無損永磁耦合聯(lián)軸器在海洋石油領(lǐng)域應(yīng)用研究

肖玉華

（中海油能源發(fā)展采油服務(wù)公司 天津 300452）

引言

為實現(xiàn)節(jié)能減排、國家重點節(jié)能技術(shù)的推廣及現(xiàn)場安全生產(chǎn)的需要，開展海上設(shè)備的技術(shù)革新研究，對泵的傳動部分進(jìn)行革新，解決海上旋轉(zhuǎn)機械的意外停機、振動發(fā)熱過大造成的設(shè)備故障損壞，以及減少軸承、密封、聯(lián)軸器等零部件因磨損而頻繁更換帶來的額外工作強度。降低旋轉(zhuǎn)負(fù)載系統(tǒng)在安裝中對中、啟動困難、減振、調(diào)節(jié)速度以及過載保護(hù)等技術(shù)問題，現(xiàn)在調(diào)速解決方案有永磁磁力耦合、變頻器、液力耦合等技術(shù)。永磁耦合驅(qū)動的傳動效率可達(dá)到98.5%以上，該技術(shù)現(xiàn)已在我國多行業(yè)獲得了應(yīng)用。

1 永磁磁力耦合器原理

PMD是永磁磁力耦合調(diào)速器的簡稱，調(diào)速器的驅(qū)動是通過銅導(dǎo)體和永磁體之間的氣隙實現(xiàn)由電動機到負(fù)載的扭矩的輸送。該技術(shù)實現(xiàn)了在電動機和被負(fù)載之間沒有常規(guī)的機械連接。其原理是一邊用永磁體和另一端用導(dǎo)電感應(yīng)磁場相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，通過調(diào)節(jié)永磁體和導(dǎo)體之間的間隙用以控制傳遞的轉(zhuǎn)矩，從而實現(xiàn)另一端負(fù)載速度調(diào)節(jié)。

PMD主要由三部分組成，一是導(dǎo)體轉(zhuǎn)子由銅板組成、二是永磁轉(zhuǎn)子以及可以調(diào)節(jié)兩部分距離的控制器。導(dǎo)體轉(zhuǎn)子固定在電動機軸上，另一個永磁轉(zhuǎn)子固定在負(fù)載的轉(zhuǎn)軸上，導(dǎo)體轉(zhuǎn)子和永磁轉(zhuǎn)子之間有間隙（稱為間隙）。兩個轉(zhuǎn)子互不接觸使電動機和負(fù)載由原來的硬（機械）連接轉(zhuǎn)變?yōu)檐洠ù牛┻B接，通過調(diào)節(jié)永磁體和導(dǎo)體之間的距離即實現(xiàn)負(fù)載與電機之間的扭矩轉(zhuǎn)化，從而實現(xiàn)負(fù)載轉(zhuǎn)速變化。通過調(diào)整距離可以獲得可持續(xù)調(diào)整的、可控制的、重復(fù)性很強的的負(fù)載。

因為這種扭矩輸出是通過磁體和導(dǎo)體之間的相對運動產(chǎn)生。PMD的輸出轉(zhuǎn)速始終都比電機的轉(zhuǎn)速小，實際應(yīng)用中，在電動機滿負(fù)荷運行時，耦合器的轉(zhuǎn)速小于電機的轉(zhuǎn)速1%～4%之間，我們稱之為滑差。

靠磁力傳動聯(lián)軸器的結(jié)構(gòu)有兩種:平行非接觸式磁傳動聯(lián)軸器和同軸非接觸式磁傳動聯(lián)軸器。磁體以軸向布置磁體,耦合磁極成軸向配置的叫平行非接觸式磁傳動聯(lián)軸器。磁體以徑向布置磁體,耦合磁極成徑向配置的叫同軸非接觸式磁傳動聯(lián)軸器,見圖1、圖2所示。

