引言

生產(chǎn)環(huán)節(jié)所采用的水泵往往需要配置調(diào)速裝置,利用調(diào)速系統(tǒng)控制其在流量調(diào)整時的無功功率損耗,使水泵能夠安全、高效、經(jīng)濟(jì)、節(jié)能運(yùn)行。尤其是繞組式永磁調(diào)速系統(tǒng),可調(diào)速范圍廣、控制靈敏、啟動沖擊電流小,運(yùn)行可靠性系數(shù)明顯高于常規(guī)調(diào)速系統(tǒng),將其運(yùn)用到化學(xué)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(tuán)有限公司沙角C電廠化學(xué)預(yù)處理地下泵房內(nèi)3臺雜水泵,運(yùn)行方式為二用一備,供給全廠雜用系統(tǒng)用水。原設(shè)計、安裝的雜水泵為進(jìn)口KSB單級單吸離心泵(型號:SPK-GMF-100-315),介質(zhì)為清水,流量258m3/h、揚(yáng)程130m、轉(zhuǎn)速2940r/min、軸功率150kW。經(jīng)過多年運(yùn)行,現(xiàn)雜水泵改為國產(chǎn)石家莊盛博恒昌渣漿泵成套設(shè)備有限公司生產(chǎn)的LC100-315型水泵,臥式安裝于預(yù)處理地下泵房,空間相對比較狹窄,水泵進(jìn)口、出口管徑為125/100mm。水泵技術(shù)參數(shù)與原水泵基本一致。

隨著時間的推移和技術(shù)的革新,原來的水泵直驅(qū)全速供水模式經(jīng)濟(jì)性越來越差,設(shè)備耗電功率居高不下,嚴(yán)重不符合國家實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和的節(jié)能減排目標(biāo)。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(diào)速系統(tǒng)對兩臺現(xiàn)有化學(xué)雜水泵進(jìn)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(diào)速方式代替兩臺化學(xué)雜水泵直驅(qū)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(shí)現(xiàn)電磁傳動調(diào)控,具體方案如下。

2.1基本原理

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

繞組式永磁調(diào)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(shí)現(xiàn)0%~99%范圍內(nèi)調(diào)速,響應(yīng)范圍廣、速度快、沖擊小,在我國電廠化學(xué)雜水泵改造過程中具有非常廣闊的應(yīng)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(diào)速系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)速可以根據(jù)系統(tǒng)需求實(shí)時調(diào)整。若繞組轉(zhuǎn)子速度與電動機(jī)轉(zhuǎn)速不同,此時兩者之間會存在明顯的轉(zhuǎn)差功率,這類功率能夠被回收再利用,減少了不必要的調(diào)速能耗,實(shí)用價值顯著。

2.2技術(shù)方案

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

上述改造環(huán)節(jié),驅(qū)動電機(jī)、繞組式永磁調(diào)速器、負(fù)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(guān)柜組成控制回路。在動力回路中,驅(qū)動電機(jī)和負(fù)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(jī)和水泵的振動不會引發(fā)強(qiáng)烈的共振,提升了廣東省粵電集團(tuán)有限公司沙角C電廠化學(xué)預(yù)處理地下泵房內(nèi)雜水泵運(yùn)行的安全性能和可靠系數(shù)。

正常運(yùn)行時,驅(qū)動電機(jī)帶動繞組式永磁調(diào)速器的內(nèi)永磁轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn),產(chǎn)生的感應(yīng)電流經(jīng)綜合控制柜進(jìn)行整流、斬波控制調(diào)節(jié)電流大小,逆變回饋電流至電機(jī)開關(guān)柜。繞組式永磁調(diào)速器運(yùn)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(nèi)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(yán)重程度自動切換到電阻柜回路,并最終切換到工頻全速運(yùn)行或者停機(jī),達(dá)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(fù)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(qū)全速運(yùn)行的系統(tǒng),繞組式永磁調(diào)速系統(tǒng)不但隔離了驅(qū)動電機(jī)與負(fù)載水泵,減少了振動帶來的傷害,最主要的是還實(shí)現(xiàn)了無級調(diào)速的目的,高效率地實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的速度調(diào)節(jié),最大程度地節(jié)約了系統(tǒng)電能。

