1、电厂闭式水泵永磁调速改造的经济效益分析赵勇 1 张春杰 1 王刚 1 杨金发 1 王向东 2 周丽萍 2（1.华电国际莱州电厂；2. 南京艾凌节能技术有限公司）摘要：莱州电厂的闭式水系统需根据环境温度和负荷需求来调节流量和压力，通常采用阀门调节，导致大量能源浪费。永磁调速和变频调速是目前常用的对水泵进行调速节能的技术，两者节能效果相当。从长期运行的角度考虑，永磁调速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。因此，选择永磁调速器对闭式水泵进行流量和压力的调节。改造后，系统运行稳定，耗电量显著减少，达到了预期的目的。关键词：闭式水泵，永磁调速器，变频器，经济效益引言目前，离心式负载的
2、节流调节方式已逐渐被调速调节取代，常用的调速方式有液力耦合调速、变频调速和永磁调速等。液力耦合调速属低效的调速方式，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、费用大 1，需经常更换液压油，已逐渐被淘汰。变频调速是当前电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，减小系统振动，环境适应能力强等优点，已成为许多高耗能企业节能改造的首选。为此，华电国际莱州电厂在闭式水系统电机节能改造时仔细考察了变频调速和永磁调速两
3、种电机调速节能技术。华电国际莱州电厂每台机组配一套闭式水系统，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。系统基本流程为：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，通常按照系统最大需求配备水泵，并留有一定裕量 2。在实际运行中，水泵的流量需随季节温度和系统负荷的变化而变化。因此，在春、秋季，尤其是冬季时，水温较低，闭式水富裕量很大 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，同时还容易产生气蚀、振动、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量和电
4、机输出功率，从而实现流量调节和节约能源的目的。本文详细介绍了永磁调速器的选型过程和改造内容，并且从节电的角度分析了永磁调速改造产生的经济效益。1 永磁调速器的选型过程1.1 变频器与永磁调速器的投资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并联，实现对高压电机的输入频率和输入电压的改变，从而实现电机的转速变化，属于电气调速。对风机水泵系统进行变频调速改造时，初始投资主要包括三方面的费用：一是变频器主体设备；二是辅助性设施，包括变压器、滤波器、控制装置、电缆、照明设施等；三是基础设施建设，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
5、递运动和扭矩，通过调节啮合面积的大小实现负载调速，电机转速保持不变，属于机械调速。永磁调速改造的初始投资除永磁调速器主体设备外，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寿命为 1012 年，永磁调速器为20 年，安装基础在 20 年内基本不需改造，总投资金额为总 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 年为一周期，500kW 变频器和永磁调速器具体费用见表 1。表 1 20 年 500kW 变频器和永磁调速器的投资类
6、型主体设备（元/kW台数）辅助设备（元/kW 套数）基础建设费用（元/ 台）总投资金额（元）国产变频器 9002 1002 20000 1020000永磁调速器 12001 401 20000 640000表 1 中数据显示，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。1.2 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
7、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，变频器改变的是电机的输出转速，而永磁调速器改造系统中，电机的输出转速基本保持不变，永磁调速器的输出转速则随负载需求而变化。变频器和永磁调速器在实现节能的同时，不可避免的会存在能量损耗。由于两者工作原理不同，在变频器内部，损耗主要有整流损耗、逆变损耗、控制回路损耗以及风机损耗；永磁调速器的损耗包括转差损耗和冷却系统损耗。根据目前南京艾凌多个现场永磁调速器和变频器测试的经验，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。莱州电厂闭式水系
8、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。对于该改造项目，预计改造前夏季工作转速接近额定转速的 95%，其它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。1.3 变频器与永磁调速器的维护费用与运行费用的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。长期运行的变频器，其中的散热直流风扇、滤波电容等每 25 年就需更换维护一次，且变频器在正常使用 610
9、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。一旦有电气故障发生，需专业的技术人员和平台进行维修。由于故障的不可预见性，故障排查困难且维修难度高、费用大。另外，为了确保变频器发生故障时，快速修复设备，变频器的备件通常要备的全一些，从而造成了购买备件所带来的资金占用。根据目前的现调查，一台 500kW、 10kV 变频器的年维护费用约为 3 万元。其空调和冷却风扇需要耗电，空调大约功率为 2.5kW，冷却风扇约为 1kW，按 0.43 元/ 度的电费，其年运行费用约为 1.2 万元。永磁调速器作为纯机械装置，设备结构简单，适应环境能力强，运行稳定可靠。
10、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寿命，保证了设备的安全使用。因此，永磁调速器的维护工作量很小，在长期运行中表现出了良好的稳定性，只需定期为轴承添加润滑油。为了提高系统的可靠性，每次大修期，即每三到五年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。500kW 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 3kW 电机作为冷却水动力，按 0.43 元/度的电费，其年运行费用约为 1 万元。综上，500kW 的变频器和永磁调速器在 20 年的运行成本如表 2 所示。
11、从表中数据可以看出，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 类型 年维护费用 年运行费用 20 年运行成本变频器 3 1.2 84永磁调速器 0.7 1 341.4 变频器和永磁调速器总收益对比根据现场实际调查，预计永磁调速器的节电率约为 26%，预计变频器的节电率为25%。假设年运行时间为 8000h，电费为 0.43 元/ 度，负载额定功率 450kW，则年节约电费约为年 节约电费 =负载功率 节电率 年运行时间 电费调速设备的总收益为总 收益 =年节约电费 使用年份 总投资 运行成本根据上式，变频器和永磁
