1 000 MW 超超临界机组凝泵永磁调速器的配套设计

2021-01-25蒋华霍幼文

湖南电力 2020年6期

蒋华，霍幼文

(1. 中电神头发电有限责任公司，山西朔州036800；2. 上海凯士比泵有限公司，上海200245)

0 引言

随着中国经济的高速发展, 能源的消耗越来越多。以低能耗、低污染、低排放为基础的低碳经济模式势在必行。节能降耗既是社会发展的需求, 也是企业的生存之本。火电厂中的各类水泵设备通常采取阀门来调节流量和扬程, 导致大量的电能浪费。永磁调速技术是近十年来新开发的一种高效无污染的电动机调速技术, 具有高可靠性、高效节能、环境适应性强等优点, 已成为很多高能耗企业节能改造的首选[1-2]。

某2×1 000 MW 燃煤发电机组的凝泵项目, 每台机组配2 台100 %容量的凝结水泵, 1 台运行1台备用。其中1 台配永磁调速器, 该装置可以安装在任意一台凝结水泵上。

目前国内关于永磁调速器的应用大多属于低功率段的, 本项目所涉及到的功率3 000 kW 以上的永磁调速器的应用。文章通过电厂凝结水系统中的凝泵永磁调速传动配套设计的介绍, 总结了永磁调速泵组的优点和难点, 同时提出了需要重点关注的几个问题。

1 凝泵永磁调速传动的配套设计

该2×1 000 MW 机组的凝结水泵项目, 配套电动机型号为 YKKL 3100-4/1180-1, 额定转速为1 480 r/min, 功率为 3 100 kW, 电压为 10 kV。凝结水泵铭牌工况流量为2 685 m3/h, 扬程为315 m,转数为1 480 r/min。

1.1 凝结水泵

凝结水泵采用筒袋型立式多级离心泵, 型号为NLT500-600×4S, 泵进口法兰DN1000, 出口法兰DN500, 筒体直径 1.3 m, 总高度 9.9 m, 重量16 t, 结构如图1 所示。

图1 凝结水泵结构

凝结水泵总体方案为多级离心泵, 主要围绕节能增效、减振降噪、可靠性、维修性等开展整体结构功能设计, 包括零部件材料的选择、泵组的支撑方式设计、安装维修、零部件结构设计、与电机和永磁调速器的配套、试验验收方案等。同时还开展有关产品研制、风险分析、标准化分析、质量计划等相关活动。为确保零件设计的安全可靠性, 开展有关整泵及零部件的 CFD、CAE 计算分析验证、减振降噪方案论证、抗汽蚀运行稳定性分析、可靠性分析以及试验方案设计及分析等。依照国内电站技术要求, 设计汽蚀性能更高的系列产品。

为了保证泵组稳定运行, 在产品设计过程中,必须充分考虑可维修性及可测试性。维修是泵组运行一定周期不可缺少的工作项目。对起吊空间、人体站位空间、扳手空间以及所有零件的装拆顺序,都必须进行详细的规划, 保证维修工作的快速准确。可测试性关系到泵组出厂质量的判断, 以及泵组运行状态的诊断。泵组性能的测量参数有电流电压、温度、流量、压力、汽蚀、振动噪声等, 要设置各种仪器仪表的安装孔位, 要求布点准确并且在视线范围内。

1.2 永磁调速器

永磁涡流柔性传动自动调速装置采用水冷型结构, 主要由永磁转子、导磁转子、气隙执行机构、转轴连接壳与紧缩盘、自动水循环冷却系统及仪表、自动调速型控制集成柜、主机等部分组成, 如图2 所示。其性能要求为: 永磁传动效率为90 ～97%；泵节能率为20%以上 (相较满负荷)；设计寿命不少于20 年。

图2 凝泵永磁调速器系统

1.3 动力传递的匹配

电动机通过永磁调速器驱动凝结水泵, 三者传递的功率大小应符合匹配关系。每一个动力传递环节, 都要考虑一定的安全余量, 电动机的功率大于凝结水泵的功率, 并且永磁调速器的功率也要大于凝结水泵的功率。不推荐大马拉小车, 更不许可小马拉大车。

