對永磁調(diào)速技術(shù)用于離心式水泵的分析

王永標(biāo)

（北方聯(lián)合電力包頭第一熱電廠，內(nèi)蒙古 包頭 014030）

對永磁調(diào)速技術(shù)用于離心式水泵的分析

王永標(biāo)

（北方聯(lián)合電力包頭第一熱電廠，內(nèi)蒙古 包頭 014030）

永磁調(diào)速技術(shù)作為先進(jìn)、可靠性高的新型調(diào)速節(jié)能技術(shù)，在近年來得到廣泛應(yīng)用。本文將對永磁調(diào)速技術(shù)的原理與主要結(jié)構(gòu)進(jìn)行討論，在此技術(shù)上對比永磁調(diào)速器和變頻器，主要從投資費(fèi)用、節(jié)能效率與運(yùn)行費(fèi)用3方面進(jìn)行分析。最后分析永磁調(diào)速改造的應(yīng)用與節(jié)能效果。

永磁調(diào)速；離心式水泵；節(jié)能

離心式水泵在各個工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，總體來看，水泵每年的耗電量幾乎達(dá)到了整個工業(yè)耗電的30%左右。我國目前采用的離心式水泵運(yùn)行效率偏低，但又是生產(chǎn)活動中必不可少的一部分，因此有必要對其進(jìn)行改造。近年來永磁調(diào)速技術(shù)越來越成熟，將永磁調(diào)速技術(shù)應(yīng)用在離心式水泵中可以實(shí)現(xiàn)良好節(jié)能效果。

1.永磁調(diào)速技術(shù)原理與結(jié)構(gòu)

企業(yè)以往在進(jìn)行水泵選擇時多考慮最大設(shè)計流量與設(shè)計揚(yáng)程兩個參數(shù)。然而在真實(shí)的生產(chǎn)活動中，水泵在大部分情況下出水量是小于最大設(shè)計流量的，從離心式水泵的運(yùn)行特性曲線不難發(fā)現(xiàn)，當(dāng)流量降低時，揚(yáng)程將會提高，這就導(dǎo)致恒定轉(zhuǎn)速的水泵會出現(xiàn)揚(yáng)程過剩的情況，進(jìn)而導(dǎo)致部分能量白白損耗。為了解決這一問題，永磁調(diào)速技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

永磁調(diào)速技術(shù)主要通過永磁調(diào)速驅(qū)動器實(shí)現(xiàn)，其由銅轉(zhuǎn)子、控制機(jī)構(gòu)以及永磁轉(zhuǎn)子共同構(gòu)成。將銅轉(zhuǎn)子固定于電動機(jī)軸上，永磁轉(zhuǎn)子固定在負(fù)載軸上，二者實(shí)現(xiàn)相對運(yùn)動，根據(jù)電磁感應(yīng)原理產(chǎn)生扭矩。可以簡單地通過調(diào)節(jié)永磁體與銅導(dǎo)體二者之間的氣隙實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩大小的控制，進(jìn)而準(zhǔn)確控制負(fù)載轉(zhuǎn)速。永磁調(diào)速技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)在不犧牲流量和揚(yáng)程條件的情況下，使能耗最小化。對于水泵的負(fù)載特性而言，流量和轉(zhuǎn)速成正比，壓力和轉(zhuǎn)速平方成正比，軸功率和轉(zhuǎn)速3次方成正比。

由于永磁調(diào)速驅(qū)動器能夠通過負(fù)載轉(zhuǎn)速控制，完成離心式水泵壓力連續(xù)控制，離心式泵的揚(yáng)程和轉(zhuǎn)速平方呈正比，功率和轉(zhuǎn)速3次方成正比，所以當(dāng)電動機(jī)轉(zhuǎn)速保持一定值時，調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速下降，輸出流量按比例降低，電動機(jī)功率快速減少，進(jìn)而有節(jié)能效果。

2.永磁調(diào)速器與變頻器對比

永磁調(diào)速與變頻調(diào)速、液力耦合調(diào)速相比在使用壽命更長，維護(hù)時間短，容易查找故障。將永磁調(diào)速器和變頻器進(jìn)行對比，分析采用永磁調(diào)速器的可行性，主要從投資費(fèi)用、節(jié)能效率以及運(yùn)行費(fèi)用3方面進(jìn)行討論。

2.1投資費(fèi)用對比

變頻器使用成千上萬的電力電子元器件，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對高壓電動機(jī)頻率與電壓的控制，進(jìn)而改變電動機(jī)轉(zhuǎn)速，屬于典型的電氣調(diào)速方式，其初始投資主要由主體設(shè)備、輔助性設(shè)備（控制電路、照明系統(tǒng)、變壓器、濾波器）以及基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)（空調(diào)房間）3部分構(gòu)成。永磁調(diào)速器的組成主要包括永磁調(diào)速器主體設(shè)備、輔助設(shè)備（冷卻系統(tǒng)、電纜等）。