12、调速器 20 年内的总收益如表 3 所示。表 3 变频器和永磁调速器 20 年内的总收益 万元类型 总投资金额 总维护费用 总节约电费 总收益变频器 102 84 774 588永磁调速器 64 34 805 707通过对变频器和永磁调速器运行成本和收益的对比可以看出，永磁调速器比变频器更具优势，总收益比变频器高 20%。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进行改造。2 永磁调速器改造内容进行调速改造时，水泵和电机的参数如表 4 所示。表 4 #1 机组 A 闭式水泵和电机参数电机参数 水泵参数型号 YXKK500-6 型号 20SH-9（OA）额定功率（kW） 450
13、 额定轴功率（kW） 353额定电压（V） 10000 额定流量（m 3/h） 2150额定电流（A） 33.1 扬程（m） 50额定转速（ r/min） 995 额定转速（r/min） 950根据电机和水泵型号选择水冷型永磁调速器 ALT0500H 对 #1 机组闭式水系统进行节能改造。改造时，根据设备图纸设计尺寸重新建造基础，将电机后移，使得永磁调速器有足够空间安装在电机和水泵之间；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机；铺设信号电缆，进行 DCS 组态，以便 DCS 对永磁调速系统进行监测和闭环控制，改造后的照片如图 1 所示。此次闭式冷却水泵加装永磁
14、调速器的总投资为 64 万元，包括永磁调速器、冷却系统、电缆、基础改造工程费、调试费等费用。图 1 #1 机组闭式水泵改造现场照片永磁调速改造后，闭式水泵出口阀全开，DCS 系统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 系统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，一旦出现温度过高的现象，则报警停机检查。3 永磁调速改造效益分析莱州电厂#1 机组 A 闭式水泵通过永磁调速改造达到了预期的效果。永磁调速系统根据环境温度和机组运行工况自动调节水泵转速
15、，改变系统供水量和供水压力。与原系统相比，电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。3.1 永磁调速器节能效果分析改造前闭式泵夏季运行电流为 22.6A，闭式水压力为 0.75Mpa，日耗电约 6850kWh。假设#1 机组全年运行 330 天，则改造前 A 闭式水泵耗电量约为年耗 电 量 =日耗 电 量 年运行天数 =6850330=2260500在春秋冬季，原系统通过关闭阀门来减小闭式水系统流量，电机电流略有降低。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。由表中数据可以看出，通过电动执行机构调节导体
16、转子和永磁转子的啮合面积，可以改变闭式水压力，电机的输入电流也随之变化，永磁调速器啮合面积在 3055% 时即可满足大部分时间的生产要求。对照夏季水泵电机的运行电流，改造后的运行电流明显比改造前小。表 5 #1 机组 A 闭式泵永磁调速改造后运行数据时间平均温度（）永磁调速啮合面积（% ）闭式水压力（MPa）闭式泵电流（A）功率（kW）春季 24.3 40 0.59 16.6 155.99夏季 30.7 55 0.68 19.8 186.06秋季 13 35 0.55 15.2 142.84冬季 5.7 30 0.495 14.1 132.5改造后，假设闭式泵系统每季度运行 82.5 天，年耗
17、电量为年 耗 电 量 =功率 24每季度运行天数=（155.99+186.06+142.84+132.5）2482.5=1222432.2以电费 0.43 元/度计算，年节约电费为年 节约电费 =年 节电 量 电费 =（22605001222432.2）0.43=446369.15元改造后的闭式水系统，排除了节流损失，年耗电量明显降低了，节电率达 45.9%，取得了显著的节能效果。永磁调速改造的年运行费用见表 2，则投资回收期为投 资 回收期 = 初始投 资年收益 -年 维护 成本 -年 辅 助 设备费 用 = 6444.64-0.7-1=1.49年即永磁调速改造后不到 2 年就能够回收投资。
18、3.2 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系统的振动状态，表 6 为改造后的振动情况。改造前的水泵和电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，振动值在 0.2mm 以上，对密封件和轴承造成了磨损。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 6090% ，大大提高了系统的可靠性。表 6 永磁调速改造后系统振动情况测试内容 水平 轴向 垂直电机振动 (mm) 0.055 0.018 0.019设备输入端振动(mm) 0.028 0.024 0.0
19、28设备输出端振动(mm) 0.057 0.019 0.026水泵振动 (mm) 0.028 0.063 0.026内调节器振动 (mm) 0.052 0.018外调节器振动 (mm) 0.047 0.014永磁调速改造带来的经济效益不仅体现在节约能源上，还在于永磁调速器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；能够使电机空载启动，有效降低电机的启动电流以及电机启动时的故障率，也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，断开扭矩传递，对电机进行保护；实现自动控制，减少了人员的劳动强度。永磁调速改造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
20、样相当可观。4 结论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。莱州电厂闭式水系统永磁调速改造项目的实施，不仅达到了调速节能的目的，永磁调速器减小系统振动、空载启动和过载保护等优点还延长了设备的寿命，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。参考文献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):8284.2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): 2628.3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):2729.4赵国祥,马文静等.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):4144.5朱计划,戚明浩等.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):438440.