在该凝泵项目中, 电动机的额定功率是3 100 kW, 永磁调速器的额定功率是3 150 kW, 凝结水泵的额定功率是2 850 kW, 匹配合理功率余量适当, 兼顾了安全性和经济性。

2 应用难点

配套永磁调速器型号为MAC-DY875, 额定功率3 150 kW, 额定转速1 430 r/min, 重量5 500 kg,如图3 所示。为了便于运行节能, 凝结水泵设置有多个运行转数, 分别为1 430 r/min、1 400 r/min、1 300 r/min、1 200 r/min、1 100 r/min。通过永磁调速传动即可实现, 避免通过阀门调节工况带来电能损耗。

图3 永磁调速器外形及结构图

凝泵永磁调速传动配套设计难点: 由于凝泵电机是立式安装, 加装永磁调速器后会将电机抬高约2 m, 电机的稳定性须深入进行分析。运行时可能会产生强度和振动问题。另外凝泵压出段及电机座的承载能力亦须进行分析。

对凝泵泵组进行CAE 结构力学性能分析, 采用ANSYS 有限元分析软件构建泵组的三维模型,并进行网格划分、输入材料和载荷等参数进行计算。充分考虑泵组的各种载荷, 包括电机的重力、永磁调速器的重力、电机通过永磁调速器传递给凝泵的扭矩以及泵自身的重力、轴向力和径向力等。

在凝泵的有限元分析过程中, 对泵组进行线性静力分析、动力分析及振动模态分析等。通过分析找到结构设计中的薄弱点, 并进行改进。主要是对电机架的窗口筋板及法兰等要素进行调整, 改变厚度调整数量及布局等。

通过反复修改设计和试验验证, 因电机抬高2 m, 泵组运行可能失稳的问题已经得到妥善解决,机组实际运行稳定, 避免共振现象发生。稀油站冷却系统运行良好, 永磁调速器的温升在可控范围之内。

3 各种调速方式比较

为了保证发电设备经济稳定的运行, 凝泵设计有多个运行工况。这就需要调节泵的出口阀门或者调节泵的转数, 调节阀门是不经济的, 产生大量的电能浪费。变速泵减少了阀门的调节, 节能效果明显[11-14]。调节转数通常有以下三种方式, 一是采取双速电机, 成本较低、调速方式简单, 缺点是仅有两种转数, 不能适应更多的工况需求；二是采用永磁调速或变频调速, 配套较为复杂成本较高, 优点是有多种转数, 能适应多种工况需求；三是采用变频器, 不适合易腐蚀易爆炸的危险环境, 电机风扇转数变慢, 不利于电机散热。

永磁传动装置结构简单, 可自行解决故障, 不必请专业公司的人来维修, 其使用寿命可达30 年。变频器是复杂的电子设备, 一旦有电气故障发生,只能由变频器生产厂家或专业公司派人修理。变频器的使用寿命最长也不过10 年。

但是采用永磁调速方案也存在局限性, 尤其是在改造项目中。由于永磁调速器外形尺寸较大, 卧式安装时电机需要移位, 需要重新浇筑基础, 工程量较大。立式安装时需重新设计电机架, 泵组的重心升高, 给设备运行的稳定性带来不利影响。另外启动电流较大, 转数较低时效率很低, 并不节能,通常建议最低运行转数不低于额定转数的70%。转数低于额定转数的80%时, 和变频器相比, 永磁传动综合节能已没有优势。

永磁调速器对中误差容忍度高, 最大可为5 mm, 并且隔离了机械振动的传递。但在实际安装过程中, 要求尽可能减小对中误差, 确保传递效率高及传递受力均匀。不论采取什么样的传动方式, 机组的水平度、垂直度以及轴心线对中都是必不可少的, 而且尽可能采取高标准。

某凝泵项目中, 凝结水泵额定转速是1 480 r/min。为了更加节能, 增加永磁调速器后凝结水泵有 3 个运行工况, 运行转速都是1 430 r/min, 为额定转速的96.6%, 正好位于永磁调速器的高效运行范围内。该转速下永磁调速器的传动效率是高于变频器传动的, 具有明显的优势。

定速泵与采用永磁调速器的变速泵的运行参数的比较见表1。