引言

生產(chǎn)環(huán)節(jié)所采用的水泵往往需要配置調速裝置,利用調速系統(tǒng)控制其在流量調整時的無功功率損耗,使水泵能夠安全、高效、經(jīng)濟、節(jié)能運行。尤其是繞組式永磁調速系統(tǒng),可調速范圍廣、控制靈敏、啟動沖擊電流小,運行可靠性系數(shù)明顯高于常規(guī)調速系統(tǒng),將其運用到化學雜水泵改造過程中,不僅可以提升系統(tǒng)的安全效益,還可以減少不必要的能耗損失,適用范圍非常廣泛。

1項目概況

廣東省粵電集團有限公司沙角C電廠化學預處理地下泵房內3臺雜水泵,運行方式為二用一備,供給全廠雜用系統(tǒng)用水。原設計、安裝的雜水泵為進口KSB單級單吸離心泵(型號:SPK-GMF-100-315),介質為清水,流量258m3/h、揚程130m、轉速2940r/min、軸功率150kW。經(jīng)過多年運行,現(xiàn)雜水泵改為國產(chǎn)石家莊盛博恒昌渣漿泵成套設備有限公司生產(chǎn)的LC100-315型水泵,臥式安裝于預處理地下泵房,空間相對比較狹窄,水泵進口、出口管徑為125/100mm。水泵技術參數(shù)與原水泵基本一致。

隨著時間的推移和技術的革新,原來的水泵直驅全速供水模式經(jīng)濟性越來越差,設備耗電功率居高不下,嚴重不符合國家實現(xiàn)碳達峰、碳中和的節(jié)能減排目標。為此,公司采用江蘇磁谷科技股份有限公司生產(chǎn)的繞組式永磁調速系統(tǒng)對兩臺現(xiàn)有化學雜水泵進行節(jié)能改造。

2改造方案

本次改造過程中主要采用雙回路一用一備的繞組式永磁調速方式代替兩臺化學雜水泵直驅全速供水模式,將其與綜合控制系統(tǒng)連接,根據(jù)流量、壓力、溫度等信號實現(xiàn)電磁傳動調控,具體方案如下。

2.1基本原理

永磁傳動是繞組式永磁調速系統(tǒng)的基本原理,其主要在驅動電機、繞組式永磁調速器、變壓器等基礎上,通過電磁感應傳遞扭矩、控制轉差。該系統(tǒng)中一般包括一個繞組轉子和一個永磁轉子,運行時,繞組回路中有電流時可產(chǎn)生感應電磁場,與永磁轉子的電磁場作用后,帶動繞組轉子及其負載旋轉,傳遞扭矩,如圖1所示。

繞組式永磁調速系統(tǒng)安全性及可靠性系數(shù)較高,通過永磁傳動減少了元件磨損,可實現(xiàn)0%~99%范圍內調速,響應范圍廣、速度快、沖擊小,在我國電廠化學雜水泵改造過程中具有非常廣闊的應用前景,具體如表1所示。

尤其是在功率損耗方面,繞組式永磁調速系統(tǒng)中的轉速可以根據(jù)系統(tǒng)需求實時調整。若繞組轉子速度與電動機轉速不同,此時兩者之間會存在明顯的轉差功率,這類功率能夠被回收再利用,減少了不必要的調速能耗,實用價值顯著。

2.2技術方案

針對廣東省粵電集團有限公司沙角C電廠化學預處理地下泵房內雜水泵的使用情況,繞組式永磁調速技改時選用雙回路一用一備自動調速方案,改造過程中主要在繞組式永磁調速原理基礎上進行超廣范圍精準調速。其永磁耦合調速器由與驅動電機連接的永磁轉子和與負載連接的繞組轉子兩部分組成,電阻柜、開關柜、控制柜等形成綜合控制系統(tǒng),進行流量、壓力、溫度等檢測,并將其傳輸?shù)嚼@組式永磁調速系統(tǒng)中進行PID精準調節(jié),如圖2所示。

上述改造環(huán)節(jié),驅動電機、繞組式永磁調速器、負載水泵組成動力回路:電阻柜、綜合控制柜、中央控制室DCS、高壓開關柜組成控制回路。在動力回路中,驅動電機和負載水泵的軸系通過磁場連接,避免了物理上的直接接觸,使得電機和水泵的振動不會引發(fā)強烈的共振,提升了廣東省粵電集團有限公司沙角C電廠化學預處理地下泵房內雜水泵運行的安全性能和可靠系數(shù)。

正常運行時,驅動電機帶動繞組式永磁調速器的內永磁轉子旋轉,產(chǎn)生的感應電流經(jīng)綜合控制柜進行整流、斬波控制調節(jié)電流大小,逆變回饋電流至電機開關柜。繞組式永磁調速器運行參數(shù)包括軸承溫度、振動、繞組電流、繞組電壓等,都經(jīng)由信號線上傳給控制柜內的PLC和中央控制室的DCS,一旦檢測到異常狀態(tài),控制柜將視故障的嚴重程度自動切換到電阻柜回路,并最終切換到工頻全速運行或者停機,達到免于人員手動操作的目的。在故障消除之后,也可以自動復位并重啟,從而提高了整個系統(tǒng)的自動化程度。

