发电厂循环水泵电机双速改造可行性分析

摘要：为适应季节和负荷的变化，循环水供水量通常只有依靠增减循环水泵的台数来实现调节，而单台循环水泵电机容量大，经常出现不在经济工况点运行的情况。为了节能降耗，将原循环水泵电机改为双速电机，不但使运行维护量少，而且节能效果明显。

关键词：循环水泵 双速

1　循环泵运行现状

循环水泵是电厂耗电量较大的辅机之一。我集团某厂的两台机组，每台机组配3台循环水泵，每台50%容量配置，在运行中按机组负荷一台泵单独运行或两台泵并联运行。由于机组经常处于变负荷运行状态，且受季节的影响，当循环水泵只单台运行时，循环水流量可能不足，造成凝汽器真空低；当循环水泵双泵并联运行时，又导致水量过大，造成厂用电浪费。

2　循环泵改双速的可行性

根据泵类机械流体相似定律，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：Q1/Q2=

n1/n2，H1/H2=（n1/n2）2，P1/P2=（n1/n2）3，其中Q1、H1、P1、Q2、H2、P2　分别表示在不同转速n1和n2时水泵的流量、扬程和轴功率。该厂循环泵电机为10极电机，假设10极时流量为Q1，扬程H1，功率为P1，改12极后流量则为0.833Q1，扬程0.694H1，功率为0.579P1。

将高转速电机改低转速，转子圆周速度降低，轴承发热会得到改善。虽然电机因转速降低而内部通风量减小，但因定子电流减小，定子铜耗也会明显减小，发热量减小，电机冷却器为空水冷却器，冷却环境不变。所以不会造成电机整体温度的升高。

该厂循环水泵所采用的电机型号为YKSL560-10，功率900kW，电压6000V，转速594r／min，极数为10极。首先，确定在不更换定子铁芯的前提下，将同一绕组经改变其连接方式而得到10极及12极两种不同的极数。另外，为防止因转换为12极时电机产生异常的发热、振动及噪声，对定转子槽数需进行核算，以满足变极的要求。

3　不同转速泵并联运行问题

为得到不同台数循环水泵的配置方式，以适应不同机组负荷，每台机组只对一台循环泵电机进行改造。此时我们最关心的问题是低速泵和全速泵并联运行时的性能。2009年，河北省电力研究院在某电厂做了立式斜流泵双速运行试验。结果显示，双泵高低速并联运行时，循环水流量小于并联前两泵单独运行时的流量之和，但并联时的循环水泵扬程比并联前两泵单独运行时的扬程都大。不同性能泵并联工作原理：图1为不同性能泵并联运行时的性能曲线。图中I，Ⅱ为两台不同性能的泵的性能曲线，Ⅲ为管路特性曲线，并联工作时的性能曲线为I+Ⅱ。由图1可知：并联前每台泵的工况点分别为B1、B2两点，流量为QB1、QB2。与并联后泵的工况点比较可知两台泵并联后的流量QM小于并联前每台泵的流量QB1、QB2之和。两台泵并联后的扬程大于并联前每台泵的扬程。而并联时的总流量小于并联前每台泵单独工作时的流量之和，其减少的程度随泵并联台数的增加、管路特性曲线的陡缓程度而增大。

4　循环水泵双速改造简化方案

根据循环水系统实际情况和季节水温变化程度，循环水泵电机进行双速改造是实用有效的。大多采用变前极和变后极都是60°相带的换相法，单绕组双速改造一般采用反向法和换向法两种，这种方法能使电机在两种转速时均能获得良好的运行性能，既对变极后（低速）的技术参数能满足使用要求，也能保留电机变极前速度（高速）时的技术参数。电机变极切换，只要在一只专用出线盒内改变连接板的连接即可。

据以上分析，每台机组可以只将一台泵改造为双速泵，虽然不能两台低速泵并联运行，但除此之外所有运行组合方式都能实现：冬季根据负荷情况，可以选择单台低速或全速泵运行；其他季节可以选择一台低速与一台全速泵并联运行。夏季高负荷下仍有两台全速泵投运的选择。最大限度地发挥低速泵的作用，以实现投资回报的最大化。

