6 kV電機(jī)永磁調(diào)速節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用與探索

王曉林，柯年凱

(華電湖北發(fā)電有限公司黃石熱電分公司，湖北 黃石 435002)

0 引言

火力發(fā)電廠大量輔機(jī)由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，且多為大功率電機(jī)，電耗巨大?；鹆Πl(fā)電機(jī)組運(yùn)行中根據(jù)電網(wǎng)調(diào)度指令調(diào)整發(fā)電負(fù)荷，配套輔機(jī)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，而大量輔機(jī)電機(jī)為定速運(yùn)行，采用閥門(mén)節(jié)流調(diào)節(jié)滿足負(fù)荷要求。閥門(mén)節(jié)流調(diào)節(jié)能耗損失大，效率低，電機(jī)存在“大馬拉小車(chē)”問(wèn)題，所以對(duì)電機(jī)進(jìn)行改造有較大節(jié)能空間。目前，調(diào)速方式主要有變頻器調(diào)速和永磁調(diào)速2種方式。永磁調(diào)速具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、設(shè)備體積小、重量輕、調(diào)速范圍大等優(yōu)點(diǎn)，且此項(xiàng)技術(shù)是近年來(lái)國(guó)內(nèi)開(kāi)發(fā)的一項(xiàng)新技術(shù)，針對(duì)風(fēng)機(jī)、泵類(lèi)離心負(fù)載調(diào)速，具有高效節(jié)能、高可靠性、無(wú)剛性連接傳遞扭矩、可在惡劣環(huán)境下應(yīng)用、極大減少系統(tǒng)振動(dòng)、減少系統(tǒng)維護(hù)和延長(zhǎng)系統(tǒng)使用壽命等特點(diǎn)[1-3]。

為研究高壓電機(jī)永磁調(diào)速節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用及效果，本文選取火力發(fā)電廠煙氣脫硫(FGD)系統(tǒng)大量使用的漿液循環(huán)泵進(jìn)行6 kV電機(jī)永磁調(diào)速節(jié)能改造項(xiàng)目，探索節(jié)能效果。

1 脫硫系統(tǒng)漿液循環(huán)泵運(yùn)行現(xiàn)況及分析

1.1 概況

黃石熱電分公司#210機(jī)組(330 MW)。煙氣脫硫工程現(xiàn)采用石灰石-石膏濕法煙氣脫硫工藝，脫硫裝置采用一爐兩塔，一級(jí)吸收塔設(shè)4層漿液噴淋，分別對(duì)應(yīng)4臺(tái)漿液循環(huán)泵，二級(jí)吸收塔設(shè)2層漿液噴淋，分別對(duì)應(yīng)2臺(tái)漿液循環(huán)泵。目前機(jī)組實(shí)現(xiàn)了環(huán)保超低排放，年運(yùn)行小時(shí)數(shù)約8 000；全年占比最大運(yùn)行負(fù)荷工況下的脫硫裝置入口SO2質(zhì)量濃度約3 500 mg/m3(標(biāo)態(tài))，煙囪入口排放值約20 mg/m3(標(biāo)態(tài))。煙氣中SO2的質(zhì)量濃度全年最大約4 500 mg/m3(標(biāo)態(tài))，一級(jí)吸收塔噴淋層標(biāo)高35.18 m，設(shè)計(jì)漿池區(qū)高度為12.31 m。

1.2 設(shè)備狀況及問(wèn)題分析

隨著電力建設(shè)的迅猛發(fā)展和電站裝機(jī)容量的不斷增大，濕法脫硫裝置整體配套設(shè)備耗電量約占整個(gè)廠用電的1%。

脫硫漿液循環(huán)泵作為FGD系統(tǒng)中最主要的設(shè)備，其耗電量約占整個(gè)脫硫系統(tǒng)的70%，在火電廠完成超低排放改造后，漿液循環(huán)泵的數(shù)量、耗電量大幅度增加，脫硫用電率居高不下。黃石熱電分公司2017年完成#210機(jī)組超低排放改造后，為保障環(huán)保指標(biāo)達(dá)標(biāo)，在機(jī)組負(fù)荷波動(dòng)時(shí)脫硫系統(tǒng)只能通過(guò)頻繁啟、停漿液循環(huán)泵增減石灰石漿液噴淋量來(lái)及時(shí)調(diào)整，脫硫系統(tǒng)響應(yīng)速度慢，煙囪總排口SO2質(zhì)量濃度波動(dòng)大，且6 kV電機(jī)頻繁啟停不符合安全規(guī)定，影響其壽命，增大了現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行和檢修工作量。

