新型電機應(yīng)用于豎井式貫流泵的可行性探討

張 蠡， 邊曉陽， 沈子微， 都毅力

(無錫市太湖閘站工程管理處， 江蘇 無錫 214063)

我國能源消費總量多年位居世界第一，但是經(jīng)濟格局轉(zhuǎn)變后，新能源發(fā)展異軍突起。我國適應(yīng)趨勢，積極研究推廣新能源，清潔能源消費量不斷增長，在節(jié)能降耗方面成績顯著。

根據(jù)國家統(tǒng)計局統(tǒng)計公報顯示，2000—2015年，我國能源消費結(jié)構(gòu)產(chǎn)生以下變化：一次能源消費結(jié)構(gòu)，電力從2000年占7.3%上升至2015年占12%；終端能源消費結(jié)構(gòu)，電力從2000年占15%上升至2014年占22%；2015年以后，我國電力消費占比更是逐年上升。電機系統(tǒng)用電量達(dá)全國用電量的一半以上，約占60%，而其中20.9%為泵類的用電量，節(jié)能潛力巨大。為此，國家發(fā)展改革委員會在“十大重點節(jié)能工程實施意見”中提出：要推廣高效節(jié)能電動機、稀土永磁電動機，改善風(fēng)機、泵類電機系統(tǒng)調(diào)節(jié)方式；并建議在機電等領(lǐng)域應(yīng)用稀土永磁電動機改造風(fēng)機、水泵系統(tǒng)。泵站是水利系統(tǒng)中電力消耗的主要場所，通過對泵站實施節(jié)能技術(shù)改造，可以大大促進(jìn)水利系統(tǒng)實現(xiàn)更高的節(jié)能成果，實現(xiàn)水利的綠色發(fā)展。

江蘇梅梁湖豎井泵站2004年建成以來，多座大型豎井貫流陸續(xù)投入使用，豎井式貫流泵站在防汛抗旱和調(diào)水中發(fā)揮了重大作用，但與此同時，在豎井貫流泵站運行中仍存在一些亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)問題，這其中提高泵站運行的可靠性尤為關(guān)鍵。運行實踐表明，電機與齒輪變速箱溫升過高、齒輪箱漏油被迫停機等事故屢有發(fā)生。近年來，稀土永磁直驅(qū)電機得到推廣應(yīng)用，通過削弱傳動機構(gòu)，大力矩低速永磁電機作為直驅(qū)式的核心驅(qū)動部分[1]，直接驅(qū)動水泵葉輪軸，再與變頻調(diào)速技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)水泵的軟啟動和變頻調(diào)速運行，結(jié)構(gòu)簡單，運行成本降低，安全性能顯著提高

綜上所述，通過相應(yīng)的先進(jìn)技術(shù)改造，節(jié)能降耗、提高泵站運行特別是汛期運行的可靠性，是有重要的經(jīng)濟和政治意義的。本文選擇典型的豎井貫流泵站作為研究對象，從理論和工程設(shè)計出發(fā)，建構(gòu)大型泵站采用稀土永磁直驅(qū)電機的應(yīng)用理念，進(jìn)行可行性研究，旨在提升大型泵站技術(shù)水平、確保豎井貫流泵站安全可靠、節(jié)能高效運行。

1 可行性研究

關(guān)于提高泵站運行的能源效率，運行的可靠性，國內(nèi)外都有很多技術(shù)方案，主流的是采用變頻調(diào)速來實現(xiàn)節(jié)能。但由于電機的制造技術(shù)的限制，變頻調(diào)速方式不能直接實現(xiàn)大扭矩輸出，仍需通過減速機等機械傳動裝置來實現(xiàn)降低轉(zhuǎn)速，增加扭矩。這就使得系統(tǒng)天然地要產(chǎn)生機械效率的損失。同時，由于傳動系統(tǒng)的復(fù)雜，帶來了日常養(yǎng)護維修作業(yè)和運行工作量的增加、安全性的降低。稀土永磁直驅(qū)電機通過低速大扭矩設(shè)計，直接驅(qū)動水泵葉輪軸，再與變頻調(diào)速技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)水泵的軟啟動和變頻調(diào)速運行，由于去除了傳統(tǒng)系統(tǒng)中的故障率較高的齒輪減速機構(gòu)，簡化了結(jié)構(gòu)，更好地發(fā)揮泵站效益，提升了安全性。