永磁磁力耦合聯(lián)軸器調(diào)速的特點：

（1）與變頻器調(diào)速的方式相比成本較低。

（2）因沒有直接接觸的物體，磨損小所以維護(hù)工作量小，幾乎為免維護(hù)產(chǎn)品，維護(hù)費用極低。

（3）在實際安裝中較硬連接的聯(lián)軸器可以容忍較大的安裝對中誤差，大大簡化了安裝調(diào)試過程及難度。

（4）具有過載保護(hù)功能，消除了系統(tǒng)因過載而導(dǎo)致的設(shè)備損壞及故障的現(xiàn)象，提高了電機驅(qū)動系統(tǒng)的可靠性。

（5）除控制器的支撐軸承外其他部件的理論設(shè)計壽命可達(dá)到30年，可靠性非常高。

圖1 平行非接觸式磁傳動聯(lián)軸器

圖2 同軸非接觸式磁傳動聯(lián)軸器

（6）控制扭矩輸出可以調(diào)節(jié)兩個磁力板之間的間隙，利用反饋控制可以達(dá)到高精度的過程控制。

（7）因傳動靠磁力所以啟動時只有速度變大后驅(qū)動力才能達(dá)到預(yù)定的效果，所以具有帶緩沖的軟啟動/軟制動（剎車）。

（8）具有較強的節(jié)能效果，理論上可以達(dá)到20%--45%左右。

（9）由于電機和泵之間無接觸，不會產(chǎn)生振動干擾，其減震效果較硬連接聯(lián)軸器的好。

（10）磁耦合聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)簡單，能適應(yīng)各種惡劣環(huán)境，不產(chǎn)生污染物，對環(huán)境友好，不像變頻器會產(chǎn)生諧波。

PMD控制器有兩種控制方式，永磁調(diào)速器可分為手動調(diào)速型和電控調(diào)速型。手動調(diào)速型永磁調(diào)速器的磁場調(diào)節(jié)機構(gòu)為機械式，電控調(diào)速型永磁調(diào)速器的磁場調(diào)節(jié)機構(gòu)含有電子操控的控制單元。

電控調(diào)速型永磁調(diào)速器自反饋控制通過處理各種信號實現(xiàn)對負(fù)載進(jìn)行調(diào)速，包括流量、位移、壓力、傳動速度等其它過程控制信號。對現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行改造時非常方便，不需要對現(xiàn)有電動機和供電電源進(jìn)行任何改動，只需購買永磁調(diào)速其及少量的改造工程。安裝PMD以后，整個系統(tǒng)不產(chǎn)生諧波干擾。在通常情況下，如果關(guān)閉或者拆除現(xiàn)有的過程控制硬件設(shè)備。負(fù)載都可以在最優(yōu)化的速度范圍內(nèi)運行，增加電機的效率，從而減少運行維護(hù)成本。

2 永磁無損耦合調(diào)速驅(qū)動關(guān)鍵技術(shù)在海上設(shè)施的應(yīng)用

中海油海上設(shè)施的各種離心泵大部分采油硬鏈接的聯(lián)軸器，傳統(tǒng)的扭矩傳遞方式是將主動軸和從動軸互相連接起來，使兩根軸一同旋轉(zhuǎn)，常規(guī)聯(lián)軸器如圖3所示。

圖3 海上設(shè)施常規(guī)聯(lián)軸器

海上設(shè)施面臨的一些問題該技術(shù)在理論上都能有解決的方案，主要需要解決的問題如下：

（1）解決常規(guī)聯(lián)軸器安裝復(fù)雜，運行中對中誤差變化，振動變大。

永磁耦合器的容差大，輸入轉(zhuǎn)矩與輸出轉(zhuǎn)矩比較接近（滑差在1%～4%之間），所以電動機滿足負(fù)載所需要的轉(zhuǎn)矩即可。PMD傳輸能量和控制速度的能力受電動機軸和負(fù)載軸之間由于安裝對中而產(chǎn)生的角度或偏移的影響較小。未很好的對中而產(chǎn)生的震動不會相互干擾，電機和負(fù)載沒有機械連接，電動機的震動不會引起或影響負(fù)載震動，使整個系統(tǒng)的震動問題得到有效控制及減小。

在旋轉(zhuǎn)機械的故障中，超過50%是由不對中所引起的。不對中會導(dǎo)致：機器意外停機，或振動過大，或軸承、密封、聯(lián)軸器和皮帶等零部件因相互干擾和影響發(fā)生磨損而頻繁更換。

