基于永磁渦流技術的離心泵調(diào)速系統(tǒng)節(jié)能分析

朱明亮

（1.煤科集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；2.煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧 撫順 113122）

離心泵廣泛應用于我國工業(yè)生產(chǎn)各領域，是電能消耗的主流裝備。據(jù)統(tǒng)計，離心泵類電能消耗占全國電能消耗10%以上，各類離心泵占石油、煤炭等領域的全廠耗電的40%以上，這些離心泵類設備有1/3是老舊雜設備，運行效率低。在國家為了緩解能源緊缺，提倡工業(yè)領域節(jié)能減排政策引導下，對離心泵進行節(jié)能改造顯得格外重要[1]。

離心泵最大特點是負載轉矩與轉速的平方成正比，軸功率與轉速的立方成正比，如將離心泵的定速運轉改為根據(jù)需要的流量來調(diào)節(jié)離心泵的轉速就可節(jié)約大量的電能[2]。因此，工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場急需可精確調(diào)速的傳動系統(tǒng)，能通過控制離心泵轉速實現(xiàn)目標流量、壓力輸出，取代原有應用閥門等粗獷的流量調(diào)節(jié)方式，達到節(jié)能目的。

離心泵調(diào)速系統(tǒng)大多應用變頻器、調(diào)速型液力偶合器等裝置進行調(diào)速[3-4]。永磁渦流調(diào)速是一種新型的以磁場為介質(zhì)的非接觸式傳動技術，對比變頻器，屬于純機械式設備，本身不耗電，占地空間小，運行不產(chǎn)生諧波干擾；對比液力偶合器，以磁場為介質(zhì)，結構簡單可靠，傳動效率高，后期運行維護量小，逐漸在我國石油、石化及煤炭領域得到廣泛應用[5]。但永磁渦流調(diào)速技術應用于離心泵的節(jié)能計算方法與理論分析尚未成熟，無統(tǒng)一理論，基于此，文章綜合分析離心泵及永磁渦流調(diào)速特性，提出一種節(jié)能計算方法，搭建試驗平臺驗證理論分析的有效性，為基于永磁渦流技術的離心泵調(diào)速系統(tǒng)選型及節(jié)能分析提供理論支持。

1 離心泵的調(diào)節(jié)

依據(jù)離心泵工作原理，離心泵在某些管路系統(tǒng)中工作時的運轉工況點是離心泵的特性曲線與裝置管網(wǎng)特性曲線的交點[6]。一般現(xiàn)場泵的工況是變化的，如果現(xiàn)場所需供應流量發(fā)生變化時，需要通過一定的手段對流量進行調(diào)節(jié)，主要的調(diào)節(jié)手段有閥門調(diào)節(jié)和泵工作轉速的調(diào)節(jié)兩種。

1.1 比例定律

離心泵的比例定律是調(diào)速節(jié)能的重要理論依據(jù)。應用轉速調(diào)節(jié)泵流量時，如果只關注流量與轉速之間的比例關系而確定需調(diào)節(jié)的轉速往往會與實際工況不符，需要考慮泵是否存在靜壓差。如果靜壓差存在，則泵需要克服靜壓差再去工作，此時泵調(diào)節(jié)后所需轉速就不能按照比例定律計算。下文提供兩種情況下泵所需調(diào)節(jié)轉速的計算方法。

（1）當靜壓差為零時的比例定律計算。依據(jù)離心泵管網(wǎng)特性曲線可知，當靜壓差為零時，管路性能曲線是一條通過坐標原點的二次拋物線，離心泵流量、揚程及轉速計算滿足比例定律。假定轉速改變后，葉輪出口速度三角形、泵的效率近似保持不變，則可得到泵的運行轉速與流量Q、揚程H和軸功率P之間的關系式，如圖1所示。

圖1 靜壓差為零時離心泵管網(wǎng)特性曲線

根據(jù)圖1所示，工作點由A到B，流量由Q1減小到Q2時，通過調(diào)節(jié)泵的轉速即可實現(xiàn)，按照比例定律計算如下：

式中：n1、n2為調(diào)節(jié)前、調(diào)節(jié)后泵轉速；Q1、Q2為調(diào)節(jié)前、調(diào)節(jié)后泵流量；P1、P2為調(diào)節(jié)前、調(diào)節(jié)后泵軸功率。

