永磁调速技术在火力发电厂中的节能应用研究.pdf

第3 1卷 第 l 2期 2 0 0 9年 1 2月 华 电技 术 Hu a di a n T e c hn o l o g y Vo 1 ． 3l No ． 1 2 De c． 2 0 0 9 永磁调速技术在火 力发 电厂 中的节 能应用研 究 严新荣 ， 张东 1 ． 中国华电集团公司， 北京1 0 0 0 3 1 ； 2 ． 华电国际十里泉发电厂 ， 山东 枣庄2 7 7 1 0 3 摘要 永磁调速技术是一种先进、 可靠的电动机调速节能技术。介绍了永磁调速原理， 与串级调速 、 变频调速进行了综 合对比。分析了某 3 0 0 MW火力发电厂开式循环水泵应用永磁调速技术的情况及取得的效果。 关键词 火力发电厂； 离心式水泵； 风机 ； 永磁调速； 节能 中图分类号 T K 2 4 3 ． 6 文献标志码 B 文章编号 1 6 7 41 9 5 1 2 0 0 9 1 20 0 2 6 0 3 O 引言 离心式泵与风机是火 电厂的耗 电大户 ， 总耗 电 量 占厂用电的 6 0 ％ ～7 0 ％。大多数泵与风机长期 工作在额定转速下 ， 依靠阀门节流对流量 、 压力进行 调节。系统长时问运行 ， 不仅造成 了大量的节流能 量损失 ， 还容易产生气蚀 、 冲刷 、 振动 ， 导致设 备损 坏。采用永磁调速技术 ， 根据机组负荷 、 环境温度等 条件变化适时调整泵与风机 的转速 ， 从 而改变出 口 压力和流量 ， 满足设备和系统需要 ， 同时使泵与风机 出力和消耗的电能大大降低 ， 具有较大的节能空间 和良好的经济效益。 永磁 转子 永磁体 图 1 永磁磁力耦合调速驱动器 下， 调节水泵或风机的转速下降时， 其输出流量和扬 程分别成 比例减少 ， 电动机功率急剧下降 ， 减少了能 源需求 ， 从而大量节约电能 。 1 永磁调速技术 2 永磁调速技术与其他调速技术的比较 1 ． 1 工作 原理 永磁调速驱动器主要 由铜转子 、 永磁转子和控 制机构 3部分组成 。铜转子 固定在 电动机轴上 ， 永 磁转子固定在负载转轴上 ， 控制机构控制铜导体和 永磁体之间的气隙。固定在电动机轴上的铜转子和 固定在负载轴上的永磁转子之间存在相对运动， 根 据电磁感应原理可知 导体在磁力线 中移动产生感 应涡电流， 导体上产生感应磁场 ， 从 而产生扭矩 ， 越 靠近磁力线越密集 ， 效应越强、 扭矩越大 ； 相对运动 越快 ， 两者感应同极磁场越强， 产生扭矩越大。通过 调节永磁体和铜导体之间的气隙就可改变负载轴上 输出的转矩 ， 从而实现负载转速变化。永磁磁力耦 合调速驱动器如图 1所示。 1 ． 2 节能原理 永磁调速驱动器可以改变负载的转速 ， 实现对 离心式泵与风机流量和压力的连续控制。由于离心 式泵与风机的扬程与转速的平方成正 比， 功率与转 速的 3次方成正比， 因此 ， 在电动机转速不变的情况 收稿 日期 2 0 0 9 0 9 2 1 2 ． 1电压敏感性 串级调速。串级调速采取改变电动机转子的电 流实现调速， 是滑差调速技术的一种。由于电动机 转子与定子之问磁场的紧密耦合 ， 电动机输入 电压 及电流直接通过耦合感应到转子中， 因此 ， 定子上电 压 、 电流变化直接影响串级调速 电子设备的可靠性， 其安全性相对较低。 变频调速。变频调速将输入交流电通过变频 、 整流变为高压直流 电， 再通过逆变器变换成频率可 变的高压交流电来驱动电动机运行 ， 是一种变频率 的调速技术。