常規(guī)聯(lián)軸器：開口容差：0.05mm/100mm永磁耦合器的容差：錯位容差：1～2mm開口容差：0.5～1mm/100mm

錯位容差0.05mm

相對常規(guī)聯(lián)軸器其容差度提高非常大，給中海油多數(shù)的艙底穿墻泵軸的改造和新建項目帶來了極大的優(yōu)勢，中海油有一半的FPSO在設(shè)計時將具有危險油氣液體的輸送泵設(shè)置成泵艙和機艙兩部分（見圖4、圖5），電機驅(qū)動端放置在安全區(qū)域的機艙，泵體放置在危險區(qū)域的泵艙，機艙和泵艙之間用穿墻軸承連接并隔離，由于加長了驅(qū)動軸并安裝兩個不同的艙室，且泵與電機的底座不是同體加固，及其容易造成安裝階段的對中不佳，或在使用過程中船體及底座變形使泵與電機的運轉(zhuǎn)狀況變得惡劣，引起泵軸不同心而發(fā)生各種故障。

圖4 艙底泵穿墻示意圖

圖5 穿墻密封及軸承安裝偏差示意

（2）解決大功率電機起動時對平臺電網(wǎng)的沖擊。

電機系統(tǒng)的啟動問題一直是困惑用戶的問題，尤其大功率是大功率（大于300KW的電機），在渤海海域的平臺上最大的電機達(dá)到1600KW之巨，在中海油的海上設(shè)施的配電系統(tǒng)容量有限其影響更大，因為大功率電機在啟動時，基本上可以看作是滿負(fù)荷啟動，電機在啟動瞬間，啟動電流超出電機正常額定工作電流的十幾～幾十倍，使得本身海上配置的變壓器、配電設(shè)備短期嚴(yán)重過載，造成電壓跌落(“黑電”現(xiàn)象)甚至啟動失敗，嚴(yán)重時還可能燒毀電機。大功率電機啟動過程短的持續(xù)幾秒，長的達(dá)到幾十秒，電機線圈嚴(yán)重發(fā)熱，長期如此勢必造成電機線圈提前老化，縮短電機使用壽命。使用永磁耦合器在啟動時將負(fù)載與電機脫離，電機空載啟動，正常運轉(zhuǎn)后聯(lián)軸器自動耦合將轉(zhuǎn)速適應(yīng)負(fù)載的需要，從而減少對電網(wǎng)的沖擊。

（3）諧波增加對發(fā)電機效率的影響。

中海油海上平臺通常電網(wǎng)的容量較小，無功功率的增加會增加海上發(fā)電機組的發(fā)電功率滿足不了日常需求，就要啟動備用發(fā)電機組滿足正常的生產(chǎn)之需，而變頻器的廣泛應(yīng)用是增加諧波的重要因素，電氣設(shè)備對電網(wǎng)造成的總諧波電壓超過5%，需要加裝高成本的有源諧波濾波器，從而增加用電設(shè)備的成本，在平臺建造投入的成本也會增加。

電動機負(fù)載是由線圈組成的感性負(fù)載，而永磁調(diào)速器為機械式調(diào)速裝置，與交流電的性能無關(guān)，在永磁調(diào)速器調(diào)速過程中不會造成電流諧波，電機的功率因素取決于電機，這種功率因素問題僅利用配電系統(tǒng)中的電容補償柜就可以實現(xiàn)。

（4）海上惡劣的條件對調(diào)速器可靠性的影響。

永磁調(diào)速器主要由銅盤和永磁盤兩部分元件構(gòu)成，永磁材料在惡劣的環(huán)境溫度下可以保持強磁場特性，地球上的極限環(huán)境溫度在±100℃范圍內(nèi)波動，永磁調(diào)速器可以在這種環(huán)境溫度范圍內(nèi)正常工作。而像變頻器一類的電子裝備，為了降低設(shè)備故障率，必須保證溫度和濕度恒定在某個范圍，需要專門房間房間來安置，達(dá)到防爆、防靜電、恒溫等條件，增加了使用、維護(hù)等成本，增加了電能消耗、諧波等不利因素。

