闭式循环冷却水泵创新型节能方案研究

闭式循环冷却水泵创新型节能方案研究

殷怀志

（山东电力工程咨询院有限公司，山东 250100）

【摘要】 本文主要介绍了闭式循环冷水泵的三种节能方案，详细分析了变频技术、液力耦合器技术及永磁调速器技术的原理、结构，客观的分析了各种节能产品应用在闭式循环冷却水泵变工况运行方式上的优势，供用户水泵节能方案选择时参考。

【关键词】永磁调速器 液力耦合器 变频器 闭式冷却水泵 节能

引言

闭式循环冷却水泵是闭式循环水系统中的核心设备，负责源源不断地为电厂内的多个换热器提供冷却水，用来吸收机组相设备产生的热量，保证相关设备稳定高效的运行。闭式冷却常规设置为工频水泵，泵的运行转速是固定转速，但是实际运行时水泵的运行流量随季节和系统负荷的变化而变化,特别是近几年很多火电机组参与深度调峰的背景下，闭式冷却水泵的流量往往与设计流量有较大的偏离，在这种小流量运行的情况下，需要对闭式冷却水泵的流量进行流量调节，以匹配相关设备需求的用水量。目前大多闭式循环冷却水泵出口流量的变化，是通过采用控制闭式冷却水泵的出口阀门开度的方式来控制水泵的流量的。

在采用调节阀门开度进行水泵流量控制时，水泵处于节流运行状态，出口处的阻力急剧增高，使得水泵实际管网特性曲线和设计的管网特性曲线不一致，水泵运转点偏离最佳效率点，电机输出功率未能有效降低，造成能量浪费。而且水泵长期的节流运行还很容易产生气蚀、冲刷、振动等问题，最终可能会导致设备损坏的严重问题。在闭式循环冷却水泵小流量运行时，通过调节水泵的转速，根据工况要求而改变水泵出口的压力和流量，使得水泵出力和消耗的电机功率大幅度降低，这种水泵调速运行方式具有较好的节能空间，为运行单位创造良好的经济效益。

控制水泵的转速最佳的方法就是控制电机转速，为了减少阀门节流损失, 减少电能消耗，目前广泛采用给闭式冷却水泵系统加装永磁调速器、液力耦合器、变频器等调速设备的方式，使水泵实现调速方式运行，从而实现流量和扬程的的控制，最终达到节能降耗的目的。

1 闭式循环水泵降速节能原理

1.1离心式水泵的工作原理

离心式水泵是利用水的离心运动的抽水机械，水泵启动后旋转的叶轮带动泵里的水高速旋转，水做离心式运动，向外甩出并被压入水管。水被甩出后，叶轮附近的压强减小，在转轴附近就形成一个低压区。这里的压强低，入水口的水就在压力的作用下冲入叶轮，叶轮在动力机带动下不断高速旋转，水源源不断地从水泵流出。

1.2离心比例定律

离心式的水泵运行符合离心比例定律即：

Q1/Q2 = n1/n2 (流量变化与转速变化成正比)

H1/H2 = (n1/n2)2(压力变化与转速变化的平方成正比)

P1/P2 = (n1/n2)3 (电机功率变化与转速变化的立方成正比)

1.3、当电动机的转速由n1变化到n2时,流量Q、扬程H、电机功率P与转速的关系如下:

=

当需要流量为60％的额定流量时，通过调节电机的转速至额定转速的60％，即调节频率到30Hz即可，这时所需功率将仅为原来的21.6％，节能效果非常显著。

如下图所示，从水泵的运行管网特性曲线图来分析采用变频调速后的节能效果。

图1:水泵的运行管网特性曲线图

当所需风量、流量从Q1减小到Q2时，如果采用调节阀门的方式，管网阻力将会增加，转n1速维持不变，管网特性曲线由特性曲线1上移至特性曲线2，系统的运行工况点从A点变到新的运行工况点B点运行，所需轴功率P2与面积H2×Q2成正比；如果采用调速控制方式，水泵转速由n1下降到n2，其管网特性并不发生改变，水泵的特性曲线将下移，因此其运行工况点由A点移至C点。此时所需轴功率P3与面积H3×Q2成正比。从理论上分析，所节约的电机功率△P与（H2-H3）×（B-C）的面积成正比。

2 变频器节能方案

2.1、变频器工作原理

变频技术使用的基本原理是改变电机频率来改变转速，在很长的一段时期内，电气设备所使用的交流电的频率都是维持在一个固定的状态，变频技术的运用就是使频率变成了一种可以随意的调节和利用的资源。现如今，变频技术中最活跃以及最快发展的就是变频的调速技术。

变频技术包括计算机技术、电力电子技术、点击传动技术，是一种综合性比较强的技术，结合了机械设备和强弱电。就是指在工频电流的信号转化成其他的频率，这种转化主要是通过半导体元件来完成的，之后再将交流电转化成为直流电，在逆变器对电流和电压进行调控的同时使机电设备达到无极调速的程度。

