永磁調(diào)速節(jié)能技術(shù)在大功率循環(huán)水泵上的應(yīng)用

王洪濱，劉文華，杜 江，王向東

(1.山東勝利發(fā)電廠，山東 東營 257087;2.南京艾凌節(jié)能技術(shù)有限公司，江蘇 南京 211122)

0 引言

電廠循環(huán)水泵系統(tǒng)由于水循環(huán)量大，所用電機(jī)一般為大功率電機(jī)，電耗巨大，約占廠用電的10%左右［1－2］;而且循環(huán)水泵一般為定速運(yùn)行，節(jié)流損失大，其效率卻很低，所以對(duì)循環(huán)水泵節(jié)能改造勢在必行，也是節(jié)能減排必須解決的問題。為提高水泵的運(yùn)行效率，需對(duì)水泵進(jìn)行變速調(diào)節(jié)提高水泵的調(diào)速性能。目前，水泵調(diào)速主要有變頻調(diào)速［3－5］、液力耦合調(diào)速［6－7］、永磁調(diào)速［8－9］三種。永磁調(diào)速驅(qū)動(dòng)技術(shù)是近年來國際上開發(fā)的一項(xiàng)突破性新技術(shù)［10］，專門針對(duì)風(fēng)機(jī)、泵類離心負(fù)載調(diào)速節(jié)能的適用技術(shù)，具有高效節(jié)能、高可靠性、無剛性連接傳遞扭矩、可在惡劣環(huán)境下應(yīng)用、極大減少整體系統(tǒng)振動(dòng)、減少系統(tǒng)維護(hù)和延長系統(tǒng)使用壽命等特點(diǎn)。尤其是其不產(chǎn)生高次諧波且低速下不造成電機(jī)發(fā)熱的優(yōu)良調(diào)速特性更使其成為風(fēng)機(jī)及泵類設(shè)備節(jié)能技術(shù)改造的首選。目前國內(nèi)水利、電力、石化等許多領(lǐng)域開始采用該項(xiàng)調(diào)速技術(shù)并取得了較好的效益［11－14］。但針對(duì)大功率水泵電機(jī)(≥1 000 kW)的調(diào)速應(yīng)用較少，有關(guān)節(jié)能效果的現(xiàn)場數(shù)據(jù)也較少。本文采用大功率永磁調(diào)速器對(duì)循環(huán)水泵的節(jié)能效果進(jìn)行試驗(yàn)研究，所采用產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)有別于美國MagnaDrive公司生產(chǎn)的盤狀永磁調(diào)速器，為新型的筒狀結(jié)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、調(diào)速范圍大等優(yōu)點(diǎn)。

1 系統(tǒng)概況

勝利發(fā)電廠熱網(wǎng)系統(tǒng)負(fù)責(zé)勝利油田基地的集中供暖，熱網(wǎng)系統(tǒng)采暖介質(zhì)為熱水，由循環(huán)水泵將加熱到130℃的熱水經(jīng)一級(jí)管網(wǎng)送至基地中心區(qū)域，在二級(jí)換熱站完成低溫水與高溫水的換熱，為各區(qū)域內(nèi)建筑物供暖。熱水由130℃降至65℃后返回勝利發(fā)電廠熱網(wǎng)首站，將做完功的65℃的回水加熱至130℃的高溫?zé)崴⑺椭炼?jí)換熱站。循環(huán)水系統(tǒng)的示意圖如圖1所示，采用母管制循環(huán)水系統(tǒng)，由7臺(tái)功率為1 000 kW和2臺(tái)功率為1 250 kW的循環(huán)水泵組成，經(jīng)5臺(tái)加熱器加熱后的熱水經(jīng)一級(jí)管網(wǎng)送至各二級(jí)換熱站。

