電驅(qū)離心式機(jī)泵的新型調(diào)速方案探討

李春艷 張紅兵 王靜玲 李圣軍

1. 中國石油工程建設(shè)有限公司西南分公司, 四川 成都 610041;2. 國家石油天然氣管網(wǎng)集團(tuán)有限公司, 北京 100101;3. 沈陽鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)透平機(jī)械股份有限公司, 遼寧 沈陽 110869

0 前言

大量電驅(qū)離心式機(jī)泵要在變工況狀態(tài)下長期穩(wěn)定運(yùn)行,必須通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的方式使離心式機(jī)泵在整個轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)保持高效運(yùn)行,因此提高軸系的傳動效率至關(guān)重要。目前調(diào)速方案多為機(jī)械調(diào)速方案或變頻調(diào)速方案,但存在效率不高或安裝環(huán)境要求較高、有一定電磁輻射等問題,如:液力耦合器是一種機(jī)械調(diào)速、液力傳動調(diào)速方案,可靠性高但熱損耗大;液力調(diào)速行星齒輪方案在液力耦合器基礎(chǔ)上減少了液力傳動量,將液力傳動損失盡可能降到最低,可靠性高但低轉(zhuǎn)速時的效率沒有得到太多改善;全容量變頻器是工程上較為常用的變頻調(diào)速方案(具體又可分為高速變頻調(diào)速電機(jī)直連和低速變頻調(diào)速電機(jī)配增速齒輪箱的調(diào)速方案),整體工作效率高,但電子元器件較多,需要獨(dú)立的恒溫恒濕安裝空間,占地較大，并有一定電磁輻射等問題[1-4]。因此,有必要探討新型調(diào)速方案。

本文基于液力耦合器方案、液力調(diào)速行星齒輪方案和高壓變頻系統(tǒng)方案常用調(diào)速方案的不足之處,介紹通過優(yōu)勢互補(bǔ)方式形成的新型調(diào)速方案——機(jī)電一體化調(diào)速裝置，通過在電廠鍋爐給水泵、飛機(jī)發(fā)動機(jī)試驗(yàn)臺等多領(lǐng)域的成功應(yīng)用,比較得出其在優(yōu)化系統(tǒng)構(gòu)成、提升整體工作效率方面的優(yōu)勢,對于后續(xù)油氣管道行業(yè)優(yōu)化調(diào)速方案、實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗目的具有借鑒意義。

1 常見調(diào)速方案比較

電驅(qū)離心式機(jī)泵常見的機(jī)械調(diào)速方案有液力耦合器調(diào)速方案和液力調(diào)速行星齒輪調(diào)速方案;電氣調(diào)速方案有磁力耦合調(diào)速方案和高壓變頻系統(tǒng)調(diào)速方案。磁力耦合調(diào)速方案傳遞功率有限,本文不作過多介紹。3種常見調(diào)速方案的綜合比較(以進(jìn)口方案、低速電機(jī)配齒輪箱的配置為例)[5-11]見表1。

表1 3種常用調(diào)速方案綜合比較表

由表1可見，傳統(tǒng)機(jī)械調(diào)速和電氣調(diào)速方案各有優(yōu)缺點(diǎn),為進(jìn)一步優(yōu)化大功率電驅(qū)離心式機(jī)泵類設(shè)備的調(diào)速性能,有必要研究一種新型調(diào)速方案——機(jī)電一體化調(diào)速裝置。它集成了機(jī)械調(diào)速和變頻調(diào)速的優(yōu)點(diǎn),實(shí)現(xiàn)了高效傳遞、高可靠性運(yùn)行與低維護(hù)成本。

2 新型調(diào)速方案的結(jié)構(gòu)和工作原理

機(jī)電一體化調(diào)速裝置主要由定速輸入軸(輸入太陽輪)、增速調(diào)速一體的行星齒輪及支架、變速輸出軸(輸出太陽輪)、疊加電機(jī)、變頻器、變壓器及控制單元等組成,主要用于驅(qū)動大功率離心式機(jī)泵。機(jī)電一體化調(diào)速裝置基于功率分流原理,保證大部分功率不參與調(diào)速而是直接剛性傳遞,調(diào)節(jié)功率由1臺或2臺低壓小功率變頻疊加電機(jī)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)機(jī)泵在較高轉(zhuǎn)速范圍工作時,疊加電機(jī)作為電動機(jī)向行星齒輪輸出功率;當(dāng)機(jī)泵在較低轉(zhuǎn)速范圍工作時,疊加電機(jī)作為發(fā)電機(jī),回收一部分能量,反饋給電網(wǎng)作為工廠用電。典型的機(jī)電一體化調(diào)速裝置構(gòu)成見圖1[12-13]。

