110kW溫排水升壓泵永磁調速節能改造

尹恒 陳宇

摘? 要：某電廠110kW/1480rpm溫排水升壓泵，實際運行中，由于工藝上對水量的需求遠低于設計值，只能通過關小閥門的方式進行節流，但此種運行方式，導致大量的能耗浪費在閥門擋板上;同時由于管網曲線改變，使得系統處于非經濟運行區間，設備整體能耗偏高。而且，因現場設備未加任何調速裝置，目前的馬達直接啟動，水泵全速運行，存在能耗嚴重、啟動電流較大、檢修維護工作量大及比較難啟動等問題。為了解決這些問題，某電廠采用沃弗永磁調速器替代原有的聯軸器，把原來的硬聯接改為非接觸性的軟聯接，解決安裝對心問題，減少設備振動，提高電機與負載的可靠性，減少設備維護，并能降低負載的轉速，達到降速節能的目的。采用永調速改造后，可開環運行手動調節，也可根據液位進行自動調節，避免設備的頻繁啟動，減少補水量，節能電能。

關鍵詞：永磁調速器;節能原理;改造方案

中圖分類號：TM56? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）35-0070-03

Abstract： In the actual operation of the 110kw/1480rpm thermal drainage booster pump in a power plant， because the demand for water in the process is far lower than the design value， it can only be throttled by turning off the valve， but this operation mode leads to a large amount of energy consumption wasted on the valve baffle; at the same time， due to the change of the pipe network curve， the system is in the non-economic operation zone， and the overall energy consumption of the equipment is on the high side. Moreover， because the field equipment does not add any speed regulation device， the current motor starts directly and the water pump runs at full speed， which has some problems， such as serious energy consumption， large starting current， heavy workload of maintenance and difficult to start and so on. In order to solve such problems， a power plant uses W-F permanent magnet governor to replace the original coupling， changing the original hard connection to a non-contact soft connection， solving the problem of installation centering， reducing equipment vibration， and improving the reliability of motor and load， so as to reduce equipment maintenance and the speed of the load to achieve the purpose of speed reduction and energy saving. After the transformation of permanent speed regulation， the open-loop operation can be adjusted manually or automatically according to the liquid level， in order to avoid frequent start-up of equipment， reduce water supply and save electric energy.

Keywords： permanent magnet governor; energy saving principle; transformation scheme

引言

隨著我國經濟的飛速發展和建立環境友好型、資源節約型社會目標的提出，越來越多的企業對機電設備的節能技術管理越來越重視關注[1-4]。

目前，大功率高壓異步電動機的主要調速方式有以下3種：液力耦合器調速、變頻調速和永磁傳動與調速器調速等[5-7]。它們的特點如表1所示。

經過各方面的綜合考慮，最后選用了當前最先進可靠的永磁傳動與調速器調速方式。

1 系統構成與工作原理

永磁調速器如圖1所示是對電動機負載轉速的調節是通過銅導體和永磁體之間的氣隙實現的，其工作原理是一端稀有金屬氧化物硼鐵釹永磁體和另一端感應磁場相互作用產生轉矩，通過調節永磁體和導體之間的氣隙就可以控制傳遞的轉矩，從而實現負載速度調節，永磁調速器的特點如表2所示。

永磁調速器由三個部件組成;沃弗永磁調速器由3部分組成：主動轉子-與電機相連;從動轉子-與負載相連;機械調速機構-調整氣隙的機構

永磁調速器控制系統流程圖如圖2所示，永磁調速器WF可響應于過程信號。壓力、流量、液位或其它過程控制信號被控制系統接收和處理，然后提供到WF的執行器。該執行器調整氣隙，從而調整負載速度以滿足控制要求。

流量/壓力/溫度傳感器檢測負載受控制量通過邏輯控制器PLC將檢測量通過PID調節，變成4～20mA信號驅動角度執行機構，推動WF的氣隙調節動作;人機界面用于客戶設定負載輸出量的界面，整個控制系統為全自動，當自動系統故障時，可通過執行器手動調節氣隙，也可通過人機界面或PLC實現遠程遙控或直接由中央控制系統（DCS）進行遠程遙控。

2 節能原理

在實際工程建設過程中，通常需要按系統的最大出力來配備風機、水泵系統，從而滿足設備的輸出要求，通過閥門或風門板流量控制元件來實現對流量和壓力調節，以滿足生產過程的需要。

風機、水泵系統的效率與電機效率、調節流量或轉速或壓力控制設備的效率、風機、水泵效率、輸送管道的效率的乘積成正比。

采用永磁調速器，可利用對氣隙的調節從而達到對流量或壓力的連續控制目的，在電機轉速不變的情況下，調節風機、水泵的轉速。

風機水泵等離心負載符合相似定律：

Q1/Q2=n1/n2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

H1/H2=（n1/n2）2? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

P1/P3=（n1/n2）3? ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

T1/T2=（n1/n2）2? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（4）

電機輸出功率P=T×n? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （5）

所以電機輸出功率P1/P2=（n1/n2）2? ? ? ? ? ?（6）

Q-流量;n-轉速;H-壓力;P-負載功率;T-負載扭矩。

必須指出：節能效果主要取決于風機水泵系統實際持續運行的工況。合理的工作點設置是系統節能設計的基點。

水泵風機在運行時，其運行特性曲線（n：水泵性能曲線;R：管網特性曲線）如圖3所示，其工作點是風機H-Q曲線與管網H-Q曲線的交點。水泵的正常工作點為A，當水量需要從Q1調到Q2時，采用閥門調節時，管網特性曲線由R1改變為R2，其工作點A調至B點，其功率為O-Q2? B-H'2所圍成的面積，其功率變化很小，而其效率卻隨之降低。