熱網(wǎng)系統(tǒng)循環(huán)水供水流量會(huì)隨著季節(jié)和負(fù)荷的變化而變化，因此需要對(duì)泵的流量進(jìn)行有效控制。為了實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的目標(biāo)，在前期對(duì)2號(hào)水泵進(jìn)行變頻調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上，對(duì)5號(hào)泵進(jìn)行永磁調(diào)速改造，對(duì)改造后的節(jié)能效果進(jìn)行對(duì)比。所用循環(huán)泵流量為2 236 m3/h，揚(yáng)程130 m，配套電機(jī)功率1 000 kW，電壓6 000 V，定子電流116 A，轉(zhuǎn)速1 485 r/min。

圖1 熱網(wǎng)循環(huán)水系統(tǒng)組成圖

2 永磁調(diào)速技術(shù)原理

美國MagnaDrive公司生產(chǎn)的盤狀永磁調(diào)速器為氣隙調(diào)整式永磁調(diào)速器，本文所采用嚙合面調(diào)整式永磁調(diào)速器為新型的圓筒狀結(jié)構(gòu)，與氣隙式相比具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、調(diào)速范圍大等優(yōu)點(diǎn)。嚙合面調(diào)整式永磁調(diào)速器由筒形導(dǎo)體轉(zhuǎn)子、筒形永磁轉(zhuǎn)子、電動(dòng)調(diào)節(jié)器三部分組成，如圖2所示。其中筒形導(dǎo)體轉(zhuǎn)子安裝在電機(jī)側(cè)，與電機(jī)轉(zhuǎn)速一致;筒形永磁轉(zhuǎn)子安裝在負(fù)載側(cè)，位于筒形導(dǎo)體轉(zhuǎn)子內(nèi)，其間由空氣隙分開。工作原理如圖3所示，導(dǎo)體轉(zhuǎn)子和永磁轉(zhuǎn)子可以自由的獨(dú)立旋轉(zhuǎn)，當(dāng)導(dǎo)體轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，導(dǎo)體轉(zhuǎn)子與永磁轉(zhuǎn)子產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，交變磁場通過氣隙在導(dǎo)體轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生渦流，同時(shí)渦流產(chǎn)生感應(yīng)磁場與永磁場相互作用，從而帶動(dòng)永磁轉(zhuǎn)子沿著與銅轉(zhuǎn)子相同的方向旋轉(zhuǎn)，結(jié)果是在負(fù)載側(cè)輸出軸上產(chǎn)生扭矩，從而帶動(dòng)負(fù)載做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。通過調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)兩者在軸線方向的相對(duì)位置，改變兩者間的嚙合面積，就可以控制傳遞扭矩的大小，從而實(shí)現(xiàn)負(fù)載轉(zhuǎn)速的變化。嚙合面積大，通過永磁調(diào)速器傳遞的扭矩就大，負(fù)載轉(zhuǎn)速高;嚙合面積小，通過永磁調(diào)速器傳遞的扭矩就小，負(fù)載轉(zhuǎn)速低。

圖2 永磁調(diào)速系統(tǒng)構(gòu)成

圖3 永磁調(diào)速工作原理

3 永磁調(diào)速試驗(yàn)數(shù)據(jù)

根據(jù)技術(shù)改造要求，僅對(duì)5號(hào)循環(huán)水泵進(jìn)行永磁調(diào)速改造，并與變頻調(diào)速進(jìn)行對(duì)比分析。用圖2所示的水冷式大功率永磁調(diào)速器ALTH－1000代替電動(dòng)機(jī)和水泵之間的剛性聯(lián)軸器，5號(hào)循環(huán)水泵調(diào)速改造后現(xiàn)場照片如圖4所示。永磁調(diào)速系統(tǒng)根據(jù)所需供水流量和水泵轉(zhuǎn)速信號(hào)，調(diào)節(jié)永磁調(diào)速器筒形導(dǎo)體轉(zhuǎn)子和筒形永磁轉(zhuǎn)子在軸線方向的相對(duì)位置，改變兩者間的嚙合面積，調(diào)節(jié)循環(huán)水泵的轉(zhuǎn)速，從而改變水泵的供水流量。另外，通過冷卻系統(tǒng)對(duì)永磁調(diào)速器進(jìn)行冷卻，降低溫度，并且通過溫度傳感器在線檢測永磁調(diào)速器內(nèi)各軸承處的溫度，如果出現(xiàn)溫度過高的現(xiàn)象，則報(bào)警停機(jī)檢查。