變頻器的使用年限通常為10年，其冷卻系統(tǒng)中的散熱空調(diào)使用壽命為12年左右；永磁調(diào)速器使用壽命為20年左右，且相應(yīng)地安裝基礎(chǔ)更換周期為20年。為方便二者對比，取20年作為一個周期，變頻器主體設(shè)備90（45×2）萬元，輔助設(shè)備10萬元，基礎(chǔ)建設(shè)費(fèi)用2萬元，總投資金額為102萬元；永磁調(diào)速器主體設(shè)備60萬元，輔助設(shè)備2萬元，基礎(chǔ)建設(shè)費(fèi)用2萬元，總投資金額64萬元。

可見相同使用年限情況下，永磁調(diào)速器投資費(fèi)用更低。

2.2節(jié)能效率對比

變頻器是通過改變電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)節(jié)能，而永磁調(diào)速器輸出轉(zhuǎn)速是隨著負(fù)載需求時刻變化的，二者節(jié)能原理有所差異。變頻器內(nèi)部存在整流損耗、風(fēng)機(jī)損耗、逆變損耗以及控制回路損耗；永磁調(diào)速器存在轉(zhuǎn)差損耗與冷卻系統(tǒng)損耗。如果負(fù)載實(shí)際功率高于額定功率55%，則永磁調(diào)速器效率高；相反，則變頻器效率更高。在流量需求較大的情況下，永磁調(diào)速器效率高；當(dāng)流量需求降低時，永磁調(diào)速器效率有所下降。總體來看，永磁調(diào)速器相比變頻器節(jié)電效率略好。

2.3運(yùn)行費(fèi)用對比

變頻器幾乎每年均會出現(xiàn)故障，當(dāng)進(jìn)行長期運(yùn)行以后可靠性很差，散熱直流風(fēng)扇等附件每隔2～5年均要求進(jìn)行更換或者大修。當(dāng)變頻器使用超過6年以后，故障頻發(fā)。根據(jù)不完全統(tǒng)計，一臺500kW/6kV變頻器年維護(hù)費(fèi)用大概是3萬元，相應(yīng)的空調(diào)與冷卻風(fēng)扇等年運(yùn)行費(fèi)用為1萬元左右。

由于永磁調(diào)速器是典型機(jī)械裝置，運(yùn)行更加穩(wěn)定可靠，通過氣隙實(shí)現(xiàn)扭矩傳遞，將振動隔離，大大提高重要零部件使用壽命。與此同時，永磁調(diào)速器維護(hù)工作量小，僅需要為軸承添加潤滑油就可以保持正常工作。維護(hù)費(fèi)用平均每年0.7萬。對于500kW永磁調(diào)速器而言，冷卻水循環(huán)使用，需要380V冷卻水循環(huán)泵為水循環(huán)提供動力，年運(yùn)行費(fèi)用大約為1萬元。可見，永磁調(diào)速器的運(yùn)行費(fèi)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于變頻器。

2.4對系統(tǒng)中其他設(shè)備的影響

由于永磁調(diào)速器主要是機(jī)械式調(diào)速裝置，幾乎與電力無關(guān)，因此不會產(chǎn)生諧波，也就不會對系統(tǒng)中的其他設(shè)備造成影響。當(dāng)電力質(zhì)量很差時，如電力諧波、雷擊等，這些因素對電子或電氣調(diào)速裝置往往是致命的，但對永磁調(diào)速器卻不會造成任何影響。而在高壓變頻器的使用過程中，極容易造成設(shè)備誤動作，造成功率因素補(bǔ)償電容燒毀、熔斷器熔斷、空氣或斷路器開關(guān)跳閘。那是因為高壓變頻器的交-直-交回路中主要是由電子器件組成，從而在運(yùn)行過程中會產(chǎn)生大量的高次諧波，電力諧波是電網(wǎng)的嚴(yán)重污染，大量的諧波電流電壓，可能會造成電器元件的發(fā)熱損耗。

總而言之，永磁調(diào)速優(yōu)勢明顯，節(jié)能效率高，效率高于90%，通過磁耦合進(jìn)行轉(zhuǎn)矩的傳遞，可實(shí)現(xiàn)空載啟動，輸入功率因數(shù)基本等同于電機(jī)，支持頻繁啟停，軸對中容忍誤差大，可以達(dá)到5mm。同時永磁調(diào)速系統(tǒng)減震性能好，無須防護(hù)措施（防雷、防塵、防燃等），容易查找故障，維護(hù)時間極短，相比變頻調(diào)速以及液力耦合調(diào)速性能更優(yōu)。

3.永磁調(diào)速改造的應(yīng)用

為討論永磁調(diào)速器在離心式水泵中的實(shí)際應(yīng)用，本文以某熱電廠熱網(wǎng)循環(huán)水泵改造為例進(jìn)行分析。該電廠熱力站內(nèi)配置4臺加熱器，5臺熱網(wǎng)循環(huán)水泵，設(shè)計最大供水流量8000t/h。其熱網(wǎng)循環(huán)水泵主要特性如下：揚(yáng)程為1.78MPa，流量1943t/h，轉(zhuǎn)速1480r/min，配用電機(jī)功率1400kW。