永磁調(diào)速器是機械式的、無摩擦傳遞扭矩的裝置，除執(zhí)行機構(gòu)使用較弱的控制電能在危險場合需要采用防爆結(jié)構(gòu)外，主功率部分是不會產(chǎn)生火花及靜電，因而在易燃易爆環(huán)境下使用較為安全。適合于油田、油輪、煤礦、化工、礦井、高濃度粉塵工廠等。

由于永磁調(diào)速器為機械式調(diào)速裝置，幾乎與電力無關(guān)，當(dāng)電壓波動、電力諧波、閃變、跌落、短時間斷電、浪涌、雷擊等，這些因素對類似變頻器的調(diào)速裝置往往是致命的。采用永磁調(diào)速器不會因為電網(wǎng)質(zhì)量造成設(shè)備設(shè)施的損壞。因此，無論電機系統(tǒng)的電壓等級及工作頻率為多少，采用永磁調(diào)速器進(jìn)行調(diào)速是非常適宜的。永磁調(diào)速器對電機轉(zhuǎn)速的要求比較敏感，一般在相同功率下，電機轉(zhuǎn)速越低，永磁調(diào)速器尺寸相對會增加。

（5）節(jié)能降耗的要求。

在設(shè)備的安裝和設(shè)計過程中，離心設(shè)備及均存在一定的設(shè)計余量，而且三相異步電動機相對于離心設(shè)備需求的功率也存在一定的設(shè)計余量，也就是對于現(xiàn)有的這些離心設(shè)備來說，即使全部設(shè)備都滿負(fù)荷運行，這些三相異步電動機也不用達(dá)到額定功率運行就能達(dá)到足夠的供給，需要通過進(jìn)出口的閥門來調(diào)節(jié)流量，通過閥門來調(diào)節(jié)流量存在能耗高的的問題，這就需要通過一定的方式進(jìn)行節(jié)能改造。新型永磁傳動技術(shù)的出現(xiàn)，改變了傳統(tǒng)的電機與設(shè)備之間的連結(jié)和調(diào)速的認(rèn)識。永磁技術(shù)采用磁力非接觸傳遞扭矩，通過調(diào)節(jié)永磁場在導(dǎo)體轉(zhuǎn)子中的嚙合面積來實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速的變化，對負(fù)載進(jìn)行無極調(diào)速，并使設(shè)備運轉(zhuǎn)穩(wěn)定，極大降低設(shè)備故障率。

電機系統(tǒng)的故障主要原因是振動，振動會導(dǎo)致軸承、油封等的加速磨損，也會導(dǎo)致基座、管道接頭、緊固件等松動或斷裂或破損，振動還會導(dǎo)致產(chǎn)生強烈的噪聲，在能耗與故障降低維修成本降低的雙效應(yīng)的共同作用下其節(jié)能降耗的效果更加明顯。

3 海洋石油對永磁調(diào)速的需求分析

中海油在永磁調(diào)速器上應(yīng)用不足的原因有以下幾點：

（1）海上油田的電力來源主要是通過自身的發(fā)電系統(tǒng)獲得，主要的能源來自天然氣或者原油，少部分使用柴油，其發(fā)電的成本較小，所以對節(jié)能的要求相對較小。

（2）海上油田使用的電機功率普遍比較小，采用普通的降壓啟動能滿足實際的需要，功率較大的采用變頻器啟動能滿足要求。

（3）使用永磁調(diào)速器需要在建造的初期對整個平臺的設(shè)計要有一個統(tǒng)籌的考慮，一般永磁調(diào)速器的安裝空間會占整個泵的1/3～1/2左右，對整個布置會產(chǎn)生影響。

（4）現(xiàn)在正在使用的平臺或FPSO在原始設(shè)計中未考慮以后的改造需求，泵的空間滿足不了改造的要求，天津分公司某平臺的一臺1600KW的外輸泵安裝永磁調(diào)速器需要將泵或電機外移1.8米的距離，因沒有足夠的空間而放棄改造至今未能滿足使用要求。

