(湖北华电江陵电厂 湖北荆州 434100)
摘要：通过对开式水系统运行现状分析，认为该厂冬季开式冷却水量富裕度较大，开式水泵出口存在憋压现象，提出开式泵高低速改造、永磁调速改造、变频改造和添加辅助水泵共4种技术改造方案。对4种节能改造方案的可行性与经济性进行了分析，发现4种方案都是可行的，均可降低厂用电率，提高机组运行经济性。
关键词：开式水泵；高低速；永磁调速；变频；辅助开式泵；节能
引言
江陵电厂2台660MW 机组分别安装2 台开式冷却水泵，正常运行1台运行、1台备用，其作用是为开式水各用户提供冷却水，以保证各用户的工作温度在允许范围之内。开式冷却水水源取自凝汽器循环冷却水进水母管，经开式水泵升压后，进入各用户冷却各类介质后排至循环水回水母管。开式水用户有: 真空泵板式冷却器、氢气冷却器、主机润滑油冷却器、小机润滑油冷却器。
1 开式水系统运行现状
开式水泵额定流量为1600m³/h，可以满足夏季运行工况；机组冬季运行时循环水温度较低，开式水各用户的进水门开度很小，所需冷却水量非常少，冷却水富裕度较大。开式水系统简图如图1所示。开式水泵及配套电机相关参数如表1所示。
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图1 开式水系统简图
表1 开式水泵及配套电机技术参数
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2 冬季开式水系统富裕量计算
文中计算1台机组冬季运行时，开式水各用户所需开式冷却水量，冬季采集的相关数据整理如表2所示。负荷平均约为580MW，室外平均温度14℃。
表2 开式水系统各用户相关参数
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利用能量守恒及热量计算公式Q= c × m ×△t，可计算冬季各开式水用户所需开式冷却水量(其中真空泵冷却器由于进出口手动门不做调整， 其流量不变) ，计算结果如表3所示。
表3 冬季开式水各用户所需冷却水量
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注：水的比热容c=4.2kJ/（kg·K），润滑油的比热容c=1.955kJ/（kg·K），密度ρ=876kg/m³，氢气的比热容c=14.3kJ/（kg·K），密度ρ=0.445kg/m³。
已知开式水泵额定流量1600m³/h（约为1600t/h），而冬季开式水用户所需开式冷却水量仅为480t/h，可见，开式水泵在冬季冷却水量有较大的富裕度。
3 开式水系统节能改造方案
由上述分析可知，冬季开式水泵在做相当大的无用功，损失了大量的电能，因此可以对江陵电厂开式水系统进行优化改造，以挖掘设备节能潜力，节约厂用电。
通常系统富裕量较大时，系统经济运行的改造方案可采用下列方法：
1）降低泵的转速（方案1）；
2）电机改为变频运行（方案2）；
3）改为永磁驱动（方案3）；
4）添加低功率的辅助泵（方案4）；
5）改变泵的叶轮尺寸（方案5)。
若按照方案5改造后，开式水流量、扬程不能适应夏季工况，因此方案5不可行。下面仅对适用于随季节性变化时，系统流量有较大改变且节能的方案进行简单分析。
3.1 开式水泵电机高低速节能改造
开式水泵电机高低速节能改造方案不添置和改变任何设备，只改变电机内定子绕组接线方式（改变电机的极对数P来改变电机转速），便将电机改为双速电机，而且这种改造的安全性与经济性较高。
由离心泵的相似定律可知，在一定范围内改变泵的转速、泵的效率近似不变，其性能近似关系式为：
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式中：Q1、Q2—分别表示水泵在转速n1与n2情况下的流量；
H1、H2—分别表示水泵在转速n1与n2情况下的扬程；
P1、P2—分别表示水泵在转速n1与n2情况下的轴功率；
由式（3）可知，水泵的轴功率与其转速的三次方成正比，随着泵的转速的降低，其轴功率的降低程度是非常可观的。
已知异步感应电动机的转速n的公式如下：
n=60f（1-s）/p （4）
式中：f—电源频率；
s—转差率；
p—电机极对数。
由式（4）可知，当频率f不变，只改变电动机定子绕组的极对数p便可改变电机的转速，这种方法称为变极调速。变极调速与变频调速等其他调速方式相比，其最大的优点是投资少、可靠性高；特别适用于流量随季节性变化而改变的节能运行的要求。
由江陵电厂开式水泵电机型号，可知电机极数为4极，若将开式水泵电机改为4/6p双速电动机，且保持电源频率f、转速差s不变，则电机在6极运行时，可得水泵转速、流量、扬程及轴功率与极对数的关系式如下：
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为了选择比较合理的改造方案，将电机极数改为6或8极后的相关数据代入上述四个公式，计算后可得水泵转速、流量、扬程及轴功率等参数，如表4所示。
表4 开式水泵电机改变极数的相关参数
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由于考虑到氢气冷却器的位置（16m）及其压降、管损等问题，开式水泵改造后的出口压力保守估算不能低于0.25MPa（具体数值可通过试验确定），因此采用极数为4/6p的双速电动机驱动水泵较为合理。
开式水泵高、低速运行时，电机功率分别为160kW、47kW，因此，开式水泵低速运行后，每天可节约电量2712kW·h，1年中按4个月计算，1台机组可节约电量325440kW·h，按上网电价0.4元/kW·h计算，则1台机组按此方案改造后1年的经济效益为130176元。
3.2 开式水泵电机变频节能改造
由式（4）可知，改变其中任何一个参数都可以改变电机转速。变频器是通过改变电源频率f来改变电动机转速的，转速与频率成线性关系。由式（4），保持转差率不变可知：