2 電機(jī)永磁調(diào)速原理及應(yīng)用案例

2.1 永磁調(diào)速裝置

2.1.1 永磁調(diào)速裝置的控制原理

在輸入速度一定的情況下，永磁柔性傳動(dòng)裝置輸出速度、輸出扭矩和永磁體轉(zhuǎn)子與導(dǎo)體轉(zhuǎn)子的嚙合面積有關(guān)，嚙合面積越大，切磁力線越多，產(chǎn)生的力矩就越大，反之就越小。兩者嚙合面積最大，產(chǎn)生的力矩最大，所以永磁柔性傳動(dòng)裝置的輸出速度、輸出扭矩和輸出功率都是最大的；當(dāng)永磁轉(zhuǎn)子和導(dǎo)體轉(zhuǎn)子的嚙合面積減小，導(dǎo)體轉(zhuǎn)子隨電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)切割的磁力線減少，故此時(shí)產(chǎn)生的力矩減小，永磁柔性傳動(dòng)裝置輸出的速度和功率也相應(yīng)減??；當(dāng)導(dǎo)體轉(zhuǎn)子和永磁轉(zhuǎn)子無(wú)嚙合面積時(shí)，兩者之間不存在力的作用，電機(jī)出于空轉(zhuǎn)狀態(tài)，永磁柔性傳動(dòng)裝置無(wú)輸出功率；可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)和負(fù)載的完全脫離；將永磁調(diào)速裝置安裝于系統(tǒng)中，永磁調(diào)速裝置可響應(yīng)于過(guò)程信號(hào)，控制系統(tǒng)接收和處理壓力、流量或其他過(guò)程控制信號(hào)。通過(guò)執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)整嚙合面積，從而調(diào)整負(fù)載端的轉(zhuǎn)速以滿足控制要求[4-6]。

2.1.2 永磁調(diào)速裝置的特點(diǎn)[7-10]

(1)調(diào)速范圍寬?？稍陔姍C(jī)轉(zhuǎn)速98%的范圍內(nèi)對(duì)負(fù)載進(jìn)行無(wú)級(jí)調(diào)速。

(2)可實(shí)現(xiàn)過(guò)程控制，響應(yīng)速度快。永磁調(diào)速裝置接收標(biāo)準(zhǔn)4～20 mA電流信號(hào)，根據(jù)輸入信號(hào)調(diào)節(jié)負(fù)載轉(zhuǎn)速，滿足系統(tǒng)需求。

(3)輕載啟動(dòng)，啟動(dòng)電流沖擊小。永磁調(diào)速裝置在啟動(dòng)時(shí)，將嚙合面積調(diào)節(jié)到最小，實(shí)現(xiàn)空載啟動(dòng)，可極大地降低電機(jī)的啟動(dòng)電流與啟動(dòng)時(shí)間。

(4)可靠性高，維護(hù)少。設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，故障率低，維護(hù)成本低。

(5)使用壽命長(zhǎng)。永磁調(diào)速裝置的使用壽命可達(dá)25 a。

(6)節(jié)能。通過(guò)調(diào)節(jié)負(fù)載端轉(zhuǎn)速，提高效率，減少管路損失，減低電機(jī)負(fù)荷，節(jié)能效果明顯。

(7)適應(yīng)于各種嚴(yán)酷工作環(huán)境，如電網(wǎng)電壓波動(dòng)較大，諧波含量較高，易燃、易爆，潮濕，粉塵含量高，高溫、低溫等場(chǎng)所。

(8)無(wú)諧波干擾。非接觸性的機(jī)械聯(lián)結(jié)，不產(chǎn)生諧波干擾。

2.2 永磁調(diào)速節(jié)能改造對(duì)噴淋層噴嘴工作環(huán)境的影響

漿液循環(huán)泵6 kV電機(jī)永磁調(diào)速裝置改造以后，通過(guò)改變泵的轉(zhuǎn)速對(duì)流量進(jìn)行調(diào)節(jié)，其實(shí)質(zhì)就是改變泵的工作點(diǎn)，使泵的特性曲線下移，最終使運(yùn)行參數(shù)滿足工藝要求。由于工作點(diǎn)是由泵的特性曲線和管路特性曲線所決定，只要改變2條特性曲線之一便能達(dá)到目的，如圖1所示。圖1中Q表示水泵流量；h表示揚(yáng)程；η表示水泵效率；R1，R2代表整個(gè)漿液管路阻力特性曲線，流量越大，阻力越大；n1，n2為漿液循環(huán)泵不同轉(zhuǎn)速下的工作曲線；A，B，C代表泵不同工作轉(zhuǎn)速下的工作曲線與管路特性曲線交匯點(diǎn)，即實(shí)際漿液循環(huán)泵工作狀況；h1，h2，h2′分別代表工作點(diǎn)A，C，B3點(diǎn)對(duì)應(yīng)的揚(yáng)程；陰影區(qū)域指泵工作曲線與管路特性曲線交匯的工作區(qū)間。

