摘要：针对于热电厂开式水系统压力偏高，且电机功率大于泵的功率，造成很大的电能浪费，在对开式循环水泵改造为永磁智能直驱系统后，水泵的出口压力降低，减少了电机发热量，降低了电机及水泵的振动，减轻了机封磨损，可延长电机本体、轴承及机械密封等部件的使用寿命，并且节电效果明显。
关键词：开式水泵；永磁；调速；水泵；电机
1 项目概述
1.1 概 述
永磁智能调速驱动系统是目前国际上电机调速系统中先进的、最新的调速节能技术，在国家大力倡导“加快新旧动能转换”的节能环保政策背景下，将具有变频器调速能力的永磁智能调速驱动系统应用于电厂主辅机冷却水系统。
通过研究永磁电机的变频调速节能技术，并克服异步电机变频调节（需要减速机）的先天不足，依靠变频调速的诸多优点，丰富调速技术，将永磁调速系统应用于开式水泵组，达到节能环保、提高效益和研究推广价值。
1.2 开式水系统存在的问题
热电厂主辅机冷却水系统包括闭式水系统和开式水系统。开式水系统为主要辅机冷却水源其主要用户为：闭式水系统冷水系统。
开式循环水泵的入口管道接在循环水至凝汽器入口，在机组运行时循环水的压力是一定的，经开式水泵升压后，压力升高至0.38M Pa，开式循环水泵运行时出口门保持全开。在实际运行中随机组负荷变化和季节环境温度变化为了达到控制油温的目的，还需要进行各级用户的水量调节和水量分配，主要是依靠各组油冷却器回水调节门调节，这样更加剧了油冷却器水侧压大于油压的现象（用户中油冷却器出口调节门9台），一旦油中进水，将严重威胁辅机和主机的设备安全，这样的运行压力给机组安全运行带来极大的安全隐患。
2 技术方案
根据目前开式水系统实际情况，结合目前科技发展成果，在保证系统维持正常可靠运行的前提，本着改动小、工期短、投资少、见效快的原则，进一步使开式水系统更趋合理、可靠和经济。通过分析、论证，采用了优化改进高压水泵运行控制的方案，将高压水泵控制改为永磁智能变频调速系统驱动器，该系统采用永磁电机直接驱动水泵电机。通过变频调节，系统能够提供平滑、无级的电动加减速，通过调节泵转速方式平衡系统压力和流量，提高系统安全性的同时有效的降低能耗。
2.1.系统的组成
永磁调速驱动器由三个部件组成：一个安装水泵轴端的永磁同步变频电动机，一个给永磁电机冷却用的自循环冷却系统，另外一个是变频器。永磁电机直接通过低速联轴器与水泵相联，通过变频器自动调节水泵转速，从而调节排水量。
2.2 工作原理
根据电机转速公式：
n= 60×f/p×（1-S）
f—电机工作频率（变频器调速改变工作频率）p—电机电极对数（有级变极调速）
S—电机滑差百分比%（滑差调速，同步电机转差率为0）
由于永磁同步电动机转子励磁不是靠感应线圈，而是由固定的永磁体提供，没有直接的电能消耗，电机效率高。电机反应快，不存在滑差。
电机与负载之间的扭矩传输，是通过低速联轴器直接连接，它不需要任何减速装置，而是通过变频器控制电机转速，这种调速方式具有其它调速方式所不具备的优点，它具有系统简单、高可靠性、控制方便、安装简单、减小电机泵组的轴系振动、适应恶劣环境、系统软启动、与电机电压等级无关、避免电机铁芯绕组发热、基本免维护和设备使用寿命长等特点。
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2.3节能原理
风机水泵等离心负载符合比例定律：
Q1/Q2= n1/n2（流量变化与转速变化成正比）
p1/p2 =（n1/n2）（压力变化与转速变化的平方成正比）
P/P =（n/n）（电机功率变化与转速变化的
普通电机大转矩、低转速时发热量大，严重时还可能烧毁电机。电机启动过程短的持续几秒，长的达到几十秒，电机线圈严重发热，造成电机线圈提前老化，缩短电机使用寿命。
电机启动时的电流冲击