熱電廠熱網(wǎng)循環(huán)水泵要求最大振動雙振幅極限值應(yīng)不超過0.076mm，而某電廠采用的熱網(wǎng)循環(huán)水泵振動幅值超過標(biāo)準(zhǔn)限制，而且運(yùn)行中出口管路上電動閥門僅能打開40%左右，即熱網(wǎng)循環(huán)水泵提供的揚(yáng)程很大一部分消耗在了水泵出口閥的節(jié)流損失上，造成能源極大的浪費(fèi)，同時易發(fā)生泵軸承損壞事故。另外，出口閥門長期節(jié)流水流沖刷閥芯，會導(dǎo)致出口閥失去關(guān)斷功能，造成極大的安全隱患。因此需要進(jìn)行改進(jìn)。由于熱網(wǎng)系統(tǒng)循環(huán)水供水流量通常隨著環(huán)境溫度變化而改變，所以必須對泵的流量進(jìn)行實(shí)時控制。由于運(yùn)行工藝要求，操作人員需要不定時對閥門開度進(jìn)行調(diào)節(jié)，進(jìn)而控制水泵流量。。

為了更好地達(dá)到節(jié)能降耗的目標(biāo)，對本電廠#4泵進(jìn)行永磁調(diào)速改進(jìn)。改造過程中根據(jù)設(shè)計圖紙進(jìn)行基礎(chǔ)重建，改造以后總投資約為54萬元。按照圖紙設(shè)計尺寸，適當(dāng)增大了電動機(jī)與泵之間的距離，進(jìn)而為永磁調(diào)速裝置的驅(qū)動器騰出空間。完成了設(shè)備安裝以后，然后進(jìn)行DCS組態(tài)與安裝調(diào)試，檢驗工業(yè)噪聲值。改造過程中，保持分散控制系統(tǒng)的模擬信號、開關(guān)量信號不改變。

改造以后，永磁調(diào)速器系統(tǒng)可以通過采集溫度、水泵轉(zhuǎn)速等信號，進(jìn)行供水量以及供水壓力的控制。將永磁調(diào)速技術(shù)應(yīng)用于離心式水泵之后，水泵出口壓力顯著降低，并且節(jié)流損失減少。永磁調(diào)速改造以后，銅盤和永磁盤之間的氣隙最大情況下，穩(wěn)定輸出轉(zhuǎn)速是392r/min；氣隙最小情況下，穩(wěn)定輸出轉(zhuǎn)速是1410r/min。當(dāng)實(shí)現(xiàn)0～100%調(diào)節(jié)時，轉(zhuǎn)速變化時間大約為60s，轉(zhuǎn)速、功率以及壓力曲線正確，滿足比例定律。

3.1節(jié)能效果分析

實(shí)現(xiàn)永磁調(diào)速器改造之后，借助于電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)對導(dǎo)體轉(zhuǎn)子與永磁轉(zhuǎn)子之間的嚙合面積百分比進(jìn)行控制，從而調(diào)節(jié)水泵壓力與輸入電流。在運(yùn)行電流明顯減小。電機(jī)改造后電流下降了50A左右，平均每小時節(jié)電400kWh以上，整個供熱期6個月，可節(jié)電172萬kWh，按上網(wǎng)電價0.31元/kWh計算，年效益53.32萬元。相比改造以前，永磁調(diào)速器改造消除節(jié)流損失，節(jié)電率達(dá)到了40%以上，并且在一個供熱期內(nèi)回收投資成本。

3.2減振效果分析

實(shí)現(xiàn)永磁調(diào)速器改造后，原離心式水泵振動情況得到改善。改造以前，水泵與電動機(jī)之間通過聯(lián)軸器連接在一起，盡管在安裝過程中全程使用激光進(jìn)行對中，保證一定的對中精度，然而振動問題是難以避免的，振動值大于0.2mm，導(dǎo)致密封元件與軸承容易受到損壞。完成了永磁調(diào)速器的改造以后，傳統(tǒng)扭矩傳遞方式發(fā)生變化，振動幅值直接降低80%左右，進(jìn)而使得整個系統(tǒng)可靠性大大提升。

結(jié)語

永磁調(diào)速技術(shù)是當(dāng)前較為先進(jìn)的電動機(jī)調(diào)速技術(shù)，有很強(qiáng)的節(jié)能效果，由于結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，得到越來越多的應(yīng)用。雖然現(xiàn)階段依然存在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)響應(yīng)遲滯、高轉(zhuǎn)差效率低等問題，但是隨著永磁調(diào)速技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，它的優(yōu)勢將更加明顯，在離心式水泵中應(yīng)用前景廣闊。

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