我國在大型調(diào)水工程中水泵電機從未使用過高壓永磁同步電動機，近幾年隨著南水北調(diào)東線工程、流域性綜合治理和城市防洪工程的大型泵站建設(shè)和20世紀(jì)中下旬建設(shè)的大型泵站改造，稀土永磁直驅(qū)電機的技術(shù)理論不斷提高。就目前國內(nèi)狀況，稀土永磁直驅(qū)電機在大型泵站建設(shè)和更新改造中進(jìn)行應(yīng)用的相關(guān)研究工作也得以開展，并取得一些成果，完全能夠勝任大型泵站對水泵電機的要求。南水北調(diào)東線一期工程山東段韓莊泵站采用高壓永磁同步電動機從技術(shù)、經(jīng)濟等多方面進(jìn)行比較，對關(guān)鍵性技術(shù)問題的解決方法等內(nèi)容進(jìn)行研究設(shè)計[2]。無錫市太湖閘站工程管理處以大渲河泵1#泵組為模型，對于豎井貫流泵驅(qū)動單元采用兩種驅(qū)動形式進(jìn)行對比：一種采用傳統(tǒng)驅(qū)動單元“異步電機+減速機+水泵”的形式，另一種采用“DYT永磁直驅(qū)電機+水泵”的形式。

對于傳統(tǒng)驅(qū)動單元“異步電機+減速機+水泵”的形式，在豎井貫流泵上，由于安裝空間受限，所用異步電機其功率因數(shù)和效率都較低，在實際運行工況中，為提高功率因數(shù)，降低電網(wǎng)上電功率的損耗，在大渲河泵站上額外配備了三套電容補償系統(tǒng)，以提高功率因數(shù)。另外電機從電網(wǎng)吸收電能對外做功，需經(jīng)過減速機作用到水泵上，減速機有一定的能量損失。

采用DYT“永磁直驅(qū)電機+水泵”的驅(qū)動形式時，功率因數(shù)過低和能量傳遞過程中的損失問題都能夠得到有效解決，因為永磁直驅(qū)電機的轉(zhuǎn)子磁場是由永磁體產(chǎn)生，不需要無功勵磁電流，可以顯著提高功率因數(shù)，減少了定子電阻和定子電流損耗，而且在穩(wěn)定運行時沒有轉(zhuǎn)子電阻損耗，從而使其效率比同規(guī)格的感應(yīng)電動機可提高50%～80%，而且永磁直驅(qū)電機在25%～120%額定負(fù)載范圍內(nèi)均可保持較高的功率因數(shù)和效率。

永磁直驅(qū)電機結(jié)合了直驅(qū)大扭矩永磁電機技術(shù)、智能變頻器控制技術(shù)，可直接驅(qū)動負(fù)載，永磁直驅(qū)電機從電網(wǎng)吸收電能直接作用在水泵上，減少了能量損失。由于系統(tǒng)省掉了中間減速機傳動環(huán)節(jié)，因此在實際應(yīng)用中省卻了減速箱的養(yǎng)護維修工作，節(jié)約了成本，降低了維護工作量，后期維護只需隔2～3月給電機軸承注油1次，基本實現(xiàn)了免維護。

2 仿真試驗

根據(jù)季節(jié)不同，選取大渲河泵站的運行數(shù)據(jù)，分析1#泵的運行參數(shù)、負(fù)載特性和耗能指標(biāo)。然后根據(jù)分析出的相關(guān)數(shù)據(jù)，選擇額定性能參數(shù)與1#泵運行參數(shù)接近的永磁電機，首先在ANSOFT仿真軟件上，仿真出電機運行的運行參數(shù)和能耗參數(shù)，再在加載測試平臺上模擬1#泵運行的負(fù)載特性，測試和計算出永磁電機的能耗指標(biāo)，判斷在豎井貫流泵上采用稀土永磁電機直驅(qū)傳動的可行性。對大渲河泵站#1泵組驅(qū)動單元形式和DYT永磁直驅(qū)電機系統(tǒng)形式實際運行工況數(shù)據(jù)進(jìn)行了比對，見表1～2。

