永磁調速在機泵節能改造的應用

盧永（中國石化海南煉油化工有限公司）

永磁調速在機泵節能改造的應用

盧永（中國石化海南煉油化工有限公司）

據統計，機泵電能消耗占全國電能消耗的 21%以上，煉油廠離心泵電耗為全廠電耗的55%，因此，降低機泵的能源消耗對節能工作意義重大。永磁調速作為一種新的節能方法，在實際應用中表現出了節能效果好、運行可靠度高等優點。永磁調速在機泵節能改造時，改造設備應盡量選擇調節較少、調節精度要求不高的設備，以減少對工藝操作的影響。

機泵 永磁調速 技術改造 措施 節能

機泵是一種廣泛應用于國民經濟各個領域的通用機械，是電能的主要消耗者之一。據統計，其電能消耗占全國電能消耗的 21%以上，煉油廠離心泵電 耗 為 全 廠 耗 電 的 55%[1]。 在 實 際 生 產 中 ， 很 多 機泵不能設計工況點運行，只能使用出口閥門節流，造成設備低效率運行，對安全、綠色、低碳應用不利 。 根 據 離 心 泵 的 比 例 定 律[2]可 知 ， 流 量 與 轉 速 成正比，功率與轉速的立方成正比。因此，降低機泵轉速，在流量下降的同時，軸功率顯著下降，節能效果明顯，且效率比節流調節高。目前常用的調速節能方法有變極調速、變頻調速、液力耦合器、串級 調 速 等[3]。 永 磁 調 速 是 近 年 來 國 外 發 展 起 來 的 調速 技 術 ， 1999 年 ， 美 國 MagnaDrive 公 司 在 永磁傳動研究方面實現了突破，實現了對風機水泵旋轉負載進行調速，大大地提高了永磁傳動的傳動效率，全面提高了電動機系統的可靠性，并將傳遞的功率大 大提高[4]。

1 永磁調速技術

1.1永磁耦合技術[5]

如圖1a所示，根據楞次定律，當磁鐵棒 N極垂直接近導體板時，在導體上會產生1個N極磁場來抵抗磁棒N極接近，該抵抗磁場由逆時針方向的感應電流 （渦電流）所產生。同理，如圖1b所示，當磁鐵棒N極平行于導體板移動時，在導體板上會產生抵抗磁鐵棒N極前進的方向相反的2個磁場，在磁鐵棒N極的前方產生N極磁場、后方產生S極磁場抵抗磁鐵棒前進。而且當磁鐵棒愈靠近導體板時，導體板上抵抗磁鐵棒相對運動的力愈大。

圖1 楞次定律

永磁耦合技術即是由楞次定律引申而來，如圖2所示。

◇當磁力線通過銅導體時，靜止的情況下不會有作用；

◇當磁鐵棒與導體板有相對運動時，磁力線在 導 體 中 移 動 產 生 感 應 渦 電 流 （EddyCurrent）， 進而在銅導體上產生感應磁場，而產生扭矩；

◇當兩者越靠近時，磁力線密度越密集，扭矩越大；

◇當兩者相對運動越快時，兩者感應同極磁場越強，產生扭矩越大（轉差越大，扭矩越大）。

1.2永磁調速器基本結構

如圖3所示，永磁調速器主要由三部分組成：安裝在負載軸上的鑲有永磁磁鐵的鋼盤；安裝在電動機軸上的銅盤(或鋁盤)；調整磁盤與銅盤之間氣隙的執行機構。當需要調節壓力、流量或其他控制參數時，輸出調節信號至調速器的氣隙調節機構，執行器改變永磁耦合器的氣隙從而調節負載轉速，達到調節需控制參數的目的。

圖2 永磁耦合技術原理

圖3 永磁調速器結構

1.3永磁調速的優點

永磁調速設備為非接觸、純機械聯接，結構簡單、易損件少，因此相對其他調速節能方法有以下優點：

◇維護成本低，適應惡劣環境；

◇安裝簡單，無需精密對中，允許一定的安裝偏差；

◇電動機與泵軸不直接連接，振動不產生相互影響；

◇不產生諧波，不傷害電動機，不影響電網功率因數；

◇可空載啟動或軟啟動，電動機啟動電流小 、時間短 ， 對 電 網 無沖擊[6]。

2 永磁調速改造

2.1基本參數

永磁調速改造機泵具體參數見表1。

表1 永磁調速改造機泵參數

所選永磁調速驅動器參數見表2。

表2 永磁調速驅動器泵參數

2.2改造過程

2.2.1 基礎改造

因為永磁調速驅動器需要安裝在電動機與泵之間，因此為了安裝永磁調速驅動器，需先將電動機與泵拆開，將電動機向后移動以留出永磁調速器的位置。需對設備基礎進行改造，增加電動機移動后的安裝基礎、永磁調速驅動器安裝地腳及執行器安裝基礎。