圖1 泵的運(yùn)行特性曲線Fig.1 Pump operating characteristic curves

在漿液循環(huán)泵工作流程中，降低漿液循環(huán)泵電機(jī)功率P，噴嘴入口漿液動(dòng)壓pB會(huì)隨之降低。當(dāng)噴嘴一定時(shí)，射程會(huì)隨著壓力的降低而降低，而且噴嘴工作壓力和噴嘴直徑的比值在一定程度上反映了噴嘴的霧化程度。噴嘴工作壓力和噴嘴直徑的比值越小，液滴直徑越大，霧化效果越差，漿液脫硫效果越差。

圖2 不同轉(zhuǎn)速下漿液噴淋情況Fig.2 Spraying conditions of slurry at different rotary speeds

表2 漿液循環(huán)泵電機(jī)和水泵的設(shè)備參數(shù)Tab.2 Parameters of the slurry circulation pump motor and the water pump

但是只要pB>0，也就是漿液循環(huán)泵功率大于漿液池液面和噴淋層之間的靜壓差時(shí)，漿液均能到達(dá)噴淋層進(jìn)行噴淋，通過(guò)反應(yīng)降低煙氣中SO2質(zhì)量濃度。

根據(jù)流體力學(xué)原理：水泵的流量qm與轉(zhuǎn)速n成正比，揚(yáng)程h與轉(zhuǎn)速n的平方成正比，電機(jī)功率P與轉(zhuǎn)速n的3次方成正比。即：

qm1/qm2=n1/n2，

h1/h2=(n1/n2)2，

P1/P2=(n1/n2)3，

一級(jí)吸收塔噴淋層標(biāo)高35.18 m，設(shè)計(jì)漿池區(qū)高度12.31 m，漿液循環(huán)泵揚(yáng)程23.00 m，根據(jù)公式，壓力p=ρgh，h1/h2=(n1/n2)2，取經(jīng)驗(yàn)值永磁調(diào)速裝置輸出最低轉(zhuǎn)速約為1 380.0 r/min。

不同轉(zhuǎn)速下漿液噴淋情況大致如圖2所示。由圖2可以看出，漿液循環(huán)泵實(shí)際轉(zhuǎn)速在額定轉(zhuǎn)速70%～80%時(shí)，漿液噴淋霧化效果差。隨著漿液循環(huán)泵頻率的增大，漿液噴淋量逐漸增大，霧化效果不斷加強(qiáng)，脫硫效果也隨之不斷增強(qiáng)。

2.3 永磁調(diào)速裝置在漿液循環(huán)泵上的應(yīng)用

由于漿液循環(huán)泵的出力無(wú)法隨機(jī)組負(fù)荷及出入口SO2質(zhì)量濃度變化進(jìn)行合理調(diào)節(jié)，因此將1臺(tái)漿液循環(huán)泵電機(jī)進(jìn)行永磁調(diào)速裝置改造，用于調(diào)節(jié)出口煙氣SO2排放質(zhì)量濃度，從而在滿足超低排放標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)盡可能降低廠用電率。

黃石熱電分公司選取漿液循環(huán)泵6 kV電機(jī)進(jìn)行永磁調(diào)速節(jié)能改造，系統(tǒng)及設(shè)備參數(shù)見(jiàn)表1、表2。

表1 機(jī)組及脫硫系統(tǒng)漿液循環(huán)泵的運(yùn)行參數(shù)Tab.1 Operating parameters of the unit and the slurry circulation pump in the desulfurization system

對(duì)于漿液循環(huán)泵而言，工作流程簡(jiǎn)圖如圖3所示。

漿液循環(huán)泵將石灰石漿液從液面高度為hA=12.31 m的漿液池中抽出，打至hB=23.00 m高的噴淋層進(jìn)行噴淋，從而吸收煙氣中的SO2，降低SO2排放質(zhì)量濃度。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)論證和勘察，漿液循環(huán)泵進(jìn)行永磁調(diào)速裝置改造后，隨著漿液循環(huán)泵轉(zhuǎn)速的不斷增加，泵的運(yùn)行電流逐漸增加，同時(shí)噴淋層的漿液噴淋流量、噴淋效果隨之提高。在不同入口SO2質(zhì)量濃度、運(yùn)行負(fù)荷工況下，永磁調(diào)速裝置能夠在滿足超低排放要求的前提下合理調(diào)節(jié)煙氣出口SO2質(zhì)量濃度，從而有效降低脫硫耗電率。