表1 大渲河泵站#1泵組驅(qū)動單元數(shù)據(jù)

表2 DYT永磁直驅(qū)電機驅(qū)動單元數(shù)據(jù)

對比原則：原驅(qū)動系統(tǒng)是以額定轉(zhuǎn)速(743 r/min)運行，DYT永磁直驅(qū)電機也以額定轉(zhuǎn)速(90 r/min)運行，水泵負(fù)載做功相同時，從3個方面做出對比，一是對比2種驅(qū)動形式的視在功率，二是對比中間功率損失，三是對比三相繞組溫度情況。

由于原系統(tǒng)無變頻調(diào)速系統(tǒng)，不管在汛期還是其他時期，水泵基本都是在額定轉(zhuǎn)速下運行，從現(xiàn)場采集的運行數(shù)據(jù)也能顯示出來，水泵的流量都趨于一致。根據(jù)水泵軸功率的計算公式：軸功率P=2.73QH/η(其中η是水泵的效率，取經(jīng)驗值0.75), 得到水泵所需的軸功率；電機視在功率與水泵軸功率之差即為功率損失△P。

當(dāng)負(fù)載所需功率相同時，水泵采用傳動驅(qū)動系統(tǒng)(異步電機+減速機)與采用DYT永磁直驅(qū)電機系統(tǒng)時運行數(shù)據(jù)對比，見表3。

表3 運行數(shù)據(jù)對比

另外，異步電機實際運行時功率因數(shù)為0.6左右，按照國家電網(wǎng)要求，必須安裝電容補償系統(tǒng)，以提高電網(wǎng)系統(tǒng)的功率因數(shù)，電容補償系統(tǒng)價格昂貴；而DYT永磁直驅(qū)電機的功率因數(shù)為0.92，不需要添加電容補償系統(tǒng)，降低了投資成本。由此可得出，永磁直驅(qū)電機系統(tǒng)具有高效節(jié)能、啟動轉(zhuǎn)矩大、過載能力強、避免電網(wǎng)及機械沖擊、系統(tǒng)免維護和驅(qū)動智能化的優(yōu)點；系統(tǒng)運行約節(jié)電70～80 kW·h，節(jié)電率達(dá)15%，值得大力推廣。

3 結(jié) 語

稀土永磁電機技術(shù)已在油田，礦山，煤炭，電力、風(fēng)機水泵等行業(yè)逐步推廣，具備了在水利行業(yè)進(jìn)行應(yīng)用研究的基礎(chǔ)。該技術(shù)在煤礦皮帶運輸機領(lǐng)域運用廣泛,通過實際應(yīng)用數(shù)據(jù)對比,體現(xiàn)出永磁直驅(qū)動力系統(tǒng)節(jié)能、免維護等特點[3]；在高空風(fēng)力發(fā)電的應(yīng)用研究中，對直驅(qū)式永磁風(fēng)力發(fā)電機組進(jìn)行詳細(xì)分析，建立數(shù)學(xué)模型，運用Matlab/simulink仿真平臺，驗證了數(shù)學(xué)模型的正確性和控制策略的有效性[4]。

綜上所述，泵站主水泵裝置研究成果較多，而電機研究成果相對較少，稀土永磁材料發(fā)展迅速，材料性能不斷提升，成本不斷下降，為稀土永磁電機的研究生產(chǎn)提供了新材料技術(shù)支撐；國產(chǎn)大功率變頻器技術(shù)亦逐漸成熟，稀土永磁低速大扭矩電機制造技術(shù)和變頻控制技術(shù)的結(jié)合已日趨成熟，高性能化、高效節(jié)能的稀土永磁直驅(qū)電機是未來發(fā)展的方向。但此為可行性研究，其長期應(yīng)用的可靠性還需在實際的應(yīng)用場景中考察。