风机或水泵在启动过程中，加速度很大，造成流量或压力冲击，容易造成管道、阀门的损坏。由于启动过程扭矩变化大，使得电机和风机或水泵的轴承及油封承受很大的径向和轴向冲击，增加了轴承和油封的磨损，使维修频度增加，维护成本提高。
永磁调速系统通过变频器调节输出电流、频率，转矩自动调整，使负载稳定加速到所需转速，可以大大降低启动过程中的电流冲击、电机线圈发热、流量急剧变化等问题造成的影响。
2.4 启动特性
大功率风机水泵的启动问题一直是困惑用户的难题，因为风机水泵在启动时，基本上可以看作是满载启动，电机在合闸瞬间，启动电流超出额定工作电流的十几倍甚至几十倍，使得变压器、配电设备短期严重过载，造成电压跌落（“黑电”）甚至启动失败。永磁调速系统具有高的能量密度、重载启动性好、可调速性强等优点，能够完全解决普通电机的启动中的问题。
3 经济分析
根据目前机组运行情况，1台机组两台开式循环水泵，采取一用一备的运行方式，永磁调速改造后的开式循环水泵全年运行。节约厂用电实测数据如下：
在使用永磁调速系统后，开式循环水泵启动的电机电流、转速、出口压力的变化曲线都有明显改善，电机启动约为满载电流的3倍，远远低于7～10倍的启动电流，可极大减小电机的发热和老化、也可降低电机电路的故障、同时可以节约启动过程中的巨大能耗。水泵在40s的时间范围内可以达到系统所要求的压力，泵组转速从0升至全速时间仅用20s，通过该实验数据表明永磁调速泵可以满足当工频泵跳闸时，永磁调速泵连起迅速带负荷的要求。
负荷全速运转时，负荷与电机之间几乎无滑差损耗，效率为98.8%，比其它任何调速节能装置的效率都高，且在负荷全速运行时，阀门处于100%开度，输出压力为0.26MPa 左右，低于主机润滑油冷油器的油侧压力0.3MPa，此时电机功耗仅为268.6kW，降低能耗12.4kW，仍节能效率为4.6%，还可通过降低水泵转速达到系统要求的出口压力，可以进一步降低能耗，实现更大的节能。
开式水泵在额定转速时的事故按钮停机曲线从上表可以看出，改造后的水泵与未改造水泵，
5天的耗电量差为 031-15.642= 16.4M Wh，
每小时可节约电量 16.4/ 5×24= 0.137M Wh，
根据2018年年运行小时数 7191 计算，一年可节约电量 985.17M Wh，按照目前上网电量0.2849元/kWh 计算
每年可节约0.2849×98.517= 28.07万元。
该项目总投资54.56 万元，2～3年可收回投资。
节约其他成本分析：由于永磁调速技术采用无物理连接传递扭矩，可实现转速平滑调节，允许低负载启动，冲击电流小，减少了电机绕组、铁芯发热量，降低了电机及水泵的振动，减轻了机封磨损，可延长电机本体、轴承及机械密封等部件的使用寿命。
4 总结
通过系统改造，可见，开式循环水泵永磁调速改造后，延长了设备的使用周期，节约了设备检修和维护成本。
参考资料：
[1]《电机理论与运行》[1]（上、下册），汤蕴璆、史乃、沈文豹编著，1983年8月第一版，水利电力出版社。
[2]《电机学》[2]，汤蕴璆、罗应力、梁艳萍、编著，2008年5月第三版（目前已出第四版），机械工业出版社。
[3]《永磁电机》[3]，王秀和编著，2007年5月第一版，中国电力出版社。
作者简介：
赵路，（1974，2-），男，汉，山东济宁人，助理工程师，从事机电技术管理工作，现就职于东华建设有限公司机电安装分公司。
韩海青，女，汉，山东济宁人，工程师，从事机电技术管理工作，现就职于济宁三号煤矿机厂。
论文作者:赵路1,柴明亭2
论文发表刊物:《基层建设》2019年第9期
论文发表时间:2019/7/3
标签：永磁论文; 电机论文; 水泵论文; 系统论文; 转速论文; 开式论文; 压力论文; 《基层建设》2019年第9期论文;