赵勇,张春杰,王刚,杨金发,周丽萍,李文武
电厂闭式水泵永磁调速器改造的经济效益分析
赵勇1,张春杰1,王刚1,杨金发1,周丽萍2,李文武3
(1.华电国际电力股份有限公司莱州发电厂,山东莱州 261400;2.南京理工大学机械工程学院,南京 210094;3.南京艾凌节能技术有限公司,南京 211122)
闭式水泵通常采用阀门来调节流量和压力,导致大量的能源浪费。永磁调速和变频调速是目前常用的水泵调速节能技术,两者节能效果相当。从长期运行的角度来考虑,永磁调速器改造获得的经济效益比变频器更高,且能够提高系统的可靠性。华电国际电力股份有限公司莱州发电厂选择永磁调速器对闭式水泵进行调速节能改造,以控制水泵的流量和压力,减少能源浪费。改造后,闭式水泵运行更加稳定,耗电量显著减少,达到了预期的效果。
闭式水泵;永磁调速器;变频器;选型;经济效益对比;节能改造
目前,离心式负载的节流调节方式已逐渐被调速调节方式所取代,常用的调速方式主要有液力耦合调速、变频调速和永磁调速等。液力耦合调速属于低效的调速方式,转差损耗大,调速范围有限,调速精度低,容易漏液,虽然初始投资相对较低,但维护复杂且费用较高[1],需要经常更换液压油,该调节方式已逐渐被淘汰。变频调速是当前电动机调速节能比较流行的一种电气调速技术,节能效果显著,调速精度高。永磁调速技术是近几年新开发的一种高效、无污染电动机调速技术,该调速技术专门针对风机、泵类等离心负载进行调速,具有高效节能、高可靠性、可减小系统振动和环境适应能力强等优点,它已成为许多高耗能企业节能改造的首选。为此,华电国际电力股份有限公司莱州发电厂(以下简称莱州电厂)在闭式水泵电动机节能改造时仔细考察了变频调速和永磁调速两种电动机调速节能技术。
莱州发电厂每台机组配1套闭式水循环系统,为发电机氢冷却器、小汽机冷油器、炉侧风机油站等重要机组辅助设备提供冷却水。其基本流程为:除盐水→闭式水箱→水泵→闭式水热交换器→闭式水用户→水泵进口。在实际工程设计中,通常按照最大需求配备水泵并留有一定裕量[2]。在实际运行中,水泵流量随季节温度和系统负荷的变化而变化。因此,在春秋季节,尤其是在冬季,水温较低,闭式循环水裕量很大[3],常采用调节阀门开度的方式来控制闭式水压力和流量。这种控制方式会导致节流损失[4],使得大量能源浪费,同时还容易产生汽蚀、振动和冲刷[1],造成设备损坏。永磁调速技术能根据用户的需要和现场的工况自动调节水泵转速和电动机输出功率,从而达到流量调节和节约能源之目的。本文详细介绍了永磁调速器的选型过程和改造内容,并从节电的角度分析了永磁调速器改造产生的经济效益。
2.1 变频器与永磁调速器的投资费用对比
变频器采用复杂的电路拓扑将数以万计的电力电子元器件串联和并联,实现对高压电动机的输入频率和输入电压的改变,从而实现电动机的转速变化,属于电气调速。在对风机水泵系统进行变频调速改造时,初始投资主要包括3方面的费用:(1)变频器主体设备;(2)辅助性设施,其中包括变压器、滤波器、控制装置、电缆和照明设施等;(3)基础设施建设,建造专门的空调房间,以满足变频器对环境和温度的要求。
永磁调速器采用导体转子与永磁转子相互作用传递运动和扭矩,通过调节啮合面积的大小实现负载调速,电动机转速保持不变,属于机械调速。永磁调速器改造的初始投资除了永磁调速器主体设备之外,还需购买辅助设备,包括冷却系统、电缆和控制装置。永磁调速器安装在电动机和负载之间,改造时需重新建造基础,同样要投入资金。
变频器的使用年限为10年,用于变频器散热的空调使用寿命为10~12年,永磁调速器使用寿命为20年,安装基础在20年内基本不需改造,总投资金额=主体设备×台数+辅助设备×套数+基础建设费用。
