煉廠機泵永磁調速裝置的運行與改造

袁 亮，韓會亮，李智國

（中國石化塔河煉化有限責任公司，新疆阿克蘇 842000）

0 引言

塔河煉化公司設置有兩條中壓除氧水管網，其中1＃裝置中壓除氧水系統主要由45 t/h 鍋爐配套的3 臺中壓除氧水泵供給，2＃裝置中壓除氧水系統主要由90 t/h 鍋爐配套的3 臺中壓除氧水泵供給，2套裝置中壓除氧水管網設置有聯通線，可以實現互聯互通。除氧器為旋膜式熱力除氧器，除鹽水經過除氧器加熱除氧后再經中壓除氧水泵增壓至5.4 MPa以上，然后送至全廠中壓除氧水管網，其中以主要介質供至鍋爐裝置用于汽包生產蒸汽；以次要介質供至焦化、硫磺、加制氫、異構化和連續重整等煉油裝置用于產汽和注水［1]。全廠設置有6 臺中壓除氧水泵，中壓除氧水泵為臥式多級離心泵，設計流量65 ～120 m3/h 不等，揚程560 ～640 m 不等，轉速2950 r/min。配套電機額定功率220 ～400 kW，額定電壓10 kV，額定轉速2980 r/min。由于生產負荷和季節因素影響，夏季生產時裝置中壓除氧水平均用量在150 ～170 t/h，需要至少同時運行2 臺中壓給水泵，冬季生產裝置中壓除氧水平均用量在180 ～210 t/h，需要至少同時運行3 臺中壓給水泵，年耗電量約為550 萬kW·h。除氧水泵電機設計上存在裕量較大，現使用的調整方式為泵出口再循環線調節，電動機的轉速不變，將再循環閥的開度變大，形成分壓此時阻力特性發生變化，主路線阻力降減小，流量變小，揚程基本不變，電動機的軸功率也沒有明顯變化，能源被白白地浪費掉了［2]。同時用調節閥調節流量，不容易找到泵的最佳運行點，調節流量很不方便，增加能耗且依靠閥門截流控制管網運行壓力，長時間沖刷閥門，造成閥門內漏嚴重、更換頻次增加，增加檢維修費用和工作量。因此，通過加裝永磁調速裝置是實現除氧水泵轉速隨系統負荷的自動調節，達到節能降耗、減小振動和減小啟動沖擊的重要途徑。

1 中壓除氧水泵節能改造

中壓除氧水泵P101C泵型號DGBⅢ150-100X6，設計揚程630 m，設計流量120 m3/h，轉速2950 r/min，軸功率294 kW，配套電機額定功率220 ～400 kW，額定電壓10 kV，額定電流28.7 A，通過泵出口再循環閥控制管網壓力，節能降耗空間較大。為中壓除氧水泵P101C 電機增設永磁調速設施，即將電機和泵之間的聯軸器改為永磁調速器。根據管網用除氧水量變化情況，通過降低給水泵轉速，調整平衡除氧水管網壓力，減少除氧水泵出口再循環回流流量，從而達到節能效果。

1.1 永磁調速器組成、工作原理

永磁調速器由導體轉子、永磁轉子和調節器3 部分組成［3]。永磁轉子在導體轉子內，兩者無連接，其間由空氣隙分開，并隨各自安裝的旋轉軸獨立轉動；調節器調節永磁轉子與導體轉子在軸線方向的相對位置，以改變導體轉子與永磁轉子之間的嚙合面積，實現改變導體轉子與永磁轉子之間傳遞轉矩的大小。導體轉子安裝在輸入軸上，永磁轉子安裝在輸出軸上，當導體轉子轉動時，導體轉子與永磁轉子產生相對運動，永磁場在導體轉子上產生渦流，同時渦流又產生感應磁場與永磁場相互作用，從而帶動永磁轉子沿與導體轉子相同的方向轉動，結果是將輸入軸的轉矩傳遞到輸出軸上；輸出轉矩的大小與嚙合面積相關，嚙合面積越大，扭矩越大，反之亦然。永磁轉子在調節器作用下，沿軸向往返移動時，永磁轉子與導體轉子之間的嚙合面積發生變化。嚙合面積大，傳遞的扭矩大，負載轉速高；嚙合面積小，傳遞的扭矩小，負載轉速低；嚙合面積為零，傳遞扭矩為零，永磁轉子與導體轉子完全脫開，永磁轉子轉速為零，負載轉速也為零［4-6]，如圖1所示。