（5）海上裝置的泵在設(shè)計時對結(jié)構(gòu)進(jìn)行了加強設(shè)計，如果進(jìn)行改造對結(jié)構(gòu)的受力發(fā)生改變，需要對結(jié)構(gòu)加強重新設(shè)計審核，也是制約改造的因素。

總之，海洋石油海上平臺在今后的設(shè)計中加入永磁調(diào)速器的使用，可以將部分的壓力、流量等工藝參數(shù)的控制利用永磁調(diào)速裝置實現(xiàn)，將這些控制納入DCS系統(tǒng)將可以減少現(xiàn)場控制閥的使用，為減小海上裝置的建造成本也是一項不錯的選擇，特別是陸地處理廠使的是陸地電網(wǎng)的電力，節(jié)能的需求對處理廠是比較現(xiàn)實的，應(yīng)該加以推廣。

4 幾種常見調(diào)速技術(shù)比較

海上平臺進(jìn)行生產(chǎn)參數(shù)（壓力、流量）進(jìn)行控制的裝置主要是調(diào)節(jié)閥和變頻器，他們與、變頻調(diào)速、永磁調(diào)速通過比較，有如下結(jié)論：

?

結(jié)語

通過以上分析永磁調(diào)速在傳遞效率、振動防止、環(huán)境條件的適應(yīng)性、海上電網(wǎng)的諧波控制等方面的優(yōu)勢是顯現(xiàn)的，尤在泵組的安裝、調(diào)試、檢修方面，要比其他方式（變頻器、液力耦合器）簡單、方便，相對于變頻器在使用壽命、運行環(huán)境適應(yīng)性、泵組減震降噪、軟啟動、過載保護(hù)、對電網(wǎng)諧波影響等方面的性能，都要有顯著的優(yōu)勢；經(jīng)濟方面，永磁設(shè)備現(xiàn)階段都依賴于進(jìn)口，設(shè)備價格昂貴，工程初期投資要高于進(jìn)口變頻設(shè)備，如果考慮到設(shè)備壽命，永磁調(diào)速的初期投資比變頻調(diào)速的投資低，并且運行成本比變頻節(jié)省，致力于該產(chǎn)品開發(fā)的許多國內(nèi)的研究機構(gòu)在進(jìn)口產(chǎn)品的基礎(chǔ)上進(jìn)行了許多優(yōu)化和改善，使我國的產(chǎn)品研發(fā)和技術(shù)引進(jìn)有了飛速的發(fā)展，他們將進(jìn)口設(shè)備的缺陷進(jìn)行充分的研究并進(jìn)行開發(fā)和創(chuàng)新，已經(jīng)有了屬于自主產(chǎn)權(quán)的技術(shù)創(chuàng)新產(chǎn)品，在體積上也有很大縮減，其價格也比進(jìn)口產(chǎn)品低很多，所以總體來講，永磁調(diào)速相比于進(jìn)口變頻調(diào)速裝置要更經(jīng)濟。

總之，永磁調(diào)速是一種技術(shù)先進(jìn)的新型節(jié)能調(diào)節(jié)技術(shù)，為電動機的調(diào)速節(jié)能提供了一種新的選擇。目前，該技術(shù)在國內(nèi)應(yīng)用時間還比較短，隨著產(chǎn)品的應(yīng)用，運行可靠性得到充分證明后，將會有廣闊的應(yīng)用前景。

[1]李東永磁調(diào)速技術(shù)在電廠鍋爐風(fēng)機中應(yīng)用能源研究與利用 2013（2）.

[2]趙永恒永磁調(diào)速器在石化行業(yè)離心式風(fēng)機中的應(yīng)用 橡塑技術(shù)與裝備 2014（10）.

[3]李俊杰永磁調(diào)速器在電場中的應(yīng)用與分析科技傳播2013（1）.

[4]吳順根.永磁調(diào)速裝置的節(jié)能性能試驗 上海電力學(xué)院學(xué)報 2009，25（3）.

[5]趙國祥永磁調(diào)速驅(qū)動器在閉式冷卻水泵上的節(jié)能改造 節(jié)能，2010（4）.