（2）當靜壓差非零時的比例定律計算。當靜壓差不等于零時，離心泵管網(wǎng)特性曲線如圖2所示。調(diào)節(jié)到圖2所示的工作點B時，就不是泵特性曲線，直接調(diào)節(jié)至B點，泵需要克服靜壓差再去工作，原有工況點A與調(diào)節(jié)后工況點B不是相似工況點，二者之間的轉速、流量和揚程不滿足比例定律，不能用上述的比例定律直接求出。計算泵的工作轉速計算方法如下：

計算泵的工作轉速需利用泵的額定轉速情況下的特性曲線，根據(jù)實際工況點B，在圖中做出經(jīng)過點B（Q2，H2）及原點的相似拋物線。該拋物線與額定工況特性曲線相交與C點，C點即為工況點B的相似工況點，得出C點對應的流量Q2’，C點與B點滿足相似定律，計算得出：

圖2 靜壓差非零時離心泵管網(wǎng)特性曲線

式中：Q2’為調(diào)節(jié)后依據(jù)相似工況點所得泵流量。

1.2 調(diào)速節(jié)能分析

依據(jù)上述比例定律，當通過改變泵工作轉速的方式來調(diào)節(jié)流量，轉速下降時，所需軸功率會大幅度下降，調(diào)速節(jié)能分析如圖3所示。

圖3 轉速調(diào)節(jié)節(jié)能分析

如圖3所示，假設泵在n1轉速下運行時，通過調(diào)節(jié)閥的開度來調(diào)節(jié)流量，即流量由Q1變化到Q2時，減小閥的開度，管網(wǎng)特性曲線變陡，由k1變化為k2，使得與泵特性曲線的交點由A點變?yōu)锽點，根據(jù)泵本身的性能曲線，需要的軸功率相應減小。當依靠改變泵轉速來達到相同的流量Q2時，需要將轉速降低至n2，使泵的工作點位于上圖所示的C點，此時泵的軸功率大幅度下降，節(jié)能量為H1BCH3所圍成的面積。由此可知，通過轉速調(diào)節(jié)改變泵的運行參數(shù)，節(jié)能效果明顯。

2 基于永磁渦流技術的離心泵調(diào)速系統(tǒng)節(jié)能分析與計算

2.1 離心泵永磁渦流調(diào)速系統(tǒng)節(jié)能原理

永磁渦流調(diào)速裝置基本結構原理如圖4所示。其主要由銅轉子、永磁轉子、調(diào)速機構和電動執(zhí)行機構組成，電機驅動銅轉子旋轉切割永磁體磁場產(chǎn)生感應渦流，渦流磁場與永磁磁場耦合后帶動負載端旋轉，實現(xiàn)非接觸式傳遞[7]。由于永磁轉子滯后于銅轉子運行，因此，永磁渦流調(diào)速裝置輸入與輸出轉速存在轉速差，屬于異步傳動，需要調(diào)速時電動執(zhí)行機構接收控制系統(tǒng)調(diào)速指令驅動調(diào)速機構運行，改變裝置內(nèi)部銅盤與磁盤之間氣隙進而改變離心泵與永磁裝置工作點，即可滿足負載對不同輸出扭矩的需求，達到調(diào)速目的。

圖4 永磁調(diào)速裝置基本原理圖

2.2 離心泵永磁渦流調(diào)速系統(tǒng)節(jié)能計算

根據(jù)永磁渦流調(diào)速原理可知，傳動系統(tǒng)運行時電機轉速不變，通過氣隙的改變來調(diào)節(jié)泵的轉速，依據(jù)上述泵的相似定律，通過永磁調(diào)速來調(diào)節(jié)流量時電機實際輸出功率，計算如下：

式中：P1、P2為調(diào)節(jié)前、后泵軸功率；n1、n2為調(diào)節(jié)前、后泵轉速；nd為電機轉速；Pd1、Pd2為調(diào)節(jié)前、后電機輸出功率；η為磁力偶合器機械效率。

根據(jù)相似定律可得：

以永磁調(diào)速前離心泵處于額定狀態(tài)為基準，即n1=n，P1=P，可得永磁調(diào)速后電機輸出功率：

式中：P為泵額定軸功率；n為泵額定轉速；η1為永磁調(diào)速裝置額定轉速比；η·η1為永磁調(diào)速裝置額定傳遞效率，取95%～97%；n2靜壓差為零時由公式（1）計算，靜壓差非零時由公式（2）計算。

