凝结水泵永磁调速器改造与应用

汤国琪

（山西临汾热电有限公司，山西 临汾 043000）

0 引言

山西临汾热电有限公司2×300 MW直接空冷供热机组每台机组配置3台55%容量立式凝结水泵，原设计配置1套变频器，该变频器采用“一拖二”的运行方式，在1号、2号凝结水泵之间相互切换。机组高负荷时，两运一备，1台变频凝结水泵与1台工频凝结水泵并列运行，1台工频凝结水泵备用；机组低负荷或供热抽汽量大时，一运两备，1台变频凝结水泵运行，2台工频凝结水泵备用。机组凝结水泵耗电率0.23%，较同类型全变频凝结水泵机组耗电率高0.05%，耗电量高21.7%，凝结水泵存在较大的节能空间。

1 永磁调速器技术

1.1 永磁调速器工作原理

永磁调速器是基于磁力耦合技术，通过机械结构，以柔性连接的方式实现电机与负载之间的扭矩分散控制系统DCS (distributed control system） 或者可编程逻辑控制器 PLC(programmable logic controller)提供的控制信号，通过调速机构改变导体转子与永磁转子之间耦合面积的大小，实现对负载转速的调节。永磁调速器安装在电机和负载之间，耦合面积越大，电机通过永磁调速器传递的扭矩就越大，负载转速就越高；耦合面积越小，电机通过永磁调速器传递的扭矩就越小，负载转速就越低。

1.2 永磁调速器的组成及作用

永磁调速器主要由永磁转子、导体转子、调速机构组成，如图1所示。永磁转子内部装备高性能钕铁硼，提供永久磁场；导体转子分为内转子和外转子，工作时内、外转子均可切割永磁转子的磁感线（能效高），形成涡电流并产生互感磁场，互感磁场与永久磁场相互作用实现电机与负载间的扭矩传递；调速机构可以调节永磁转子与导体转子的耦合面积，从而实现对负载转速的调节。

1.3 永磁调速器技术特点

永磁调速器技术特点如下。

a)永磁调速器采用平滑无级调速，调速范围0～98%，节电率为10～50%。

b)永磁调速器结构简单、可靠，主体部分为机械结构，无需外接电源。

c)永磁调速器安装简便，无机械连接，隔离振动，容忍较大的对中误差，占用空间小。

d)永磁调速器能适应各种恶劣环境，包括电网电压波动大、谐波严重、易燃易爆、潮湿、粉尘等。

图1 永磁调速器结构组成

e)永磁调速器基本为免维护产品，运行成本低；可延长传动系统各主要部件（轴承，密封等）的使用寿命，降低维护成本。

f)永磁调速器柔性启动，可减少电机的冲击电流，延长设备使用寿命。

g)永磁调速器无谐波，无污染物、无电磁波干扰问题。

h)永磁调速器使用寿命长，可达30 a。

2 永磁调速器的改造

将3号凝结水泵电机拆除，主动端安装在电机轴上，电机和负载之间追加一个支撑筒，从动端安装在支撑筒内部，电机与支撑筒上部连接，负载与支撑筒下部通过联轴器连接，如图2所示，整个改造过程只需要将电机整体抬高约900 mm即可，不存在基础改造的问题。

图2 设备安装模拟效果图（mm）

采用永磁调速器代替原来运转系统中的联轴器，安装在电机与水泵之间，永磁调速器配有电动执行器，新增永磁温度、凝结水泵转速、电动执行机构反馈测点。根据除氧器水位变化，通过DCS传输给电动执行器4～20 mA电流信号，通过电动执行器带动调速机构拖动导体端轴向运动。电动执行器提供动力使得啮合面积随着电动执行机构的指令变化而变化，电动执行机构接受DCS控制中心的指令，进行动作，并将结果反馈给DCS控制中心，如图3所示。

图3 永磁调速器控制图

3 永磁调速器的应用

3号凝结水泵进行永磁调速器节能改造后，高负荷运行方式由原变频凝结水泵与工频凝结水泵并列运行，变更为变频凝结水泵与永磁凝结水泵并列运行，工频凝结水泵列备用；低负荷或供热抽汽流量大仍保持单台变频凝结水泵运行，将永磁凝结水泵列备用。

永磁凝结水泵自动控制策略采取转速跟踪变频凝结水泵转速，使永磁凝结水泵转速与变频凝结水泵转速趋于一致，防止并列运行凝结水泵因出力不同，造成凝结水泵出力失衡。由于永磁凝结水泵转速与永磁电动执行机构开度非线性关系，永磁凝结水泵控制转速取自永磁泵新增转速测点反馈；变频凝结水泵转速与频率成线性关系，变频凝结水泵转速通过频率折算得出。变频凝结水泵控制策略为跟踪除氧器水位变化，通过比例积分微分PID(proportion，integration，differentiation)输出变频凝结水泵频率指令，控制变频凝结水泵输出转速，永磁凝结水泵跟踪变频凝结水泵转速，实现除氧器水位控制，如图4所示。

该永磁调速器采用自然通风冷却，实际运行永磁温度在100℃左右，满足永磁温度不超150℃的运行要求。永磁凝结水泵转速控制与变频凝结水泵转速基本一致，凝结水压力在0.7～1.2 MPa之间；原变频凝结水泵与工频凝结水泵并列运行时，凝结水压力在1.0～1.5 MPa之间，相同工况下凝结水压力较原运行压力降低约0.3 MPa。

图4 凝结水泵控制逻辑图

3号凝结水泵永磁改造后，进行了节能试验，在不同凝结水流量，先后进行了变频与工频凝结水泵并列运行、变频与永磁凝结水泵并列运行试验，凝结水泵永磁调速改造后，不同工况下平均节电率为24.7%，节能情况见表1。

表1 凝结水泵节能情况

4 结束语

通过对3号凝结水泵实施永磁调速器改造，采用原有变频凝结水泵与永磁凝结水泵并列运行方式，运行安全稳定，改造后全年凝结水泵耗电率0.18%，较改造前降低0.05%，凝结水泵耗电量降低约22%，取得了良好的运行及节能效果，对同类型配置的机组有良好的借鉴及推广意义。