徐皎峰

（中電神頭發(fā)電有限責任公司，山西朔州 036011）

0 引言

某火電廠1000 MW 機組凝結(jié)水泵基本運行參數(shù)如下：預(yù)計揚程503 mH2O，預(yù)計工作流量2038.79 m3/h，匹配電機輸出功率3500 kW，額定電壓10 kV，額定電流200 A，工作轉(zhuǎn)速2500 r/min，正常工作狀態(tài)下流量保持在1500～2000 m3/h。運行過程中該凝結(jié)水泵存在以下4 個問題：

（1）凝結(jié)水泵容量具有較大裕量，凝結(jié)水的流量與壓力是通過調(diào)整調(diào)節(jié)閥開度來實現(xiàn)的，隨著負荷工況的變化，水泵出口母管的壓力也會發(fā)生變化，進而導致主調(diào)節(jié)閥會產(chǎn)生一定的節(jié)流損失。通過測試發(fā)現(xiàn)，在850 MW、950 MW 和1000 MW的輸出工況下，主調(diào)節(jié)閥的節(jié)流損耗分別為2.4 MPa、2.2 MPa和1.9 MPa，說明輸出工況越低節(jié)流損耗越大。

（2）低負荷工況下能量轉(zhuǎn)換效率不高，在850 MW、950 MW和1000 MW 輸出工況下，能量轉(zhuǎn)換效率分別為62%、74%和85%，說明輸出工況越低能量轉(zhuǎn)換效率越低。

（3）凝結(jié)水泵驅(qū)動電機啟動方式為硬啟動，在啟動瞬間會產(chǎn)生較大的沖擊瞬時電流，在嚴重情況下會擊穿電機絕緣保護，大大縮短電機的使用時長。

（4）除氧器上水調(diào)整閥門沒有實現(xiàn)自動化控制，導致該設(shè)備運行穩(wěn)定性和可靠性較差，由于火電機組工作負荷變化頻繁，需要經(jīng)常性開啟和關(guān)閉調(diào)整閥門。

對超臨界機組凝結(jié)水泵進行節(jié)能改造不僅可以有效降低凝泵的損耗，而且可以提高整個系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和安全性，優(yōu)化電網(wǎng)供電質(zhì)量。

1 永磁調(diào)速裝置設(shè)計思路

永磁調(diào)速是近年來國際上發(fā)展起來的一項突破性技術(shù)，同時也是一種節(jié)能技術(shù)，設(shè)備運行成本低，利用磁耦合效應(yīng)傳遞轉(zhuǎn)矩，實現(xiàn)非接觸式調(diào)速，消除電機軸與負載軸之間的機械連接[1]。它大大降低了整個系統(tǒng)的振動和維護，延長了系統(tǒng)的使用壽命，實現(xiàn)了無限平滑的調(diào)速，效率高，節(jié)能環(huán)保。此外，它還具有安裝方便、適應(yīng)惡劣條件、自動過載保護和維護費用低等優(yōu)點[2]。但是由于在永磁調(diào)節(jié)器切斷磁場的過程中產(chǎn)生的熱量，永磁體的溫度升高，導致永磁材料的磁性降低。目前提高永磁體的工作溫度已成為永磁材料研究的難點之一。

導體轉(zhuǎn)子和永磁體可獨立自由旋轉(zhuǎn)。當導體轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，導體轉(zhuǎn)子和永磁轉(zhuǎn)子之間存在相對運動。當磁場通過氣隙時，導體轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生渦流。然后，渦流產(chǎn)生感應(yīng)磁場，感應(yīng)磁場與永久磁場相互作用，使永磁轉(zhuǎn)子與導體轉(zhuǎn)子沿同一方向旋轉(zhuǎn)，并輸出驅(qū)動電機產(chǎn)生的扭矩[3]。調(diào)速系統(tǒng)由永磁調(diào)速器、電機操縱器、速度傳感器、溫度變送器、受控系統(tǒng)電源、受控系統(tǒng)等組成，電機操作員根據(jù)收到的控制指令調(diào)整圓柱形導體轉(zhuǎn)子和永磁轉(zhuǎn)子之間的嚙合面積，從而控制驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速，然后將結(jié)果反饋給控制系統(tǒng)[4]。

為了實現(xiàn)永磁調(diào)速裝置在超臨界機組凝結(jié)水泵上的安裝要求，需要對轉(zhuǎn)子基礎(chǔ)進行改造。具體實現(xiàn)如下：首先保持電機錨桿不動同時地基澆水部分抹去150 mm；其次該鋼底座的厚度設(shè)置為150 mm，電機向后移動200 mm；最后將永磁調(diào)節(jié)器的導體轉(zhuǎn)子連接到電機軸，永磁轉(zhuǎn)子和調(diào)速機構(gòu)連接到風扇軸。此外，電動執(zhí)行機構(gòu)還與電源線和信號線相連。