閥門調(diào)節(jié)時電機輸出功率計算如下：

式中：Pf為閥門調(diào)節(jié)電機輸出功率；If為閥門調(diào)節(jié)電機運行電流；I為電機額定運行電流；Pd為電機額定功率。

依據(jù)公式（6）（7）對比永磁調(diào)速與閥門調(diào)節(jié)電機實際輸出功率，可得理論節(jié)能率：

依據(jù)上述計算公式可以理論推算出應用永磁調(diào)速技術對泵進行調(diào)節(jié)相對閥門調(diào)節(jié)的節(jié)能率，計算時需結合應用具體工況及離心泵運行特性。

3 試驗結果分析

為驗證離心泵永磁渦流調(diào)速系統(tǒng)相對于閥門調(diào)節(jié)的節(jié)能效果以及文章所提出的計算方法，將電機（額定功率11kW，額定轉速1485rpm，額定電流22.4A）、永磁調(diào)速裝置、離心式清水泵（額定軸功率7.5kW，額定流量40m3/h，揚程26m，轉速1450rpm）、電動閥門、流量計及相關檢測裝置組裝到一起，設計水箱等輸水管路用于模擬供水管網(wǎng)，供水系統(tǒng)中存在靜壓差，試驗平臺搭建示意如圖5所示。

圖5 離心泵永磁調(diào)速系統(tǒng)試驗臺

試驗臺能夠模擬兩種工況。（1）閥門調(diào)節(jié)工況：永磁調(diào)速裝置處于額定運行狀態(tài)（100%開度），利用閥門調(diào)節(jié)至所需流量；（2）永磁調(diào)速調(diào)節(jié)工況：閥門全開，利用電動執(zhí)行機構調(diào)節(jié)永磁裝置內(nèi)部氣隙來調(diào)節(jié)離心泵轉速，調(diào)節(jié)至所需流量。電動閥門、流量計、電動執(zhí)行器及轉速傳感器與PLC控制系統(tǒng)連接，實現(xiàn)兩種工況條件下流量的閉環(huán)控制。

分別選取3種流量調(diào)節(jié)工況點，對閥門及永磁調(diào)速兩種調(diào)節(jié)方式進行對比，由于存在靜壓差，根據(jù)廠家提供離心泵管網(wǎng)特性曲線結合實際調(diào)節(jié)流量，繪制相似拋物線找出相似工況點，結合離心泵額定軸功率及額定流量，依據(jù)公式（2）（6）（7）（8）計算永磁調(diào)速后電機輸出功率得出理論節(jié)能率，通過采集電機實際運行電流，對比理論與實際節(jié)能率，如表1所示。

表1 閥門與永磁調(diào)節(jié)節(jié)能率對比

經(jīng)過反復試驗多工況點采集數(shù)據(jù)，永磁調(diào)速相對于閥門調(diào)節(jié)平均節(jié)能率可達30%左右，流量調(diào)節(jié)空間越大節(jié)能效果愈加顯著。按照文章所提出計算方法計算，理論節(jié)電率與實際相差在14%以內(nèi)，偏差較小。需要特別注意的是，如果忽略離心泵運行時存在的靜壓差來節(jié)能計算時，計算結果與實際相差很大，節(jié)能計算沒有參考價值，節(jié)能計算必須結合實際工況及泵性能特性曲線進行計算。

4 結束語

文章結合離心泵及永磁渦流調(diào)速特性，分析是否存在靜壓差前提條件下，提出離心泵永磁渦流調(diào)速系統(tǒng)節(jié)能計算方法，并與試驗數(shù)據(jù)進行比對，得出結論：（1）永磁渦流技術相對于閥門調(diào)節(jié)方式節(jié)能效果顯著，能夠替代傳統(tǒng)變頻及液力調(diào)速方式成為一種新形式離心泵節(jié)能方案；（2）基于永磁渦流技術的離心泵調(diào)速系統(tǒng)節(jié)能計算應結合工況，不能單純依靠比例定律計算，依據(jù)文章提出節(jié)能計算方法所得理論節(jié)能率與試驗數(shù)據(jù)偏差較小，計算方法可靠，能夠為離心泵用永磁渦流調(diào)速系統(tǒng)選型及節(jié)能計算提供理論支持。