表3 不同轉(zhuǎn)速運(yùn)行狀態(tài)下的設(shè)備振動(dòng)值、軸承溫度、密封運(yùn)行參數(shù)Tab.3 Amplitudes, bearing temperatures, and sealing operation parameters under different rotary speeds

注：1.每種開(kāi)度測(cè)試狀態(tài)持續(xù)運(yùn)行不低于5 min，數(shù)據(jù)穩(wěn)定后記錄相關(guān)數(shù)值； 2.永磁設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行環(huán)境溫度為35.0 ℃，進(jìn)水壓力為0.150 MPa； 3.進(jìn)水流量4 t/h，設(shè)備運(yùn)行過(guò)程密封性良好；4.測(cè)試時(shí)間為2019年10月17日。

圖3 漿液循環(huán)泵工作流程簡(jiǎn)圖Fig.3 Schematic flow diagram of the slurry circulation pump

2.4 永磁調(diào)速裝置改造方案

永磁調(diào)速裝置的安裝方式經(jīng)過(guò)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)后，以安裝簡(jiǎn)單和工程施工可靠為目標(biāo)，需將電機(jī)后移，調(diào)速裝置安裝在電機(jī)與(漿液循環(huán)泵)減速機(jī)之間，如圖4所示，同時(shí)配置循環(huán)冷卻水箱輔機(jī)。

圖4 永磁調(diào)速裝置主機(jī)部分現(xiàn)場(chǎng)照片F(xiàn)ig.4 Photo of the main engine of the permanent magnet speed regulation controller

2.5 6 kV電機(jī)永磁調(diào)速節(jié)能機(jī)型性能測(cè)試及可靠性評(píng)估

漿液循環(huán)泵6 kV電機(jī)完成永磁調(diào)速節(jié)能改造后，啟動(dòng)漿液循環(huán)泵運(yùn)行穩(wěn)定，調(diào)節(jié)電動(dòng)執(zhí)行器開(kāi)度，記錄永磁調(diào)速裝置不同轉(zhuǎn)速下各運(yùn)行狀態(tài)的振動(dòng)值(永磁側(cè)、電機(jī)側(cè)及漿液循環(huán)泵側(cè))及軸承溫度、水密封性等性能參數(shù)。整個(gè)調(diào)節(jié)測(cè)試過(guò)程中，永磁主機(jī)3個(gè)方向的振動(dòng)值(水平、垂直和軸向3個(gè)方向均小于0.08 mm)和軸承溫度值(<80 ℃)均在合格范圍之內(nèi)，永磁調(diào)速裝置和漿液循環(huán)泵運(yùn)行穩(wěn)定，不同轉(zhuǎn)速運(yùn)行狀態(tài)下的設(shè)備振動(dòng)值、軸承溫度、密封運(yùn)行參數(shù)見(jiàn)表3，永磁調(diào)速裝置分布式控制系統(tǒng)(DCS)控制顯示畫(huà)面如圖5所示。

2.6 6 kV電機(jī)永磁調(diào)速節(jié)能性能評(píng)估

2.6.1 節(jié)電效果評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

(1)改造前漿液循環(huán)泵電機(jī)功率為

Pq=1.732×U×I×cosφ，

式中：U為電機(jī)電壓，kV；I為電機(jī)運(yùn)行電流，A；φ為電機(jī)功率因數(shù)。

(2)改造后漿液循環(huán)泵電機(jī)功率為

Ph=1.732×U×I×cosφ×(nh/nq)3，

式中：U為電機(jī)電壓，kV；I為電機(jī)運(yùn)行電流，A；φ為

圖5 永磁調(diào)速裝置DCS控制顯示畫(huà)面Fig.5 DCS control display screen of the permanent magnet speed controller