圖4 5號(hào)循環(huán)水泵改造現(xiàn)場

3.1 永磁調(diào)速循環(huán)水泵運(yùn)行測試數(shù)據(jù)

表1為永磁調(diào)速系統(tǒng)在調(diào)節(jié)電動(dòng)執(zhí)行器的行程時(shí)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以看出通過調(diào)節(jié)筒形導(dǎo)體轉(zhuǎn)子和永磁轉(zhuǎn)子之間的嚙合面積(即電動(dòng)執(zhí)行器的行程)，可以改變循環(huán)水泵負(fù)載側(cè)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)速度的調(diào)節(jié)。隨著執(zhí)行器行程的增加，輸出轉(zhuǎn)速增加，水泵的供水流量增加，電機(jī)消耗的電流和功率也隨之增加。由于永磁調(diào)速系統(tǒng)是依靠調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)供水流量，而不是依靠調(diào)節(jié)水泵出口門開度，所以當(dāng)流量增加時(shí)，水泵出口和供水口之間的壓力差變化較小，也就是說在運(yùn)行過程中節(jié)流損失大大降低，從而達(dá)到節(jié)能的目的。永磁調(diào)速器調(diào)節(jié)特性曲線如圖5所示，可以看出永磁調(diào)速器的調(diào)節(jié)特性線性度很好，能滿足現(xiàn)場生產(chǎn)的控制需求。

表1 5號(hào)永磁調(diào)速循環(huán)水泵試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

圖5 永磁調(diào)速調(diào)節(jié)特性曲線

3.2 永磁調(diào)速節(jié)能效果對(duì)比試驗(yàn)

為比較永磁調(diào)速與變頻調(diào)速和節(jié)流調(diào)節(jié)三種方式的節(jié)能效果，分別對(duì)永磁調(diào)速5號(hào)泵、變頻調(diào)速2號(hào)泵、工頻節(jié)流調(diào)節(jié)式3號(hào)泵在不同供水流量下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，試驗(yàn)數(shù)據(jù)分別如表2、3、4所示。

從表2、表3可以看出在相同的供水流量下永磁調(diào)速比節(jié)流調(diào)節(jié)方式節(jié)能。以供水流量為1 700 m3/h時(shí)來說，在供水壓力基本相同的情況下，永磁調(diào)速5號(hào)水泵的出口壓力為0.67 MPa，而工頻3號(hào)泵的出口壓力為1.33 MPa;有功功率分別為453 kW、907 kW，永磁調(diào)速5號(hào)泵比工頻2號(hào)泵的有功功率降低了50%。工頻3號(hào)泵是定速驅(qū)動(dòng)的泵，通過調(diào)節(jié)出口電動(dòng)門的開度控制水泵的流量，這樣當(dāng)所需供水流量降低時(shí)，減小電動(dòng)門的開度，出口壓力就會(huì)增加，節(jié)流損失的能量就會(huì)增大。

從表2、表3永磁調(diào)速和變頻調(diào)速的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出兩種方式的能耗相當(dāng)，節(jié)能效果相當(dāng)。在相同的流量下，變頻調(diào)速循環(huán)水泵的有功功率略大于永磁調(diào)速循環(huán)水泵，是由于變頻調(diào)速循環(huán)水泵的電動(dòng)門開度較小，使出口與供水之間的壓力差增大所導(dǎo)致的。