2.2.2 永磁調速驅動器安裝

待基礎改造完成后，將輸入軸緊縮盤安裝至電動機軸上，將電動機軸與磁轉子中間軸連接好，再將輸出軸緊縮盤安裝好，安裝好導體盤，將電動機吊至基礎上，調整氣隙至數據滿足要求。在安裝過程中需要注意磁轉子與導體之間有強磁力，應避免使用磁性工具，同時防止將手放在危險區域，以免夾傷。

2.2.3 執行器安裝

根據永磁調速原理，電動機與泵之間的扭矩傳輸是通過氣隙連接的，因此轉速調整也是通過調整氣隙實現。如圖4所示，執行器一般選用工業標準的電動執行器。調節執行器時，執行器臂轉動，帶動連桿動作，永磁調速驅動器外層套管壁將沿軸向移動，改變氣隙，達到調節效果。

圖4 永磁調速執行器

執行器安裝完成后，需對其進行調試，手動調整執行器到各對應位置，檢查執行器臂角度及永磁調速氣隙、轉速，對其進行校準。

2.2.4 控制器組態

控制器可以利用已有DCS系統組態，如圖5所示。 控制 器接 受流 量信號后通過 PID 調節，變成4～20mA 信號驅動角度執行機構，調節永磁調速驅動器氣隙，從而調整泵轉速以滿足控制要求。

圖5 永磁調速控制回路

2.3改造效果

改造前后機泵運行參數見表3、表4。從表中可以看出，在改造前后流量基本不變的情況下，303-P-302A、501-P-102A 出口閥全開，電動機電流、功率明顯下降，節電率最小的 302-P-218A 也達 到 30%。 除 501-P-102A 電 動 機 振 動 略 有上 升外，其余機泵改造后振動穩定且略有下降。

表3 永磁改造前后參數

表4 永磁改造前后振動

3 問題及改進

3.1問題

永磁調速改造一般都是在裝置運行過程中對備用泵進行改造，其內容涉及設計、土建、機械、儀表、電氣等各專業，任何一個環節的疏忽或銜接不好都會對施工及使用造成影響。

3.1.1 安裝問題

以 302-P-218A為例，說明永磁調速改造安裝中出現的問題。

1）新增電動機基礎需要在原有基礎后部加長，并且將電動機地腳墊板割除，重新焊接底板后再找正調整焊接新的電動機地腳墊板，對新增基礎的強度、水平度等要求較高。302-P-218A 因新增機座鋼架存在與原機座水平度偏差大、機座鋼架上方鋼板強度不夠且與電動機腳新墊板下方接觸面積不夠等缺陷，導致施工出現反復，進度嚴重滯后，甚至在安裝試車時出現振動超標。

2）因 302-P-218A 泵軸中心線相對基礎平面高度為 472mm，永磁調速器中心相對高度為457mm，因此泵比永磁調速器中心高15mm?，F場施工時加工4塊帶有螺栓孔的鋼板作為永磁調速器的基腳固定。

3）為保證安全生產，為每臺機泵準備一個長聯軸器，用于在永磁調速驅動器發生故障時連接機泵和電動機，保證設備正常使用。但因該聯軸器較長，導致使用聯軸器時軸不穩定，擺動較大，導致泵振動較大。備用聯軸器參數見表5、表6。

4）基礎施工、地腳安裝、墊鐵焊接等均需在現場動火作業，有時需在現場反復打磨，在石油化工生產現場的特殊環境下，對安全生產壓力較大，如 302-P-218A 僅基礎施工、設備安裝就耗時 15天，開火票6張。另一方面，嚴格的動火作業管理，也導致可作業時間有限，施工進度緩慢，火票數量多。