由于变频器输入端直接连接到 电网， 电网电压和电流的变化、 雷击浪涌等 ， 直接影响变频 器电子设备的可靠性 ， 容易造成变频器的绝缘击穿、 控制器件的损坏， 其安全可靠性相对较低， 为提高可 靠性 ， 一般应安装避雷装置。 永磁调速。永磁调 速设 备为精密 的纯机械设 备 ， 采用负载滑差调速技术。该设备与电网无关 ， 因 此 ， 电网电压不影响原系统的可靠性 。 2 ． 2 对电力谐波和功率因数的影响 串级调速。转子电流调节中产生的谐波电流耦 第 1 2期 严新荣， 等 永磁调速技术在 火力发 电厂中的节能应用研究 2 7 合到电网侧， 造成电动机输入端谐波增加， 功率因数降 低 ， 使电网侧补偿电容、 空气开关等设备故障率增高。 变频调速。变频器直接串联在电网侧与电动机 之间 ， 在电网中产生很高的 、 频率范围很广的谐波电 流， 其 中由变频 器产 生 的总谐 波 电流通 常要 超过 6 0 ％以上。由于谐波电流容易使功率因数补偿电容 烧毁 、 熔 断器熔 断 、 空气 开关 跳闸、 线路 过载等 ， 所 以， 为防止上述故 障发生 ， 通 常需要增加 谐波治理 设备。 永磁调速。与电网无关 ， 不会产生谐波 。 2 ． 3对系统振动的影响 串级凋速和变频调速。不改变电动机与负载的 机械连接方式 ， 系统 的振动 、 冲击和噪音取决于电动 机与风机或水泵的机械精度和轴对准精度 。 永磁调速 。由于 电动机与负载间存在气 隙， 没 有物理连接 ， 因此 ， 在能量传输 、 速度调节过程 中， 即 使电动机和负载之间存在小角度误差和位移误差 ， 也不会对系统造成影响。轴对准精度的允差很 大， 极大地降低了系统的振动和磨损 。 2 ． 4电动机启动 串级调速 。不能 以零转速启动 ， 通常调速范围 为 5 0 ％ ～1 0 0 ％ ， 带载启动 电流相对较大 、 电动机易 发热 ， 管路压力突变 ， 启动过程 中故障率相对较高。 变频调速 。变频器可 以从零转速启 动， 但启动 过程中负载一直加载 ， 启动时间较长， 启动过程中电 动机处于低转速状态 ， 电动机易发热， 但启动 电流较 小 、 管路压力平稳增加 ， 不会造成管路压力突变。 永磁调速 。电动机启动时 ， 负载可以完全断开， 实现零负载启动 ， 当电动机很快达到全速时 ， 负载平 滑启动 ， 降低 了启动电流 ， 避免了管路压力突变。 2 ． 5 环境要求 串级调速。串级调速控制 回路采 用可控 硅或 I G B T实现电流调节， 半导体元件通常要求在 0～ 4 O q C 环境下工作 ， 同时要求环境相对湿度为 6 0 ％ ～ 9 O％ 。 变频调速 。变频器为更复杂的电力 电子装 置 ， 对环境的要求高于串级调速系统。 永磁调速 。永磁调速装 置为精 密 的纯机 械装 置 ， 允许在 一 5 0一1 0 0℃和 0 ％ 一1 0 0 ％相对湿度 环境下工作。 2 ． 6其他 串级调速 。主回路和控制 回路为大功率 电器 ， 系统元件有数百个 ， 电力冗余度较大 ， 可靠性高于变 频器 ， 平均无故 障工作时间约为 l 5年 ， 调速精度相 对较高。 变频调速 。变频器 由整流滤波电路 、 变频逆变 电路 、 复杂的控 制 电子 电路组成 ， 电路元件有 数千 个 ， 其可靠性 相对较低 ， 平均无 故障工作 时间约为 1 0年。维护技术要求高 ， 故 障诊断相对 较复杂 ， 调 速精度高。 永磁调速。永磁调速装置结构简单 、 可靠性高、 故障易诊， 平均无故障工作时间可超过 2 5 年。