采用調速調節時，可按需要調整電機轉速，改變設備的性能曲線，圖中n1到n2，其工作點A調至C點，使其參數滿足工藝要求，其功率為O-Q2 C-H2所圍成的面積，同時其效率曲線也隨之平移，依然工作在高效區。由于功率隨轉速3次方變化，故節能效果顯著。

3 項目節電率測試方法

（1）根據相關標準《水泵機組與管網系統節能監測》（GBT 15913-2009）中的相關規定，結算用的電量表要求精度等級為0.5級，并且需要有檢定資質的部門出具的檢定合格證書。

（2）改造前對先在泵機進線端各自安裝或使用現有表具。符合上述要求的三相有功電度表，對系統的運行電耗進行確認。系統運行能耗以單位時間的功耗作為計量依據，雙方對改造前系統的單位耗電量進行確認，依據現場電表及臺賬記錄分別統計系統運行一定周期內單臺泵機所消耗的電量總和？撞P和系統運行時間？撞T，按以下公式計算出單臺泵機的單位小時耗電量？姿1，作為改造前的能耗基準值。

泵機規定時間內系統消耗總電量（kWh）;？撞T-系統運行計量的規定時間（h）;？姿1-系統單位時間的運行能耗（kWh/h）

改造工程完成后，使用原表對系統電耗進行統計，同時通過計時器統計系統運行時間，按上述公式計算出改造后泵機的單位小時耗電量2，從而得出改造前后泵機單位小時的節能量為：

可以得出系統當期節能量=？駐？姿1×當期運行時間。

4 改造描述

對于110kW/1480rpm水泵，選用沃弗永磁調速器WF-TM470空冷型永磁調速器，取代原有的聯軸器，安裝于電機和負載之間。

無需復雜的配套設施，只需給定4～20mA信號，調節負載的轉速，達到自動調節流量、壓力和功耗的目的，相當于一個自控閥門的程序控制即可。既減少了整機的維護，又調速節能，而且控制非常簡單可靠。

同時考慮到緊急情況，可現場設置就地操作箱，可就地操作。

安裝改造：

沃弗永磁調速器的安裝方式簡單，工程量小，它是取代原有的聯軸器，安裝在電機與負載之間的。為了安裝永磁調速器，我們只需將電機與負載拆開，拆掉原有的聯軸器，用永磁調速器替代即可，改造方案的示意圖如圖4所示。

5 節能分析

五年投資回報分析：

初始購置及安裝成本高壓變頻器較永磁調速器高 11.5萬人民幣（若扣除更換電機費用， 則永磁調速器較高壓變頻器高6.5萬人民幣），操作、運行及維護成本高壓變頻器較永磁調速器高12.8萬人民幣/年，以每年節電率 30%計算，每年約節費36萬，統計首年投入與五年回報數據如表3所示。

改造前電機的實際消率：180/198.7*110=99.6kW，在實際運行中，閥門的開度為13%，流量為400t/h。

根據離心式設備的特性，若只考慮流量，則改造前后的轉速比為0.4，考慮到轉速下降后，壓力隨之改變，若壓力太低，難以保證供水的要求。因此，綜合保守考量，保守計算，此處轉速比取為0.85。

采用沃弗永磁調速器改造后：

改造后電機功耗=100×0.9^2/0.97=83.5kW

式中：0.97-永磁調速器效率

100-水泵軸功率

節能率=（99.6-83.5）/ 99.6=16.2%

6 結論

某電廠采用沃弗永磁調速器替代原有的聯軸器，把原來的硬聯接改為非接觸性的軟聯接，解決安裝對心問題，減少設備振動，提高電機與負載的可靠性，減少設備維護，并能降低負載的轉速，達到降速節能的目的。采用永調速改造后，可開環運行手動調節，也可根據液位進行自動調節，避免設備的頻繁啟動，減少補水量，節能電能。

參考文獻：

[1]王秀和.異步起動永磁同步電動機-理論，設計與測試[M].北京：機械工業出版社，2009.

[2]王兵樹，張軍偉，林永軍，等.斬波串級調速系統諧波分析及電流振蕩[J].中國電力，2011（1）：22-27.

[3]中華人民共和國工業和信息化部.國家重點推廣的電機節能先進技術目錄（第一批）[J].中國設備工程，2014（8）：71-72.

[4]漆復興.2500kW繞組式永磁耦合調速器的設計特點與實際應用[J].電氣技術，2020（5）：72-75.

[5]魏波.裂解爐引風機永磁調速控制改造[J].齊魯石油化工，2018，46（4）：294-296.

[6]劉巖，高慶忠，王森，等.新型混合式高效永磁調速器溫度場仿真與分析[J].微特電機，2018，46（02）：69-72+75.

[7]郭嘉成，王森，趙陽陽，等.電動飛機主推進永磁同步電動機振動特性研究[J].微特電機，2016，44（11）：37-39+50.