圖1 永磁調速裝置結構圖

1.2 永磁調速器調節系統

通常永磁調速系統由永磁調速器、電動執行機構、轉速變送器、溫度變送器、控制信號源、就地顯示控制箱、遠程控制系統、電纜等設備集成。永磁調速器安裝在電機和負載之間，傳遞扭矩，通過永磁調速器的調節機構實現導體轉子與永磁轉子之間的磁場嚙合面積改變，從而實現負載轉速變化。嚙合面積大，通過永磁調速器傳遞的扭矩就大，負載轉速高；嚙合面積小，通過永磁調速器傳遞的扭矩就小，負載轉速低。

圖2 永磁調速裝置控制原理圖

控制信號源則為工藝需要的控制對象，對于泵系統而言可能是管網壓力、流量、或者液位，而對于水泵而言則可能是壓力、流量等其他工藝需要的一些參數，因此控制信號源可能為壓力信號、流量信號、液位信號等等。通常而言信號為4 ～20 mA的電流信號［7]。永磁裝置收到來自DCS 系統的控制信號后，執行機構改變永磁體和導體之間的氣隙，從而改變負載端水泵轉速，達到調速節能目的，如圖2 所示。

1.3 永磁調速改造方案

拆除中壓除氧水泵P101C 原設備、底座及基礎（鋼筋砼基礎），根據除氧水泵和電機中間安裝永磁調速后情況，新建設備底座和基礎（鋼筋砼基礎），將除氧水泵、配套電機和永磁調速設施安裝到新建的底座和基礎上。新增永磁調速器儀表信號利用DCS系統新增通道進行組態調試。新增回路信號電纜先穿管就近敷設至原設計儀表電纜槽盒、再沿槽盒進DCS 系統機柜間。永磁調速系統的電動執行機構接受DCS系統4 ～20 mADC控制信號，調節永磁調速設備的磁體嚙合面積，實現負載的轉速調節；當自動系統故障時，通過執行器手動調節。軸承溫度測量點1?！?＃的4 ～20 mADC信號輸出至DCS，紅外測溫儀實時輸出4 ～20 mADC 溫度信號至DCS，測速變送器實時輸出4 ～20 mADC速度信號至DCS以供監測；永磁調速系統的電動執行機構的開度反饋信號遠傳至DCS系統實時監測。

2 永磁調速裝置運行監控

2.1 啟動過程

空載啟動。在啟動時，將永磁調速器的導體轉子與永磁轉子之間的磁場嚙合面積變得最小，從而將電機與負載完全脫開，實現零負載啟動；電機啟動后，再慢慢增加導體轉子與永磁轉子之間的作用面積，使負載逐漸加速，因此整個啟動過程平穩，沖擊小。即檢查水泵出口閥門已經關閉和電動執行器行程在0%全脫開狀態，啟動電機至穩定運轉，然后調節電動執行器行程至100%全耦合，再慢慢開啟出口閥門至全開，待水泵運轉速度穩定后再根據現場實際工況進行調節行程。

2.2 停機過程

關閉水泵出口閥門，然后關閉電機電源，待電機完全停止后再將執行器行程調節0%全脫開。

2.3 導體轉子溫度檢測

正常工作溫度小于或等于120 ℃，上限報警溫度130 ℃，上限停機溫度140 ℃。當溫度達130 ℃時，開始報警，此時應及時查看現場有無異響和摩擦，若現場無異常，往100%全耦合方向調節執行器3%～5%行程，運行10 min 后觀察導體溫度是否有下降趨勢，溫度是否恢復到小于或等于120 ℃，若溫度有下降，但未恢復到120 ℃以下，繼續調節行器3%～5%行程，直至溫度小于或等于120 ℃；若溫度無下降，應考慮倒換備用水泵，進行停機檢查。當溫度達140 ℃，要求倒換備用水泵，進行停機檢查。