其调 速精度相 对较低 ， 不适用 于精 确控 制转 速 的场合 使用。 3 永磁调 速技术在火 电厂 的应 用 3 ． 1开式循环水系统及存在的问题 某火电厂有 2台 3 0 0 MW 供热机组 ， 开式水 系 统主要用户为闭式水冷却器 、 主机冷油器 、 抗燃油冷 却器 、 发电动机定子冷却水冷却器、 发电动机密封油 冷却器 以及真空泵及电动给水泵冷却器等。每台机 组配置 2台开式循环水泵 ， 开式冷却水取 自循环水 供水管 ， 经过升压至 0 ． 3 8 MP a供给各级用户 ， 回水 至循环水 回水母管。开式循环泵技术参数 型号与 类型 ， K Q S N 4 5 0一M1 9 ／ 3 8 5 ； 功 率 ， 2 8 0 k W； 额 定 流 量 ， 2 5 8 0 m ／ h ； 扬程 ， 2 8 m； 效率 ， 8 2 ％ ； 额定 转速 ， 1 4 8 0 r ／ mi n 。电动机技术参数 型号 ， Y K K 4 0 0 24 ； 额定功率 ， 2 8 0k W； 额定 电压 ， 6 0 0 0 V； 额定 电流 ， 3 3 ． 6A； 功率因数 ， 0 ． 8 6； 额定转速 ， 1 4 8 5 r ／ m i n 。 在工程设计中 ， 通常需要按系统的最大需求配 备开式水泵 ， 并 留有余量。在实际运行中， 运行人员 根据机组负荷和环境温度变化 ， 需对各级用户的水 量用阀门进行节流调节 ， 造成大量节流损失。另外 ， 由于主机冷油器的冷却水调节 门安装在 回水侧 ， 使 主机冷油器冷却水压大 于油压 ， 形成 了油 中进水的 潜在安全隐患。 3 ． 2 永磁调速驱动器改造方案 在综合比较各种调速改造方案后 ， 在 1机组一 台开式循环水泵上采用了永磁调速驱动装置控制开 式循环水泵转速的调速方案。调速联轴器可以通过 控制器进行控制 ， 控制器可接受水 泵出 口压力 流 量、 液位 等控制信号。开式水泵永磁调速 系统示 意图如 图 2所 示。永磁 调 速 系统 设 备参 数 A S D 2 4 ． 5 ／ 2 8 ． 5 铝导电盘调速器数量， 1 ； 联轴嵌套及锁 紧盘数量 ， 2 ； B E C K 1 1 3 0 0电动执行器数量 ， 1 ； 执 行器连杆总成数量， 1 ； 测速传感器数量， 1 ； 隔音装置 数量 ， 1 。 1 根据设备 图纸设 计尺寸 ， 现 场改变 电动机 和泵的基础 ， 增加 电动机和泵 的间距 以满足安装永 磁调速驱动器的要求。 2 从 厂用 电系统 引接一路 A C 2 2 0 V ／ 5 A ／ 5 0 H z单相工作 电源 ， 供 电动执行器和测速传感器就地 2 8 华 电岌 术 第 3 1卷 图 2 开式水泵永磁调速 系统示意图 大时的平均稳定输出转速为 3 8 3 r ／ m i n ， 占额定转速 的2 5 ． 8 ％ ； 气隙最小时水泵平均稳定转速为 1 4 3 6 r ／ m i n ， 相对电动机额定转速 1 4 8 5 r ／ m i n 的滑差为 4 9 r ／ mi n ； 当指令从 0 ％ 到 1 0 0 ％连续调节 时， 最高 、 最低转速的变化时问约 6 0 S 。改造后， 跟随指令的 变化 ， 转速 、 功率 、 压力 曲线连续清晰 ， 趋势正确 ， 符 合比例定律 。 3 ． 3取得的成效 显不 仪表 。 3 开度指令 由分散控制系统 D C S 提供 D C 4～ 2 0 mA信号供电动执行机构实现 比例控制 ， 电动 执行机构提供 D C 4～ 2 0 mA开度反馈指令 到 D C S 中。