通過調(diào)節(jié)器路線調(diào)節(jié)驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速，隨著定期跳閘次數(shù)的增加，驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速增加，調(diào)整到60%時振動明顯且噪聲顯著增大，永磁調(diào)速器也出現(xiàn)了一些異常運行現(xiàn)象。永磁調(diào)速器的導體轉(zhuǎn)子與永磁轉(zhuǎn)子之間發(fā)生摩擦，同時永磁轉(zhuǎn)子上出現(xiàn)裂紋。對上述問題進行了如下分析：

（1）隨著裂紋和摩擦的產(chǎn)生，安裝永磁體的負載環(huán)存在間隙、產(chǎn)生較大的離心力，影響負載環(huán)狀態(tài)。

（2）負載環(huán)的加工采用線切割，粗糙度低，拐角處有明顯的棱角，且角部為直角、有可能導致集中應(yīng)力。

（3）為了防止因地基問題而出現(xiàn)的振動，需要加強電機安裝的基礎(chǔ)鋼結(jié)構(gòu)。

（4）導體轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為3000 r/min，采用的冷卻葉片噪聲大，需要進一步改善葉片角度。

采用有限元軟件Ansys 對永磁轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)進行分析，A6061-T6 用于鋁磁性負載環(huán)，其屈服強度為213 MPa；磁鐵相當于剛性材料，模擬過程中轉(zhuǎn)速為3000 r/min；將均勻結(jié)構(gòu)分為32 個部分，選擇整體的1/32 進行分析。結(jié)果表明，在上述條件下最大應(yīng)力為50.24 MPa，且最大應(yīng)力處存在應(yīng)力間斷。通過應(yīng)力分析可知，鋁環(huán)材料滿足要求，需要改進安裝結(jié)構(gòu)，以減小永磁體在運行過程中因線切割引起的銳角應(yīng)力集中而產(chǎn)生的最大應(yīng)力。原加載環(huán)邊緣夾角為90°，容易引起應(yīng)力集中，離心力直接作用在應(yīng)力較高且鋁合金機械強度較低的薄側(cè)。改進要點如下：

（1）改進負載環(huán)結(jié)構(gòu)。增加永磁體上的臺階，使離心力直接作用于厚臺肩，臺肩與上部薄處留有間隙，增加所有拐角處的圓角，避免應(yīng)力集中現(xiàn)象。

（2）采用高強度材料，如不銹鋼。

（3）改進永磁調(diào)速器的葉片結(jié)構(gòu)，使其符合氣流特性。在高轉(zhuǎn)速下，水冷式永磁調(diào)速器的葉片角度非常重要，否則可能會產(chǎn)生較大的噪聲甚至導致電機振動。永磁調(diào)速器的改造方法雖然簡單，但需要改造電機基礎(chǔ)。目前基礎(chǔ)改造大多數(shù)采用方便的鋼結(jié)構(gòu)電機座，需要考慮鋼結(jié)構(gòu)的強度要求，以防止電機引起底座振動。

（4）永磁調(diào)速裝置需要滿足導體轉(zhuǎn)子與永磁轉(zhuǎn)子之間的冷卻條件和強度要求。由于永磁轉(zhuǎn)子上負載環(huán)是最脆弱部分，結(jié)構(gòu)需要改進并滿足強度要求。

2 凝結(jié)水泵節(jié)能改造具體應(yīng)用

2.1 永磁調(diào)速裝置的安裝與熱調(diào)節(jié)系統(tǒng)的改造

在某發(fā)電站火電機組凝泵節(jié)能改造中，選用型號為WV-2500 型永磁調(diào)速裝置，該裝置的工作方式為水冷式，安裝過程比較簡單，重要的是后續(xù)水冷卻系統(tǒng)的安裝以及熱調(diào)節(jié)系統(tǒng)的改造。該調(diào)速裝置采用380 V、50 Hz 的交流電獨立供電，通過50 mA 的遠程控制信號實現(xiàn)對裝置的控制。將原有的驅(qū)動電機與凝結(jié)水泵拆開，將調(diào)速裝置放置在兩者之間就可以完成裝置的安裝工作。接下來就需要完成水冷卻系統(tǒng)的安裝。