为直观比较两者的投资,以20年为1个周期,500 kW变频器和永磁调速器具体费用见表1。
从表1数据可以看出,单台变频器的投资低于永磁调速器,但变频器中的电子元器件老化快,使用寿命短,而永磁调速器的机械零部件使用寿命则相对较长。因此,在相同使用年限下,永磁调速器的总投资低于变频器。
2.2 变频器与永磁调速器的节能效率对比
变频器和永磁调速器均是根据离心式负载(如离心泵、离心风机)的相似定律来实现节能的,即离心式负载的流量与转速成正比,扬程与转速的平方成正比,功率与转速的三次方成正比。变频器和永磁调速器取代了原系统中的阀门,通过改变负载的转速对流量和压力进行连续控制。不同的是,变频器改变的是电动机输出转速,而在永磁调速器改造系统中电动机的输出转速基本保持不变,永磁调速器输出转速则随着负载需求的变化而变化。变频器和永磁调速器在实现节能的同时,不可避免地会存在能量损耗。由于两者工作原理不同,在变频器内部,其损耗主要包含整流损耗、逆变损耗、控制回路损耗及风机损耗;永磁调速器的损耗包含转差损耗和冷却系统损耗。根据南京艾凌节能技术有限公司技术人员对于永磁调速器和变频器现场测试积累的经验,当实际负载功率高于额定功率的55%时,永磁调速器的总体效率较高,最高可达99%;当负载实际功率低于额定功率的55%时,变频器效率略高。
莱州电厂闭式水循环系统在夏季运行时,流量需求较大,水泵功率较高,永磁调速器的效率高于变频器;在春、秋、冬季节,系统所需流量减小,水泵功率降低,永磁调速器的效率也随之降低。对于该项目而言,改造前预计夏季工作转速接近额定转速的95%,其他季节转速约为额定转速的70%,改造后实际功率占负载额定轴功率的60%左右,永磁调速器比变频器的节电效果略佳。
2.3 变频器与永磁调速器维护和运行费用对比
变频器是复杂的电子设备,投入运行后易受环境的干扰和影响,可靠性相对较低,平均每年都要发生一次故障,长期运行稳定性很差。对于长期运行的变频器,其中的散热直流风扇、滤波电容等每隔2~5年就需更换维护1次,且变频器在正常使用6~10年后,就进入了故障频率的高发期,经常出现元器件烧坏、失效、保护停机功能频繁动作等故障现象。一旦发生电气故障,需要专业技术人员进行维修。由于故障的不可预见性,故障排查困难,维修难度较大且费用较高。另外,在变频器发生故障时,为了确保快速修复设备,变频器的备件通常要备全,这样会造成购买备件的资金占用比例过大。根据目前的调查,1台500 kW/10 kV变频器的年维护费用约为3万元。其空调和冷却风扇需要大量耗电,空调功率为2.5 kW,冷却风扇功率为1 kW,电费按0.43元/(kW·h)计算,年运行费用约为1.2万元。
永磁调速器作为纯机械装置,其设备结构简单,适应环境能力强,运行稳定可靠。由于永磁调速器采用气隙传递扭矩,有效地隔离了振动,提高了轴承、密封件等重要零部件的使用寿命,保证了设备的安全运行,所以,永磁调速器的维护工作量很小,只需定期为轴承添加润滑油,在长期运行中表现出了良好的稳定性。为了提高系统的可靠性,在每次大修期间,每隔3~5年需要更换一次轴承密封圈和轴承,每套大约2万元,即维护费用平均每年最多0.7万元。500 kW永磁调速器需要水冷,冷却水可以循环使用,不产生水费;循环冷却水需要动力,平均每台永磁调速器需要3 kW电动机作为冷却水动力,电费按0.43元/(kW·h)计算,年运行费用约为1万元。
500 kW的变频器和永磁调速器在20年内的运行成本比较见表2。从表2中数据可以看出,变频器不仅维护难度高于永磁调速器,其维护费用也远远大于永磁调速器。
表2 变频器和永磁调速器在20年内的维护费用 万元
2.4 变频器和永磁调速器的总收益对比
