發電廠循環水泵電機雙速改造可行性分析

摘要：為適應季節和負荷的變化，循環水供水量通常只有依靠增減循環水泵的臺數來實現調節，而單臺循環水泵電機容量大，經常出現不在經濟工況點運行的情況。為了節能降耗，將原循環水泵電機改為雙速電機，不但使運行維護量少，而且節能效果明顯。

關鍵詞：循環水泵 雙速

1 循環泵運行現狀

循環水泵是電廠耗電量較大的輔機之一。我集團某廠的兩臺機組，每臺機組配3臺循環水泵，每臺50%容量配置，在運行中按機組負荷一臺泵單獨運行或兩臺泵并聯運行。由于機組經常處于變負荷運行狀態，且受季節的影響，當循環水泵只單臺運行時，循環水流量可能不足，造成凝汽器真空低；當循環水泵雙泵并聯運行時，又導致水量過大，造成廠用電浪費。

2 循環泵改雙速的可行性

根據泵類機械流體相似定律，在一定范圍內改變泵的轉速，泵的效率近似不變，其性能近似關系式為：Q1/Q2=

n1/n2，H1/H2=（n1/n2）2，P1/P2=（n1/n2）3，其中Q1、H1、P1、Q2、H2、P2 分別表示在不同轉速n1和n2時水泵的流量、揚程和軸功率。該廠循環泵電機為10極電機，假設10極時流量為Q1，揚程H1，功率為P1，改12極后流量則為0.833Q1，揚程0.694H1，功率為0.579P1。

將高轉速電機改低轉速，轉子圓周速度降低，軸承發熱會得到改善。雖然電機因轉速降低而內部通風量減小，但因定子電流減小，定子銅耗也會明顯減小，發熱量減小，電機冷卻器為空水冷卻器，冷卻環境不變。所以不會造成電機整體溫度的升高。

該廠循環水泵所采用的電機型號為YKSL560-10，功率900kW，電壓6000V，轉速594r／min，極數為10極。首先，確定在不更換定子鐵芯的前提下，將同一繞組經改變其連接方式而得到10極及12極兩種不同的極數。另外，為防止因轉換為12極時電機產生異常的發熱、振動及噪聲，對定轉子槽數需進行核算，以滿足變極的要求。

3 不同轉速泵并聯運行問題

為得到不同臺數循環水泵的配置方式，以適應不同機組負荷，每臺機組只對一臺循環泵電機進行改造。此時我們最關心的問題是低速泵和全速泵并聯運行時的性能。2009年，河北省電力研究院在某電廠做了立式斜流泵雙速運行試驗。結果顯示，雙泵高低速并聯運行時，循環水流量小于并聯前兩泵單獨運行時的流量之和，但并聯時的循環水泵揚程比并聯前兩泵單獨運行時的揚程都大。不同性能泵并聯工作原理：圖1為不同性能泵并聯運行時的性能曲線。圖中I，Ⅱ為兩臺不同性能的泵的性能曲線，Ⅲ為管路特性曲線，并聯工作時的性能曲線為I+Ⅱ。由圖1可知：并聯前每臺泵的工況點分別為B1、B2兩點，流量為QB1、QB2。與并聯后泵的工況點比較可知兩臺泵并聯后的流量QM小于并聯前每臺泵的流量QB1、QB2之和。兩臺泵并聯后的揚程大于并聯前每臺泵的揚程。而并聯時的總流量小于并聯前每臺泵單獨工作時的流量之和，其減少的程度隨泵并聯臺數的增加、管路特性曲線的陡緩程度而增大。

4 循環水泵雙速改造簡化方案

根據循環水系統實際情況和季節水溫變化程度，循環水泵電機進行雙速改造是實用有效的。大多采用變前極和變后極都是60°相帶的換相法，單繞組雙速改造一般采用反向法和換向法兩種，這種方法能使電機在兩種轉速時均能獲得良好的運行性能，既對變極后（低速）的技術參數能滿足使用要求，也能保留電機變極前速度（高速）時的技術參數。電機變極切換，只要在一只專用出線盒內改變連接板的連接即可。

據以上分析，每臺機組可以只將一臺泵改造為雙速泵，雖然不能兩臺低速泵并聯運行，但除此之外所有運行組合方式都能實現：冬季根據負荷情況，可以選擇單臺低速或全速泵運行；其他季節可以選擇一臺低速與一臺全速泵并聯運行。夏季高負荷下仍有兩臺全速泵投運的選擇。最大限度地發揮低速泵的作用，以實現投資回報的最大化。