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由方案1可知，为了克服系统阻力，特别是氢气冷却器的压降及管道阻力损失，开式水泵的出口压力不能低于0.25MPa，即扬程不能低于10m，则H1=25m，H2=10m，f1=50Hz，根据上述式（11）可得f2=32Hz，Q2=1024m³/h，P2=34kW。与方案1把电机极数改为6极后，得到的Q2=1066m³/h，P2=37.9kW比较接近。因此，加装变频器后电机也可按照1年有4个月是按照最低频率为32Hz进行工作，而每年7~10月循环水温度较高，开式水泵是满负荷运行，这样剩余4个月电机是介于工频与最低频率之间运行的，假定以（32+50）/2=41Hz进行工作，最后将不同频率时的相关数据统计如表5所示
表5 开式水泵电机变频改造的相关参数
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在加装变频器时，需要加装一个压力反馈回路或频率最低限制值，以保持开式水泵出口压力不低于0.25MPa。
开式水泵变频改造后单台机组每年可以节约电量：（160-42.5）×2880+（160-88.25）×2880=338400+206640=545040kW·h，按上网电价0.4元/kW·h计算，则1台机组按此方案改造后，1年的经济效益为218016元。
3.3 开式水泵永磁调速节能改造
3.3.1永磁调速器的结构
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3.3.2永磁调速器由五个部件组成：
1）永磁转子：镶有永磁体(强力稀土磁铁)的铝盘,与负载轴连接。
2）导体盘转子：导磁体盘(铜或铝), 与电机轴连接。
3）气隙执行机构：调整磁盘与导磁盘之间气隙的机构。
4）转轴连接壳与紧缩盘：紧缩盘装置与电机及负载轴连结。
5）红外测温，固定在隔音探头：报警装置，与控制室PLC系统连接防护罩上，对准散热片。
3.3.3调速原理：
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用永磁调速器替代原有的刚性联轴器，使得电机与负载设备的转轴之间无需机械连结,电机旋转时，带动导磁盘在装有强力稀土磁铁的磁盘所产生的强磁场中切割磁力线，在导磁盘中产生涡电流(Eddy Current),该涡电流在导磁盘上产生反向磁场，拉动导磁盘与磁盘的相对运动，从而实现了电机与负载之间的转矩传输。
气隙执行机构，是通过改变导磁盘和磁盘的距离，使磁场强度和反向磁场发生改变，从而使负载的转速得到改变。
因永磁驱动改造后可以实时调节负载转速以达到节电目的，与变频调节方式类似，由方案2变频改造内容可知，也可按照1年4个月是由最低转速947.2r/min进行工作，而每年7~10月循环水温度较高，开式水泵是满负荷运行，这样剩余4个月泵转速是介于全速与最低转速之间运行的，假定以转速1213r/min进行工作，最后将不同转速时的相关数据统计如表6所示。
表6 开式水泵永磁调速改造的相关参数
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开式水泵永磁调速改造后单台机组每年可以节约电量：（160-65.5）×2880+（160-107.6）×2880=272160+150912=423072kW·h，按上网电价0.4元/kW·h计算，则1台机组按此方案改造后，1年的经济效益为169229元。
3.4 添加低功率辅助开式水泵节能改造
冬季停运开式水泵，改用循环水直供开式水系统用户时，由于冬季循环水泵已改为低速运行，启动开式水泵前开式水系统母管压力为0.15MPa，由于氢气冷却器的位置较高（16m），一旦发生氢气冷却器冷却水断流，将严重影响机组安全运行，可见此方法不可直接采取，需加装1台低功率辅助开式水泵，只要在其能够满足冬季开式水用户所需的水量和扬程的条件下，尽可能选择功率较低的水泵及配套电机。
3.4.1 在原开式水泵处加装低功率辅助开式水泵旁路，如图2所示。
如配备一台流量为1024m³/h、扬程为10m、转速为1480r/min，配套电机功率为45kW的离心式水泵，冬季采用该水泵运行，按照1年中4个月计算，单台机组每年可以节约电量：（160-45）×2880=331200kW·h，按上网电价0.4元/kW·h计算，则1台机组按此方案改造后，1年的经济效益为132480元。
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图2 开式水系统简图
3.4.2 在原开式水泵处加装旁路电动门、逆止门，仅在氢气冷却器进水管路加装低功率升压泵，如图3所示。
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图3 开式水系统简图
此种改造方式主要确保氢冷器的冷却压头，但氢冷器冷却水管道侧面为凝泵吊装孔，涉及空间变化及管道布置，难度较大，且在不启动开式水泵的情况下，主机润滑油的冷却效果还需要进一步论证，存在一定的风险性，不建议采用。
4 结语
上述几种方案优缺点比较如表7所示
表7 改造方案优缺点比较
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通过上述优缺点比较可以得出，双速改造、永磁改造、变频改造、添加辅助泵旁路四种改造都是可行的，冬季改造后均可满足开式水各用户的需求，并且每年可获得经济效益分别为13.02万元、16.92万元、21.80万元、13.25万元。
通过上述优缺点，结合设备可靠性比较可以得出，最佳改造方案是采用永磁调速改造，具有能够根据季节变化而调节开式泵扬程的优点，而且2台开式水泵切换方便快捷。
参考文献:
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