根据现场实际情况的调查结果,预计永磁调速器的节电率为26%,预计变频器的节电率为25%。假设年运行时间为8000 h,电费为0.43元/(kW·h),负载额定功率为450 kW,则年节约电费=负载功率×节电率×年运行时间×电费,调速设备总收益=年节约电费×使用年份-总投资-运行成本。
表1 500 kW变频器和永磁调速器的投资费用
根据上式的计算结果,变频器和永磁调速器20年内的总收益见表3。
表3 变频器和永磁调速器20年内的总收益 万元
从变频器和永磁调速器运行成本和收益的对比可以看出,永磁调速器总收益比变频器高20%,永磁调速器更具优势。基于经济效益、维护难度和系统可靠性的角度,决定采用永磁调速器并对闭式水泵进行改造。
根据电动机和水泵型号选择水冷型ALT0500H永磁调速器,并对永磁调速器进行节能改造。水泵和电动机的技术参数见表4。
改造时,可根据设备图纸设计尺寸重新建造基础,将电动机后移,使永磁调速器有足够空间安装在电动机和水泵之间;从厂用电系统中引接电源,用以驱动电动执行机构和永磁调速器水冷系统的水泵电动机;铺设信号电缆,进行分散控制系统(DCS)组态,以便DCS对永磁调速器系统进行监测和闭环控制,改造后的照片如图1所示。改造后,闭式冷却水泵加装永磁调速器的总投资为64万元,包括永磁调速器、冷却系统、电缆、基础改造的工程费、调试费等费用。
图1#1机组闭式水泵改造现场
永磁调速器改造后,闭式水泵出口阀全开,DCS检测闭式水泵出口阀处的压力,并将此压力信号反馈给电动执行机构,电动执行机构调节导体转子和永磁转子的啮合面积来调节水泵转速,从而达到自动控制闭式水泵流量的目的。DCS同时在线检测和显示永磁调速器冷却系统进、出水水温以及各轴承处的温度,温度一旦超过报警值,则停机检查。
莱州电厂#1机组A闭式水泵通过永磁调速器改造达到了预期的效果。永磁调速器系统根据环境温度和机组运行工况自动调节水泵转速,改变系统供水量和供水压力。与原系统相比,电动机电流和水泵出口压力明显下降,消除了阀门节流损失,达到了节约厂用电量、提高系统可靠性的目的。
4.1 节能效果分析
改造前闭式水循环系统夏季运行时,电动机电流为22.6A,闭式水泵压力为0.75MPa,日耗电约6850 kW·h。假设#1机组全年运行330 d,则改造前A闭式水泵年耗电量=日耗电量×年运行天数=6850×330=2260500(kW·h)。
在春、秋、冬季,原系统通过关闭阀门来减小闭式水循环系统流量,电动机电流略有降低。因此,全年实际耗电量会低于上式结果。
永磁调速器改造后,闭式水泵的运行情况见表5。从表5中数据可以看出,通过电动执行机构调节导体转子和永磁转子的啮合面积百分比,可以改变闭式水泵压力,电动机的输入电流也随之变化,永磁调速器啮合面积百分比在30%~55%时即可满足生产要求。对照夏季水泵电动机的运行电流,改造后的运行电流明显比改造前小。
改造后,假设闭式水泵每季度运行82.5 d,年耗电量=∑功率×24 h×每季度运行天数=(155.99+ 186.06+142.84+132.5)×24×82.5=1 222 432.2(kW·h)。
②魏金枝:《回忆“五四”时期的学生生活》,新民晚报副刊部著《夜光杯文粹(1946~1966)》,上海远东出版社,1999年8月第1版,第466页。
电费以0.43元/(kW·h)计算,则年节约电费=年节约电量×电费=(2 260 500-1 222 432.2)× 0.43=446369.15(元)。
改造后的闭式水泵,消除了节流损失,年耗电量
表4#1机组A闭式水泵和电动机技术参数
表5#1机组A闭式水泵永磁调速器改造后运行数据