3改造實(shí)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(diào)速系統(tǒng)對兩臺化學(xué)雜水泵進(jìn)行節(jié)能改造,拆除原直驅(qū)裝置,在兩臺化學(xué)雜水泵外側(cè)增加基礎(chǔ)平臺。同時,兩端分別鋪設(shè)DN25和DN100走線管,分別用于接入繞組式永磁調(diào)速器和驅(qū)動電機(jī)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(biāo)做好基礎(chǔ)平臺及接地設(shè)置,必要時可在原泵站外側(cè)設(shè)置隔離保護(hù)裝置,確保繞組式永磁調(diào)速系統(tǒng)運(yùn)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(diào)速器和380V驅(qū)動電機(jī)分別固定在平臺中,如圖4所示。

電房內(nèi)電阻柜通過下側(cè)新增電纜線槽接入綜合開關(guān)柜,施工方案如圖5所示。

按照安全標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)范,各裝置依次安裝、調(diào)試且試運(yùn)行正常后,于2021年3月正式投入使用。

4節(jié)能分析和運(yùn)行情況

此次改造所采用的繞組式永磁調(diào)速器,由于可靠性高、效率高等特點(diǎn),故障停產(chǎn)損失小,能耗費(fèi)少,本改造項目驅(qū)動系統(tǒng)效率高達(dá)89%(按電動機(jī)的效率為91%,繞組式永磁調(diào)速器的效率為98%綜合計算)。調(diào)速運(yùn)行后系統(tǒng)功耗大幅降低,創(chuàng)造了非?？捎^的經(jīng)濟(jì)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(diào)速系統(tǒng)對化學(xué)雜水泵進(jìn)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(diào)速系統(tǒng)將轉(zhuǎn)差功率回饋380V電機(jī)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(fù)載調(diào)速運(yùn)行2600r/min時,繞組式永磁調(diào)速系統(tǒng)相對全速運(yùn)行節(jié)電41.7%,每小時節(jié)電59.2kW·h,按照每年運(yùn)行7200h計算,年節(jié)電426240kW·h。

4.2運(yùn)行情況

在繞組永磁耦合調(diào)速系統(tǒng)中,驅(qū)動電機(jī)連接在調(diào)速器驅(qū)動軸承上,負(fù)載水泵連接在調(diào)速器負(fù)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(diào)速系統(tǒng)改造完成投入運(yùn)行接近4個月,系統(tǒng)運(yùn)行狀況穩(wěn)定,溫升、振動數(shù)據(jù)均遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)值,系統(tǒng)運(yùn)行安全可靠。

繞組式永磁調(diào)速系統(tǒng)配備有獨(dú)立的備用電阻調(diào)速系統(tǒng),當(dāng)調(diào)速系統(tǒng)控制器出故障時,可以自動切換到電阻柜上,并進(jìn)一步進(jìn)入工頻運(yùn)行狀態(tài):當(dāng)故障消除時,又可以自動切換回?zé)o級調(diào)速電路,系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

綜上所述,本項目完成節(jié)能改造后,設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、易于維護(hù),可提高化學(xué)雜水泵供水的靈活性,有效解決水壓過高、水量過大、浪費(fèi)電能的問題。同時,有效的振動隔離,可以延長電機(jī)、水泵軸承的維修周期。因此,系統(tǒng)改造的完成,可以實(shí)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(jì)、社會、環(huán)境效益。

5改造總結(jié)

隨著廣東省粵電集團(tuán)有限公司沙角C電廠化學(xué)雜水泵系統(tǒng)節(jié)能改造的順利完成,水泵運(yùn)行狀況得到了進(jìn)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(diào)速系統(tǒng)的改造使用,進(jìn)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(biāo)的實(shí)現(xiàn)做出了突出貢獻(xiàn)。這次化學(xué)雜水泵繞組式永磁調(diào)速系統(tǒng)改造工作,從領(lǐng)導(dǎo)組織到專業(yè)技術(shù)、工程施工都配合緊密、進(jìn)展有序,為今后的改造工作立下了一個標(biāo)桿。