总而言之，变频技术就是通过电流改变频率来对电机的转速进行控制，从而使有效的控制电机设备，这些都是在电流频率与电机转速同比增长的基础上来完成的。变频技术的特点就是能够使电机平稳的运行，可以进行自动的加速和减速的控制，在能够提高工作效率的同时减小对于能源的消耗。

2.2变频器的组成

变频器一般由整流器、中间电路、逆变器、主控电路组成，其基本组成如图2所示。

图2 变频器组成

1.整流器:与单相或三相交流电源相接，产生脉冲的直流电压。

2.中间电路：a.使脉动的直流电压变得稳定或平滑，供逆变器使用；

b.通过开关电源为各个控制线路供电；

c.可以配置滤波或制动装置提高变频器性能。

3.逆变器：将固定的直流电压变换成可变电压或频率的交流电压。

4.主控电路：将信号传动给整流器、中间电路和逆变器，同时接受来自这些部分的信号。

2.2变频器调速节能的特点

对比项	内容
优点	变频节能：通过变频改造可降低电机输入频率，降低电机轴转速，达到节能运行的目标
	软启动：可通过微机控制多台泵实现变频软启动，降低电流冲击，延长电机使用寿命，提高系统的稳定性减小对电网的冲击
	灵活控制：控制精度较好，可以实现电机转速的准确调控
缺点	变频器为电子元器件，结构较为复杂，且电器元件的寿命及故障率不及机械的调速产品
	变频器对环境及电网环境的要求相对较高，需要附加成本
	变频器的调速范围约为30%-100%，无法实现零负载启动
	设备维护需要有专业技能的人员，备品备件投入大
	闭式冷却水泵使用变频后，电机与泵轴之间仍然使用普通的联轴器进行硬连接，无法隔离两端的机械振动

3 液力耦合器节能方案

3.1液力耦合器的工作原理

液力耦合器是一种以液体（多数为油液）为工作介质,利用液体动能传递能量的一种叶片式传递机械。按照应用场合不同可分为普通型、限矩型、牵引型和调速型四类。可以实现节能效果的为调速型液力耦合器。

调速型液力耦合器主要由泵轮、涡轮、旋转外套和勺管组成，泵轮和涡轮均为具有径向叶轮的工作轮，泵轮与主动轴固定连接，涡轮与从动轴固定连接；主动轴与电动机连接,而从动轴则与水泵连接。若在工作腔内充以油等工作介质, 则当主动轴带着泵轮高速旋转时,泵轮上的叶片将驱动工作油高速旋转，对工作油做功 , 使油获得能量。同时高速旋转的工作油在惯性离心力的作用下 , 被甩向泵轮的外圆周侧, 并流入涡轮的径向进口流道 ,其高速旋转的旋转动能将推动涡轮作旋转运动,对涡轮做功,将工作油的旋转动能转化为涡轮的旋转动能。工作油对涡轮做功后,能量减少,流出涡轮后再流入泵轮的径向进口流道,在泵轮中重新获得能量。如此周而复始的重复，形成了工作油在泵轮和涡轮中的循环流动。

只要改变工作腔内工作油的充满度,亦即改变循环圆内的循环油量 ,就可以改变液力耦合器所传递的转矩和输出轴的转速,实现了电动机在定速旋转的情况下对水泵的无级变速，从而实现电机的节能降耗。

3.2调速型液力耦合器的技术特点

对比项	内容
优点	可实现水泵轴的无级调速，实现对泵输出流量及压力较为精确地调节
	柔性连接，有缓启动功能，转矩通过液体传递，能减缓冲击负荷
	过载保护，当从动轴阻力矩突然增加时,转速差增,装在液力耦合器上的易熔放油塞能及时把流道热油自动排空,切断转矩的传递
缺点	调速型液力耦合器的体积普遍较大，结构复杂，尤其大功率的液力耦合器还要一套诸如冷油器等辅助设备和管路系统，对闭式循环水泵的空间要求较高
	运行效率较低，产生转差损耗较大,因此液力耦合器仍属低效调速装置
	不能保持精确的转速比,因此不适用于要求精确转速的场合
	液力耦合器一旦发生故障,被拖动的负载将不能工作

4 永磁调速器节能方案

4.1永磁调速器的结构及传动原理

永磁调速技术是近几年发展起来并趋于成熟的一种调速技术。永磁调速是电气原理机械实现，通过机械手段调节切割磁力线的多少，从而实现对负载的调速，属于机械调速。其本质是扭矩控制系统，转速下降扭矩随之变小，因此不适合恒扭矩负载调速。由于其简单可靠、免维护特性，永磁调速受到越来越广泛的欢迎。

永磁调速器主要结构为：永磁转子组件，连接于负载侧；导体转子组件，连接于电机侧；调速机构。该技术实现了电动机和负载之间无接触式联接，十分有效的解决了旋转负载系统的对中、软启动、调速节能、减振等问题。

图3 永磁调速器结构图

永磁调速器是通过导体和永磁体之间的气隙实现由电动机到负载的转矩传输的装置，可实现电动机和负载间无机械连接的传动方式，其工作原理是：当两者之间相对运动时，导体组件切割磁力线，在导体中产生涡电流，涡电流进而产生感应磁场，与永磁体产生的磁场交互作用，从而实现两者之间的扭矩传递。调速机构在运行过程中可调节永磁组件和导体组件的相对位置，改变两者之间耦合的有效部分，从而改变两者之间传递的扭矩。