关于电动机的改动，为使电机在不同转速下取得最佳效率，要优化电动机结构本体设计，调整电动机的定子线圈及定子线圈接线方式，力求电机在两种转速下效率、功率因数等性能指标最佳，要保证定子绕组经过优化设计、谐波分析后，一切顺利。

电动机内部引出接头固定在一个出线盒内接线板上，电动机以外的设备不做任何改动，仍采用原电缆及配电设备，用连接片分别按两种转速接线连接图连接，可调整电动机的运行转速。此种方案可实现投资最小化，只须在换季或需要时，将连接片倒换一下连接方式即可。

5　改双速电机的效益估算

以我集团某厂循环水泵为例，每台机组三台配置，将一台电机改为双速电机，改前额定功率900kW，级数10级，同步速600r/min。改后按12级，同步速500r/min。

其轴功率下降约42%。改造前循环水泵实际电流

89A。

改造前实际消耗功率：

1.732×6×89×0.80=740kw

改造后消耗功率（电机效率按0.97计算）：

900×0.58/0.97=538kw

低速电机年投运时间按3500小时计算，改造后单台电机年节电量：

（740-538）×3500=707000kwh

年节约资金（按0.4017元/kwh）

707000×0.4017=28.4万元

单台电机的改造成本约10万元，以此计算收回成本的时间为：

10/28.4=0.35（运行年）

从以上计算看出，单台循环水泵经双速改造后，只要连续投运1225小时，约1个半月即能收回成本，极具投资价值。因循环水泵在厂用电中约占0.09，改造后对厂用电指标的贡献也是明显的。另外，低速运行后泵和电机的机械磨损下降，也会降低维护成本。

6　电机改双速的风险控制

从已经完成双速改造投运的循环水泵情况看，石家庄热电厂、邯郸热电厂、邯峰电厂、西柏坡电厂等，均为立式斜流泵，未对泵体做任何改动。单台运行时间多已超过1万小时，节能效果明显，泵的运行未发现异常。单从泵的角度看，并不存在改造风险。

西柏坡电厂30万机组的循环水泵改造后，电机运行在低速时，出现温度偏高、振动和噪音偏大等问题，分析认为定子绕组设计不合理，多极状态下（低速）定转子槽对应性差，运行中产生谐波使电机出现大量附加损耗，这些损耗表现为发热、振动及噪声。

从出现问题的改造项目分析，有以下看法：改造失败的机率并不大，改造失败的原因与改前设计有关，只要改造前认真设计，改造后通过性能试验把关，是可以规避风险的。因此，选择好改造厂家，事先评估改造方案，把好施工工艺和出厂试验关，可以降低改造风险。

7　变极调速与变频调速的比较

电气专业的节能重点，是对有调整空间的泵和风机电机进行调速，调速方式有多种，根据交流电动机的转速公式n=60f/p，最直接有效的方式就是变频和变极调速。随着大功率整流逆变元件的成熟应用，变频改造尤其是高压电机的变频改造工作已经广泛开展。变频和变极调速节能改造各有优缺点，可根据实际情况选用。一般变频法适用于频繁调整且需要调控性能较好的场合，比如电厂的送、引风机、给水泵、凝结泵、增压风机等。变极法较适用于无需频繁调整的转机如循环水泵的改造。

变频调速可实现无极调速，可根据机组负荷变化跟踪调节，可获得最好节能效果。二级变极调速不能实现无级调速，不能充分挖掘节能空间。

变频调速电机可实现软启动，对电网无冲击，更有利于延长电机寿命。变极调速不能实现软启动，只是降低转速后对设备损耗有一定益处。

变频改造需增加变频装置，需改造相应的一、二次电力和控制线路，改变DCS控制模式。还需为变频装置安装专用机房，需配空调降温设备。因此投资较大，改造周期长。改造后需专业人员进行维护工作。双速改造利用原电机，不改变原电机结构仅改换定子绕组，不添置任何新设备，需要时对电机接线进行改接，简单易行。投资少，见效快。

变频装置元件多，故障机率高，受环境影响较大，变频电源含有高频和脉冲高电压成份，对电源及电机有谐波污染，可靠性不如变极调速高。

变频调速因投资较高，收回成本一般在一年半以上。双速改造收回成本一般在半年左右。因此双速改造性价比较高。

参考文献：

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