雖然永磁調(diào)速和變頻調(diào)速兩種方式在節(jié)能效果上相當(dāng)，但永磁調(diào)速相對(duì)于變頻調(diào)速具有以下優(yōu)勢: (1)采用永磁調(diào)速后，電機(jī)和循環(huán)水泵之間的軸連接是非接觸式的，取代了變頻調(diào)速采用的剛性聯(lián)軸器，將原來的一個(gè)長軸系統(tǒng)變成了兩個(gè)互不相連的短軸系統(tǒng)，這樣循環(huán)水泵一側(cè)的振動(dòng)就不會(huì)傳遞到電機(jī)一側(cè);同時(shí)可以大大減小長軸系統(tǒng)對(duì)振動(dòng)的放大效應(yīng)。(2)永磁調(diào)速器是純機(jī)械產(chǎn)品，不像變頻調(diào)速對(duì)環(huán)境的溫度濕度要求高，平均無故障時(shí)間比變頻調(diào)速要長很多，基本上是免維護(hù)的，使用壽命也就相應(yīng)延長。(3)變頻調(diào)速會(huì)產(chǎn)生電力諧波，對(duì)電網(wǎng)將產(chǎn)生傳導(dǎo)干擾，引起電網(wǎng)電壓畸變。并且由于采用IGBT等開關(guān)器件，會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的電磁輻射，影響周邊電器的正常工作。

表2 永磁調(diào)速循環(huán)水泵(5號(hào))

表3 變頻調(diào)速循環(huán)水泵(2號(hào))

表4 工頻循環(huán)水泵(3號(hào))

3.3 改造前后節(jié)能經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)分析

針對(duì)在實(shí)際運(yùn)行中供水流量為8 200 m3/h左右時(shí)分析改造前后的節(jié)能數(shù)據(jù)，運(yùn)行的循環(huán)水泵為變頻調(diào)速2號(hào)水泵、永磁調(diào)速5號(hào)水泵、工頻調(diào)速3、6號(hào)水泵。永磁調(diào)速改造后結(jié)合變頻調(diào)速通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速滿足系統(tǒng)的流量和壓力的要求。改造前后，根據(jù)現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，水泵的運(yùn)行功率如表5所示，可以看出永磁調(diào)速后節(jié)能效果明顯，節(jié)電率為11.9%。

表5 節(jié)能數(shù)據(jù)對(duì)比

按照熱網(wǎng)系統(tǒng)全年平均運(yùn)行時(shí)間為120天計(jì)算，年節(jié)電量為456×24×120=1 313 280 kW·h，若電費(fèi)按0.71元/kW·h計(jì)算，年節(jié)約電費(fèi)為1，313， 280×0.71=932 428.8元 (約為93.2萬元人民幣)。如果考慮到采用永磁調(diào)速后減少了系統(tǒng)的振動(dòng)，減少了系統(tǒng)的維護(hù)工作量，延長了軸承和密封件的壽命等因素，效益遠(yuǎn)大于上述數(shù)據(jù)。

4 結(jié)論

勝利發(fā)電廠熱網(wǎng)循環(huán)水系統(tǒng)5號(hào)水泵采用嚙合面調(diào)整式大功率永磁調(diào)速器進(jìn)行調(diào)速改造后運(yùn)行情況良好，達(dá)到了預(yù)期的目的，投運(yùn)10個(gè)月來沒有發(fā)生任何缺陷和故障，節(jié)能效果明顯。

永磁調(diào)速技術(shù)是一種先進(jìn)的電機(jī)調(diào)速、節(jié)能技術(shù)，具有節(jié)能效果顯著、結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠、后期維護(hù)成本低、使用壽命長，可在－10～﹢50℃環(huán)境條件下長期安全使用等優(yōu)點(diǎn)。通過實(shí)際應(yīng)用證明，在大功率循環(huán)水泵與風(fēng)機(jī)節(jié)能方面具有較廣闊應(yīng)用前景。

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