水冷卻系統(tǒng)的進水口采用的是自閉式進水母管，要求冷卻水最高溫度不大于35 ℃，進水壓力大于0.4 MPa，進水流量不低于6 m3/h。水冷卻系統(tǒng)采用自循環(huán)工作方式，利用兩臺輸出功率為5 kW 的水泵回收已進行熱循環(huán)的冷卻水。另外，需要確保回收水箱的高度要低于調(diào)速裝置的回水口位置，同時在分散控制系統(tǒng)中實時監(jiān)控冷卻水和回收水的各項指標。

熱調(diào)節(jié)系統(tǒng)的改造主要是通過分散控制系統(tǒng)對調(diào)速機構(gòu)進行遠程控制，增加對冷卻水各項指標的實時監(jiān)控以及安全報警裝置。主要改造思路為：首先利用調(diào)速裝置來實現(xiàn)對除氧水水位的控制，將原有的除氧水上水調(diào)節(jié)閥門改造為凝結(jié)水的壓力控制閥門，將上水調(diào)節(jié)閥門的開度開到最大，由此減少凝泵的節(jié)流損耗。調(diào)速裝置的執(zhí)行機構(gòu)開度可以達到100%，通過調(diào)節(jié)執(zhí)行機構(gòu)的開度進而改變凝結(jié)水泵的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)對除氧水水位的控制，同時滿足不同負荷工況下對除氧水水位的要求。原有的上水調(diào)節(jié)閥門以最大開度運轉(zhuǎn)，在保證凝結(jié)水最小壓力的同時降低節(jié)流損耗。

2.2 系統(tǒng)穩(wěn)定性測試與節(jié)能改造對比

在永磁調(diào)速裝置安裝完成后需要對系統(tǒng)進行振動穩(wěn)定性測試和冷卻能力測試，測試周期分別為8 個月和4 個月。由于永磁調(diào)速裝置為凝結(jié)水泵上新增的設(shè)備，所以不可避免會存在系統(tǒng)共振的問題，在共振頻率較大的情況下可能會出現(xiàn)驅(qū)動電機機架斷裂的故障，嚴重影響凝結(jié)水泵工作的穩(wěn)定性，因此需要定期進行檢測凝結(jié)水泵各部位的振動位移值。統(tǒng)計8 個月的振動位移值測試結(jié)果并分析發(fā)現(xiàn)，電機機架的振動位移值最大，為51 μm；凝結(jié)水泵的振動位移值最小，為14 μm；振動產(chǎn)生的偏移值均小于1 mm，完全滿足系統(tǒng)穩(wěn)定運行要求，并且系統(tǒng)各部件噪聲較改造前也有了較明顯改善。

水冷卻系統(tǒng)是確保永磁調(diào)速機構(gòu)長時間穩(wěn)定工作的核心裝置，通過水冷卻系統(tǒng)可以帶走調(diào)速機構(gòu)工作時產(chǎn)生的絕大部分熱量。為了驗證水冷卻系統(tǒng)工作的可靠性，在調(diào)速裝置安裝完成后的用電高峰期進行冷卻能力測試。通常夏季的6～9 月份是一年中用電量的最高峰，而且各設(shè)備工作溫度也較高，是測試水冷卻系統(tǒng)在極端環(huán)境工作能力的最佳時間段。通過4 個月的統(tǒng)計測試發(fā)現(xiàn)，冷卻水的平均進水溫度為35 ℃，最高可達38 ℃，經(jīng)過冷卻系統(tǒng)后的出水平均溫度為56 ℃、最高出水溫度為61 ℃。而系統(tǒng)設(shè)置的出水溫度預(yù)警值為75 ℃，保護動作啟動值為85 ℃，因此水冷卻系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性和安全性符合設(shè)計要求。

為了評估采用永磁調(diào)速裝置改造后的凝結(jié)水泵所產(chǎn)生的效益，對火電機組凝結(jié)水泵改造前和改造后的各項參數(shù)進行測試，分析結(jié)果見表1 和表2。

表1 改造前凝結(jié)水泵各項參數(shù)

表2 改造后凝結(jié)水泵各項參數(shù)

從表1 和表2 中可以看出，改造后凝結(jié)水泵的各項參數(shù)有了明顯改善。統(tǒng)計分析5 年多的凝結(jié)水泵運行數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)，改造后比改造前平均每年節(jié)電約4750 MW·h，用電量降低了約45%，每年節(jié)省電費高達230 萬元。雖然永磁調(diào)速裝置的生產(chǎn)安裝成本較高，但是該電廠改造投入的成本僅用兩年就可以收回，按照永磁調(diào)速裝置安全使用時間為25 年來計算，其產(chǎn)生的收益是非常可觀的。