明显降低了,节电率达45.9%,取得了显著的节能效果。永磁调速器改造的年运行费用见表2,则投资回收期=初始投资/(收益-年维护成本-年辅助设备费用)=64/(4.64-0.7-1)=1.49(年)。
永磁调速器改造后,在不到2年的时间内,就能够回收投资成本。
4.2 永磁调速器减振效果分析
永磁调速器的投用改变了闭式水泵的振动状态,表6为改造后的振动情况。改造前的水泵和电动机之间采用联轴器连接,即使安装时使用激光对中,将对中精度控制在一定范围内,仍无法避免振动过大的问题,振动值一直在0.2mm以上,密封件和轴承磨损严重。永磁调速器改造后,永磁调速器改进了扭矩传递方式,导体转子和永磁转子间的气隙使得电动机轴和水泵轴无需激光对中也不会产生过大的振动,振幅减少60%~90%,大大提高了系统的可靠性。
调速节能的目的,减小了系统振动,且具备空载启动和过载保护等优点,延长了设备的使用寿命,提高了整个系统的安全稳定性。从长期运行的角度考虑,永磁调速器能为电厂带来明显的经济效益,在风机、水泵改造方面将会拥有更广阔的应用前景。
表6 永磁调速器改造后系统振动情况 mm
[1]徐光诚.永磁调速技术在电厂凝结水泵上的成功应用[J].新疆电力技术,2011(3):82-84.
[2]严新荣,张东.永磁调速技术在火力发电厂中的节能应用研究[J].华电技术,2009,31(12):26-28.
[3]吕鹏飞.某电厂闭式泵改变频的应用[J].安徽电力科技信息,2011(4):27-29.
[4]赵国祥,马文静,曹永刚,等.永磁调速驱动器在闭式冷却水泵上的节能改造[J].节能,2010(4):41-44.
[5]朱计划,戚明浩,蔡全平,等.锅炉风机液力耦合器调速改造为变频调速的节能分析[J].发电设备,2010(6):438-440.
[6]张战刚.永磁调速器在电厂水泵上的应用及节能效果分析[J].河南科技,2013(9):126-127.
[7]翟德双.永磁调速器在凝结水泵上的节能改造运用[J].中国电力,2012,45(7):45-48.
[8]赵克中.磁力驱动技术与设备[M].北京:化学工业出版社,2003.
[9]杨兴瑶.电动机调速的原理及系统[M].北京:水利电力出版社,1995.
永磁调速器改造后,节约了能源,提高了整个系统的性能,减少了系统的振动,延长了轴承和密封件的使用寿命;能使电动机空载启动,有效降低电动机的启动电流以及电动机启动时的故障率,减少了负载启动时对管道的冲击;当负载出现堵转或过载时,能断开扭矩传递,对电动机实施保护;实现了自动控制,减少了人员的劳动强度;大大减少了系统的备品消耗,降低了维护费用。其间接经济效益同样相当可观。
(本文责编:王书平)
永磁调速器投资和维护费用低,节电率高,是电厂风机、水泵等离心式负载的理想改造方式。莱州电厂闭式水泵永磁调速器改造项目的实施,达到了
TK 223.5+2:TK 01+8
:B
:1674-1951(2015)03-0038-04
赵勇(1971—),男,山东菏泽人,高级工程师,从事火力发电厂生产运营管理及基建管理方面的工作。
张春杰(1968—),男,山东禹城人,工程师,从事火力发电厂生产技术管理方面的工作。
王刚(1984—),男,山东昌邑人,助理工程师,从事火力发电厂汽机运行技术管理方面的工作。
杨金发(1973—),男,山东莱州人,高级工程师,从事火力发电厂生产管理方面的工作。
周丽萍(1989—),女,江苏江阴人,在读硕士研究生,从事永磁调速技术方面的研究(E-mail:zhoulp789@163.com)。
李文武(1989—),男,江苏宿迁人,助理工程师,从事永磁调速器的推广及销售方面的工作。
2014-09-26;
2014-12-08