關于電動機的改動，為使電機在不同轉速下取得最佳效率，要優化電動機結構本體設計，調整電動機的定子線圈及定子線圈接線方式，力求電機在兩種轉速下效率、功率因數等性能指標最佳，要保證定子繞組經過優化設計、諧波分析后，一切順利。

電動機內部引出接頭固定在一個出線盒內接線板上，電動機以外的設備不做任何改動，仍采用原電纜及配電設備，用連接片分別按兩種轉速接線連接圖連接，可調整電動機的運行轉速。此種方案可實現投資最小化，只須在換季或需要時，將連接片倒換一下連接方式即可。

5 改雙速電機的效益估算

以我集團某廠循環水泵為例，每臺機組三臺配置，將一臺電機改為雙速電機，改前額定功率900kW，級數10級，同步速600r/min。改后按12級，同步速500r/min。

其軸功率下降約42%。改造前循環水泵實際電流

89A。

改造前實際消耗功率：

1.732×6×89×0.80=740kw

改造后消耗功率（電機效率按0.97計算）：

900×0.58/0.97=538kw

低速電機年投運時間按3500小時計算，改造后單臺電機年節電量：

（740-538）×3500=707000kwh

年節約資金（按0.4017元/kwh）

707000×0.4017=28.4萬元

單臺電機的改造成本約10萬元，以此計算收回成本的時間為：

10/28.4=0.35（運行年）

從以上計算看出，單臺循環水泵經雙速改造后，只要連續投運1225小時，約1個半月即能收回成本，極具投資價值。因循環水泵在廠用電中約占0.09，改造后對廠用電指標的貢獻也是明顯的。另外，低速運行后泵和電機的機械磨損下降，也會降低維護成本。

6 電機改雙速的風險控制

從已經完成雙速改造投運的循環水泵情況看，石家莊熱電廠、邯鄲熱電廠、邯峰電廠、西柏坡電廠等，均為立式斜流泵，未對泵體做任何改動。單臺運行時間多已超過1萬小時，節能效果明顯，泵的運行未發現異常。單從泵的角度看，并不存在改造風險。

西柏坡電廠30萬機組的循環水泵改造后，電機運行在低速時，出現溫度偏高、振動和噪音偏大等問題，分析認為定子繞組設計不合理，多極狀態下（低速）定轉子槽對應性差，運行中產生諧波使電機出現大量附加損耗，這些損耗表現為發熱、振動及噪聲。

從出現問題的改造項目分析，有以下看法：改造失敗的機率并不大，改造失敗的原因與改前設計有關，只要改造前認真設計，改造后通過性能試驗把關，是可以規避風險的。因此，選擇好改造廠家，事先評估改造方案，把好施工工藝和出廠試驗關，可以降低改造風險。

7 變極調速與變頻調速的比較

電氣專業的節能重點，是對有調整空間的泵和風機電機進行調速，調速方式有多種，根據交流電動機的轉速公式n=60f/p，最直接有效的方式就是變頻和變極調速。隨著大功率整流逆變元件的成熟應用，變頻改造尤其是高壓電機的變頻改造工作已經廣泛開展。變頻和變極調速節能改造各有優缺點，可根據實際情況選用。一般變頻法適用于頻繁調整且需要調控性能較好的場合，比如電廠的送、引風機、給水泵、凝結泵、增壓風機等。變極法較適用于無需頻繁調整的轉機如循環水泵的改造。

變頻調速可實現無極調速，可根據機組負荷變化跟蹤調節，可獲得最好節能效果。二級變極調速不能實現無級調速，不能充分挖掘節能空間。

變頻調速電機可實現軟啟動，對電網無沖擊，更有利于延長電機壽命。變極調速不能實現軟啟動，只是降低轉速后對設備損耗有一定益處。

變頻改造需增加變頻裝置，需改造相應的一、二次電力和控制線路，改變DCS控制模式。還需為變頻裝置安裝專用機房，需配空調降溫設備。因此投資較大，改造周期長。改造后需專業人員進行維護工作。雙速改造利用原電機，不改變原電機結構僅改換定子繞組，不添置任何新設備，需要時對電機接線進行改接，簡單易行。投資少，見效快。

變頻裝置元件多，故障機率高，受環境影響較大，變頻電源含有高頻和脈沖高電壓成份，對電源及電機有諧波污染，可靠性不如變極調速高。

變頻調速因投資較高，收回成本一般在一年半以上。雙速改造收回成本一般在半年左右。因此雙速改造性價比較高。

參考文獻：

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