增加转 速 、 压力 反馈 到 D C S进 行监 视及 闭环 控制 。 4 D C S中原水泵连锁逻辑 、 模拟信号 电动机 绕组温度 、 电流 、 轴承温度 、 振动 、 开关量信号 启／ 停状态 、 启／ 停操作 不变。 5 设备安装完毕后 ， 进行了 D C S组态及 现场 安装调试 ， 对 电动机和水泵的振动 、 工业噪声进行了 通过调速改造 ， 运行人员可根据机组工况和环 境变化 ， 时时调节开式循环水泵转速 ， 改变系统供水 量和供水压力 ， 减少阀门节流能量损失 ， 达到了节约 厂用电、 延长设备使用寿命 、 消除主机润滑油油中进 水安全隐患等 目的。 3 ． 3 ． 1 节能效果显著 改造后对 2台机组开式循环水泵的耗电量进行 了统计和综合对比分析 ， 从表 1 可以看出， 改造后水 泵 统计期间 平均节 电 6 0 ％ 以上 ， 节能效果显著 。 因该机组夏季停运 ， 没有开式水泵夏季耗电数据 ， 暂 无法做详细的效益分析 ， 根据机组负荷 、 上网电价和 测试。 设备投资 维护 费用等数 据进行 了粗 略估算 ， 预计 改造完成后的运行参数 铜盘与永磁盘气隙最 23年能够收 回投资 。 表 1 2台机组开式循环水泵用电量对 比 3 ． 3 ． 2 延长了设备寿命 ， 提高了系统可靠性 由于电动机低负荷运行 ， 发热量减少 ， 减缓 了绝 缘老化速度 。水泵工作转速的降低 ， 减轻 了水泵及 叶轮的气蚀 ， 减少了水泵轴封盘根 、 轴套的机械磨 损。同时 ， 由于电动机及水泵没有机械连接 ， 振动大 为降低 实测振动降低 了约 4 0 m ， 电动机零负载 启动 ， 使启动时的电流和振动大大降低 ， 减少了对机 电设备和供电电网造成 的冲击 ， 从而可 以提高整个 系统的设备寿命和可靠性 。 4 结束语 永磁调速技术是一种先进 的电动机调速、 节能 技术 ， 具有节能效果显著 、 结构简单 、 性能可靠 、 维护 成本低 、 使用寿命长等优点。尽管还存在转速调节 响应速度较慢 、 高转差运行经济性低等缺点 ， 但通过 实际应用证 明， 在火力发电厂无需精确控制转速 、 非 备用的小功率离心式泵与风机上具有较广阔应用前 景。同时 ， 该技术也为 电动机 的调速节能提供 了一 种新的选择 。 参考文献 [ 1 ] 王向东 ， 阎华光， 高学田． 永磁调速技术在节能中的应用 [ c ] ／ ／ 第二届工业企业节电技术研讨会论文集． 青岛 中 国电机工程学会 ， 2 0 0 7 ． [ 2 ] 王玉彬 ． 电动机调速及节能技 术 [ M] ． 北京 中国电力 出 版社 ， 2 0 0 8 ． [ 3 ] 徐莆荣． 大功率风机水泵调速节能运行的技术经济分析 [ J ] ． 电源技术应用 ， 2 0 0 2 ， 5 1 4 6 5 2 ． [ 4 ] 王兵树， 万军． 串级调速技术的发展及在发电厂的应用 [ C ] ／ ／ 3 2 业企业节电技术研讨会论文集． 苏州 中国电机 工程学会 ， 2 0 0 6 ． [ 5 ] 刘学东． 变频调速和串级调速对 比试验及节能分析[ J ] ． 选煤技术， 1 9 9 8 1 2 8 2 9 ． 编 辑 白银 雷 作者简介 严新荣 1 9 7 2 一 ， 男 ， 江西新余人， 高级工程师， 从事技 术研究 、 推广及科技管理方面 的工作 。 张东 1 9 8 0 一 ， 男 ， 山东 枣 庄 人 ， 工 程 师 ， 从 事 热 机 检 修、 工程技术管理方面的工作。