2.4 軸承溫度檢測

正常工作溫度小于或等于100 ℃，上限報警溫度110 ℃。當溫度達110 ℃時，開始報警，此時應及時查看現場，是否缺少潤滑脂，若缺少潤滑脂，及時添加后運行1 h，看軸承溫度是否有下降到小于或等于100 ℃，如軸承溫度不下降應考慮倒換備用水泵，進行停機檢查。

3 除氧水泵節能對比

P101C 除氧水泵永磁改造完畢后，機泵完成了在90%、80%、70%、60%、50%負荷工況下的節能效果性能測試。除氧水泵永磁改造效益分析結果如表1 所示。

表1 改造前后除氧水泵節能分析

改造后除氧水泵平均節電率為17.5%，在實際應用在該泵長期處于70%的負荷中，按該點的平均節能率18.96%，根據P=31/2ηUI。其中η 為效率，機泵銘牌值為75%；U 為電壓，機泵銘牌值為10 kV；I為電流。

永磁調速改造前，除氧水泵流量為86 m3/h時，電動機的運行電流約為21.1A，實際功耗P1=274.1 kW。永磁調速改造后，除氧水泵流量為86 m3/h時，電動機的運行電流約為17.1 A，實際功耗P2=222.1 kW。

按年運行8000 h，電費按0.38 元/kW·h計算，年節約電能Q=（P1-P2）×8000 h =415680 kW·h。年節約電費：415680 kW·h ×0.38元/kW·h=15.8萬元。外加除氧水泵再循環閥門等每年維護費用以2 萬元計，年節約總費用17.8萬元，永磁調速器實際改造費用65.23 萬元（含施工等費用），預計3.67年收回成本，節能效果明顯。

4 問題及改進

4.1 存在問題

自2017年運行至今永磁調速泵主要凸顯出一個問題，在理論上來講永磁調速裝置完全依靠氣隙傳遞轉矩，電機軸和泵軸沒有任何剛性物理連接，減低振動80%以上；同時減少電機和泵的轉動部件的磨損［8]。在改造后經常會在每年3-5月份永磁端出現一些不同程度上的振動偏大問題以及永磁端溫度偏高問題，如表2 所示，而且此項問題也是在每年3-5月份一個必然發生性問題。

表2 改造前后除氧水泵永磁端振幅、溫度分析

4.2 問題改進

在運行比較中發現環境溫度對永磁端出現的振動偏大問題以及永磁端溫度偏高問題影響較小，幾乎可以忽略不計；環境整潔度對永磁端出現的振動偏大問題以及永磁端溫度偏高問題影響較大。塔河煉化位于新疆庫車，在每年3-5月份會出現風沙、浮沉天氣，由于永磁端兩轉子直接暴露在空氣中冷卻防護罩具有散熱孔風沙、浮沉天氣部分砂礫難免會進入其中使砂礫在其中摩擦。在以后的運行中或設備停用時，定期采用凈化風吹掃，清除雜質，提高整潔度，起到安全、平穩運行效果。

5 結束語

中壓除氧水泵P101C永磁調速改造前通過泵出口再循環控制壓力，導致大量能量損失和增加檢維修工作。通過在中壓除氧水泵電機和泵之間安裝永磁調速設施，利用永磁調速設施調節轉速控制管網運行壓力，消除再循環，達到了降低電耗、節能的目的。但改造施工、實際使用過程中出現的一些問題說明，在前期各方面需要做好細致的工作，對不同的機組選擇不同類型的永磁調速裝置和不同安裝方式，同時考慮地域環境因素，以及被改造設備應選擇調節較少、調節精度要求不高的設備，如循環水水泵等［9]，以減少對工藝操作的影響，實現設備長周期安穩節能高效運行。