電機(jī)功率因數(shù)；nq為改造前電機(jī)額定轉(zhuǎn)速；nh為改造后永磁調(diào)速裝置輸出轉(zhuǎn)速。

(3)永磁調(diào)速裝置改造后，機(jī)組常用負(fù)荷工況下，節(jié)電率為

λ=(Pq-Ph)/Pq。

2.6.2 帶載測(cè)試節(jié)能評(píng)估

630 kW永磁調(diào)速裝置帶載運(yùn)行后，需要確定漿液循環(huán)泵在滿足生產(chǎn)需要的最低泵出口工作壓力值以及此值對(duì)應(yīng)的工作轉(zhuǎn)速，作為運(yùn)行測(cè)試的下限，標(biāo)定對(duì)應(yīng)的工作電流，從而計(jì)算出對(duì)應(yīng)運(yùn)行狀態(tài)的節(jié)電率。電機(jī)的額定電流是74.70 A，永磁改造前電流均值為54.00 A。因此，結(jié)合不同輸出轉(zhuǎn)速下的永磁電機(jī)及漿液循環(huán)泵工藝參數(shù)，按照上述節(jié)電效果評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)中節(jié)電率計(jì)算公式得出相應(yīng)狀態(tài)下的節(jié)電率，見(jiàn)表4。

表4 不同輸出轉(zhuǎn)速下的永磁電機(jī)節(jié)電率及相關(guān)參數(shù)Tab.4 Energy saving rates and related parameters of the permanent magnet motor at different output rotary speeds

注：1.電機(jī)額定參數(shù)：電流74.70 A，功率因數(shù)0.88，電壓6 kV，額定轉(zhuǎn)速1 485.0 r/min； 2.永磁改造前電流均值54.00 A作為改造前漿液循環(huán)泵運(yùn)行對(duì)比電流數(shù)據(jù)基準(zhǔn)； 3.漿液循環(huán)泵6 kV 電機(jī)永磁調(diào)速輸出轉(zhuǎn)速的安全范圍1 347.0～1 457.0 r/min， 因此其實(shí)際運(yùn)行最大節(jié)電率為25.13%。

3 結(jié)論

開(kāi)展?jié){液循環(huán)泵6 kV 電機(jī)永磁調(diào)速節(jié)能改造后，在保障超低排放的情況下提高了#210機(jī)組脫硫系統(tǒng)安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的效果，降低了設(shè)備電耗率，提高了電機(jī)的安全性?？偨Y(jié)如下：

(1)結(jié)合漿液循環(huán)泵6 kV電機(jī)永磁調(diào)速裝置帶載測(cè)試的數(shù)據(jù)結(jié)果，以及不同轉(zhuǎn)速條件下對(duì)出口SO2排放質(zhì)量濃度的影響，判斷漿液循環(huán)泵6 kV電機(jī)永磁調(diào)速輸出轉(zhuǎn)速的安全范圍為1 347.0～1 457.0 r/min，永磁裝置執(zhí)行器開(kāi)度調(diào)節(jié)范圍為15%～100%。

(2)漿液循環(huán)泵6 kV電機(jī)永磁調(diào)速節(jié)能改造后具有良好的節(jié)電效果，尤其是在低負(fù)荷工況下，節(jié)能效果更加明顯。最低轉(zhuǎn)速1 347.0 r/min對(duì)應(yīng)節(jié)電率為25.13%，按脫硫系統(tǒng)年運(yùn)行7 000 h，電價(jià)0.416元/(kW·h)計(jì)算，預(yù)測(cè)年最大節(jié)電量868.696 MW·h，年節(jié)省成本36.14萬(wàn)元。

(3)漿液循環(huán)泵6 kV電機(jī)永磁調(diào)速節(jié)能改造后，運(yùn)行人員對(duì)煙囪入口SO2排放濃度的控制手段更加靈活，避免了因工況變化，需頻繁啟、停備用漿液循環(huán)泵的情況，對(duì)提高設(shè)備的安全性、可靠性有更為重要的意義。

(4)通過(guò)綜合比較改造前后各種工況條件下SO2排放情況，漿液循環(huán)泵6 kV電機(jī)永磁調(diào)速改造后，增強(qiáng)了SO2排放調(diào)整的靈活度，縮短了指標(biāo)異常的時(shí)間。另外，通過(guò)精細(xì)化調(diào)整以及各種運(yùn)行手段協(xié)調(diào)配合，一方面使運(yùn)行人員調(diào)節(jié)起來(lái)更加順暢、及時(shí)有效，另一方面能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)SO2排放質(zhì)量濃度的精準(zhǔn)控制。

(5)電機(jī)永磁調(diào)速節(jié)能改造的應(yīng)用與探索，可為國(guó)內(nèi)火力發(fā)電廠開(kāi)展的類(lèi)似工作提供借鑒與參考。