图4 永磁调速器调速原理

永磁调速器安装在电机和负载之间，传递扭矩，通过永磁调速器的调节机构实现导体转子与永磁转子之间的磁场耦合面积改变，从而实现负载转速变化。耦合面积大，通过永磁调速器传递的扭矩就大，负载转速高；耦合面积小，通过永磁调速器传递的扭矩就小，负载转速低。

4.2永磁调速器在闭式循环冷却水系统应用的优缺点

对比项	内容
优点	可实现平滑无级变速，调速范围0-97%，在运行过程中可任意调节
	降低对中难度，可容忍最大1mm的对中误差，且适应系统轴向窜动，最大可适应10mm
	无机械连接，完全隔离振动，允许冲击性载荷，延长传动部件(轴承、密封等)的使用寿命
	系统稳定性超强，且绿色环保，无谐波、无电磁波干扰
	实现空载启动，大幅度降低电机的启动电流，延长系统设备使用寿命
	环境适应性强，可在潮湿、易燃易爆、谐波严重、电网波动大等恶劣环境正常工作
	安装方便，现场改动小，调试简单方便，改造工期短
	设计使用寿命30年以上
	维护成本低，基本免维护
	高效节能，节能率为10%-50%
缺点	在调速精度高，要求响应速度和机械特性硬的领域难以应用
	应用于超高转速设备时，噪音增量较大

5.闭式循环冷却水系统的节能应用案例

5.1设备情况

绥中电厂3号机组闭式冷却水系统配置2*100%容量的闭式循环冷却水泵，一运一备。闭式循环冷却水先经闭式循环冷却水泵升压后至闭式水热交换器，被开式循环冷却水冷却之后至各冷却设备，然后从冷却设备排出汇集到冷却水回水母管后至闭式循环冷却水泵入口。实际运行中，外界气温变化时，闭式冷却水温度随之变化，各换热设备需要的冷却水流量也随之变化，最冷和最热季节同一设备需要的冷却水流量相差一半以上，而冷却水流量变化时各换热设备进出口阀门开度无法随之实时调节。故对闭式水泵进行永磁改造，使之出力可以随冷却水流量需求进行调节，以达到降低厂用电率节约电耗的目的。

闭式循环冷却水泵主要技术数据

5.2 永磁改造后的运行数据如下

5.3永磁改造后的节能效益分析

永磁改造前，正常工况下，闭冷泵母管出口压力在0.78MPa，电机运行电流约为57.8A；改造后闭冷泵母管出口压力控制在0.68MPa运行，电机运行电流约为45.8A，则：

P改造前 =519.6kW；

永磁改造后降速运行；P改造后 = 387kW；

节电量△P = P改造前 - P改造后 = 519.6–387 = 132.6kW；

节能率：（519.6 – 387）/ 519.6 = 25.52%；

除去检修等异常情况，一年运行7200小时每kwh电价按0.5元计算，则：

设备年节电总量：132.6 ×7200 =95.47万kwh；

节约电费：95.47×0.5 =47.735万元/年；

改造节能收益还应考虑系统压力降低，安全性能提高，设备维护量减少、运行系统使用寿命延长等间接收益，综合收益是非常可观的。

5 总结

由于闭式循环冷却水泵通常设计裕量大，进行降速节能调节能有效节约能源，保护系统整体稳定可靠性，为保证闭式循环冷却水泵正常工作，转速通常在较高范围内调节，此时变频器、液力耦合器、永磁耦合器均处在较高的效率阶段，均为可选择的节能方案。

液力耦合器虽然属于低效调速方式，因其投资少，见效快，资金回收周期短，在老设备的改造中，容易收到明显的节能效益。

变频调速因其调速效率高，力能指标（功率因数）高,调速范围较宽 ,调速精度高等优势,又可以实现软启动，减少电网的电流冲击及设备的机械冲击，延长设备使用寿命，对于大部分采用笼型异步电动机拖动的水泵，不失为非常理想的调速方案。但因其投资大（尤其是高压变频器），往往使用户望而却步。

永磁调速装置具有结构简单、适应性强、安装维护方便、自身损耗小、设备寿命长等显著优点，永磁调速器作为近几年新兴的最安全可靠的电机调速节能产品，集其余调速产品的优点于一身，安装容易，后期基本免维护，从日常使用和节能回报方面都有很大的推广潜力。

参考文献：

［1］郭欢.水泵变频节能技术:原理·设计·应用[J].山西煤炭管理干部学院学报,2008,21(2)

［2］王瑜瑜,刘少军.基于变频技术的水泵节能控制系统的研究[J].现代电子技术,2013,36(15)

［3］刘应诚,邵万珍.风机、水泵调速节能技术问答[J].通用机械,2005(3):58-61.

［4］成大先；《机械设计手册》（第三版.第一卷）；化学工业出版社；2010年11月03日