相比于原直驅全速運行的系統(tǒng),繞組式永磁調速系統(tǒng)不但隔離了驅動電機與負載水泵,減少了振動帶來的傷害,最主要的是還實現(xiàn)了無級調速的目的,高效率地實現(xiàn)了系統(tǒng)的速度調節(jié),最大程度地節(jié)約了系統(tǒng)電能。

3改造實施情況

2020年9月,公司采用江蘇磁谷科技股份有限公司生產(chǎn)的繞組式永磁調速系統(tǒng)對兩臺化學雜水泵進行節(jié)能改造,拆除原直驅裝置,在兩臺化學雜水泵外側增加基礎平臺。同時,兩端分別鋪設DN25和DN100走線管,分別用于接入繞組式永磁調速器和驅動電機接線,其總體布置如圖3所示。

上述過程中必須依照電廠安全指標做好基礎平臺及接地設置,必要時可在原泵站外側設置隔離保護裝置,確保繞組式永磁調速系統(tǒng)運行的安全性、可靠性和穩(wěn)定性。平臺施工完畢后,可將繞組式永磁調速器和380V驅動電機分別固定在平臺中,如圖4所示。

電房內電阻柜通過下側新增電纜線槽接入綜合開關柜,施工方案如圖5所示。

按照安全標準和技術規(guī)范,各裝置依次安裝、調試且試運行正常后,于2021年3月正式投入使用。

4節(jié)能分析和運行情況

此次改造所采用的繞組式永磁調速器,由于可靠性高、效率高等特點,故障停產(chǎn)損失小,能耗費少,本改造項目驅動系統(tǒng)效率高達89%(按電動機的效率為91%,繞組式永磁調速器的效率為98%綜合計算)。調速運行后系統(tǒng)功耗大幅降低,創(chuàng)造了非常可觀的經(jīng)濟效益和社會效益,具體表現(xiàn)如下。

4.1節(jié)能情況

2021年3月,采用江蘇磁谷科技股份有限公司生產(chǎn)的繞組式永磁調速系統(tǒng)對化學雜水泵進行節(jié)能改造,改造前穩(wěn)定記錄48h用能數(shù)據(jù)如表2所示。

改造后,繞組式永磁調速系統(tǒng)將轉差功率回饋380V電機供電端,穩(wěn)定記錄48h工況和用能數(shù)據(jù)如表3所示。

經(jīng)計算,在負載調速運行2600r/min時,繞組式永磁調速系統(tǒng)相對全速運行節(jié)電41.7%,每小時節(jié)電59.2kW·h,按照每年運行7200h計算,年節(jié)電426240kW·h。

4.2運行情況

在繞組永磁耦合調速系統(tǒng)中,驅動電機連接在調速器驅動軸承上,負載水泵連接在調速器負載軸承上,兩者間沒有直接接觸,僅通過磁場連接,隔絕了各部件間的振動傳遞。繞組式永磁調速系統(tǒng)改造完成投入運行接近4個月,系統(tǒng)運行狀況穩(wěn)定,溫升、振動數(shù)據(jù)均遠低于標準值,系統(tǒng)運行安全可靠。

繞組式永磁調速系統(tǒng)配備有獨立的備用電阻調速系統(tǒng),當調速系統(tǒng)控制器出故障時,可以自動切換到電阻柜上,并進一步進入工頻運行狀態(tài):當故障消除時,又可以自動切換回無級調速電路,系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠。

綜上所述,本項目完成節(jié)能改造后,設備結構簡單、易于維護,可提高化學雜水泵供水的靈活性,有效解決水壓過高、水量過大、浪費電能的問題。同時,有效的振動隔離,可以延長電機、水泵軸承的維修周期。因此,系統(tǒng)改造的完成,可以實現(xiàn)高效節(jié)能、減少污染、清潔生產(chǎn)、降低成本的效果,產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟、社會、環(huán)境效益。

5改造總結

隨著廣東省粵電集團有限公司沙角C電廠化學雜水泵系統(tǒng)節(jié)能改造的順利完成,水泵運行狀況得到了進一步優(yōu)化,其原本振動偏大的問題得以解決。繞組式永磁調速系統(tǒng)的改造使用,進一步降低了沙角C電廠的用電率,減少了發(fā)電成本,為節(jié)能目標的實現(xiàn)做出了突出貢獻。這次化學雜水泵繞組式永磁調速系統(tǒng)改造工作,從領導組織到專業(yè)技術、工程施工都配合緊密、進展有序,為今后的改造工作立下了一個標桿。