5）永磁調速改造期間備用機泵長時間不能備用，運行泵如出現故障則會對生產造成較大影響。

表5 302-P-218A備用聯軸器參數

表6 302-P-218A安裝備用聯軸器時的振動

3.1.2 使用問題

1）如圖 6 所示，原設計 302-P-218A 泵出口有兩路，一路作為冷回流回到 C201頂，控制塔頂溫度，另一路外送，控制 D201A液位。永磁調速改造后，增加永磁調速控制器 PMD218A，接受外送流量 FIC0701 控制，調節 302-P-218A 轉速，達到調節 D201A 液位 LIC0701 的目的；此時，外送流控閥FV0701 應全開不節流。但當 D201A 液位變化時，機泵轉速變化，出口壓力、流量隨之變化，導致冷回 流 流量 FIC0105 波 動 ， 引 起 塔 頂 溫 度 TIC0101 波動，影響裝置平穩操作。另外，因兩路后路壓力不同，如全開其中一路，則會導致另一路流量過大或過小。因此，在實際運行中，將永磁調速控制器PMD218A 調到一定轉速后，仍然依靠冷回流控制閥 FIC0105和外送控制閥 FV0701調節各自參數，未能達到最佳節能效果。

圖 6 302-P-218A調節回路

2）永磁調速依靠執行器進行氣隙調節實現轉速調節，達到調節工藝參數的目的，實際運行中經常出現調節不靈敏，給小信號不動作，積累到一定程度突然動作的情況，造成生產波動。

3.2改進措施

1）在前期準備階段應認真研究設備實際運行情況，在選擇改造機泵時，應與工藝、設備人員加強溝通，選擇控制流程簡單、調節較少、調節精度要求不高的進行改造。

2）在設備選型階段應根據需改造設備情況，選擇適合的永磁調速驅動器；同時根據實際需要選擇合適精度的執行器，防止因為執行器精度不足影響永磁調速調節精度。

3）在施工準備階段應摸清現場情況，查找原始資料，盡量測量準確現場數據，防止基礎質量不合格或施工過程中出現各種突發問題。

4）針對改造后永磁調速調節不靈敏情況，對執行器進行重新調試校準；根據工藝運行參數范圍，重新整定零點，縮小永磁調速調節范圍，增大調節信號放大系數，一定程度上緩解調節不靈敏情況。

5）對調節精度要求較高的設備，如整定后仍不能滿足操作要求，可考慮更換靈敏度高的執行器。

4 結語

永磁調速作為一種新的節能方法，在實際應用中表現出了節能效果好、運行可靠度高等優點，基本達到了預期的改造目的。但改造施工、實際使用過程中出現的一些問題說明，在前期設備選擇、準備工作、施工等各方面需要做好細致的工作，尤其是被改造設備應盡量選擇調節較少、調節精度要求不 高 的 設 備 ， 如 鍋 爐 風 機 、 水 泵 等[7]， 以 減 少 對 工藝操作的影響。另外，雖然永磁調速驅動器故障率較低，但發生故障后使用備用聯軸器時振動較大，影響機泵備用，也是需要解決的問題。

[1]李貴賢,范宗良,毛麗萍.化工節能技術問答[M].北京:化學工業出版社,2009:116.

[2]薛敦松.石油化工廠設備檢修手冊（泵）[M].北京:中國石化出版社,2007:16.

[3]王一恒,高漢英,王廣盛.機泵的變速調節與節能[J].節能技術,2002,20(6):44-46.

[4]趙國祥,馬文靜,曹永剛.永磁調速驅動器在閉式冷卻水泵上的節能改造[J].節能,2010(4):41-44.

[5]陶振國,朱榮.永磁調速技術在發電廠輔機節能改造中的應用分析[J].浙江電力,2012(1):35-37.

[6]董長善.機泵調速節能的幾點看法[J].石油化工設備技術,2007,28(2):11-14.

[7]嚴新榮,張東.永磁調速技術在火力發電廠中的節能應用研究[J].華電技術,2009,31(12):26-28.

10.3969/j.issn.2095-1493.2013.010.012

2013-01-06）

盧永，工程師，2004年畢業于天津大學化工學院 （過程裝備與控制工程專業），現在中國石化海南煉油化工有限公司運行部二單 元 從事煉油設 備 技術管理 工 作，E-mail： luyong271@126.com，地址：海南省洋浦經濟開發區海南煉油化工有限公司運行部二單元，578101。