圖1 典型的機(jī)電一體化調(diào)速裝置構(gòu)成示意圖Fig.1 Schematic of a typical speed mechatronics engineering system

3 新型調(diào)速方案的主要特點(diǎn)

3.1 工作模式

機(jī)電一體化調(diào)速裝置有發(fā)電機(jī)模式、0轉(zhuǎn)速模式和電動機(jī)模式3種工作模式,見圖2。

a)發(fā)電機(jī)模式a)Generator mode

設(shè)計(jì)時,將疊加電機(jī)轉(zhuǎn)速為0作為臨界點(diǎn),此時壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速通常為最高轉(zhuǎn)速的75%～80%左右。

發(fā)電機(jī)模式,即調(diào)速范圍在最低轉(zhuǎn)速與臨界點(diǎn)之間。此過程中主電機(jī)功率一部分通過主軸傳遞給被驅(qū)動設(shè)備,一部分傳遞給疊加電機(jī),疊加電機(jī)反轉(zhuǎn)變成發(fā)電機(jī),從而將部分功率轉(zhuǎn)換成電能,回饋到電網(wǎng),供就近設(shè)備使用。

0轉(zhuǎn)速模式,即疊加電機(jī)轉(zhuǎn)速為0,行星齒輪轉(zhuǎn)速為0,行星齒輪不再變速,只有固定速比的增速功能。此時,被驅(qū)動設(shè)備在固定轉(zhuǎn)速下運(yùn)行。

電動機(jī)模式,即調(diào)速范圍為臨界點(diǎn)與最高轉(zhuǎn)速之間。疊加電機(jī)與主電機(jī)一起傳遞功率后,疊加到被驅(qū)動設(shè)備。

3.2 啟動方式

電驅(qū)離心式機(jī)泵系統(tǒng)啟動時,先開啟調(diào)速裝置的疊加電機(jī),機(jī)泵可以靜止不動;接著,機(jī)泵加速到最低轉(zhuǎn)速,待主電機(jī)旋轉(zhuǎn)到一定轉(zhuǎn)速時,再開啟主電機(jī)。這種啟動方式下啟動電流降低到額定電流的2～3倍左右,轉(zhuǎn)動慣量減小,主電機(jī)的啟動負(fù)載降低,可大大改善主電機(jī)的啟動性能。而如果直接啟動主電機(jī),通常啟動電流是額定電流的5～6倍[14-15]。

機(jī)電一體化調(diào)速裝置相比主電機(jī)直接在線啟動的優(yōu)勢有:軸系轉(zhuǎn)動慣量非常低,便于主電機(jī)/傳動系統(tǒng)啟動;啟動電流低,能降低主電機(jī)熱應(yīng)力;降低電機(jī)啟動時的熱耗,提高了電機(jī)啟動效率;在大多數(shù)電力條件允許的情況下,不需要額外增加啟動裝置。

3.3 工作效率

調(diào)速裝置的整體工作效率要考慮到整體系統(tǒng)組成的功率損失,包括主電機(jī)、疊加電機(jī)、變頻器和齒輪組等。由于變頻器功率僅占總功率的20%,因變頻器產(chǎn)生的能耗大大降低。主電機(jī)的傳動為剛性傳遞,功率損耗低,因此最終疊加的效率較高。故機(jī)電一體化調(diào)速裝置的運(yùn)營成本低、經(jīng)濟(jì)性好,同時可間接減少場站的CO2排放。

機(jī)電一體化調(diào)速裝置的整體工作效率估算見圖3,實(shí)際工作效率與實(shí)際的運(yùn)行工況點(diǎn)、工況點(diǎn)在調(diào)速范圍內(nèi)的分布有關(guān),各制造商齒輪組的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不同,也會導(dǎo)致不同產(chǎn)品的總效率不同。

圖3 機(jī)電一體化調(diào)速裝置的整體工作效率估算圖Fig.3 The overall efficiency of the speed mechatronics engineering

此外,發(fā)電機(jī)模式時,疊加電機(jī)的損耗會更低,此時部分功率轉(zhuǎn)換成電能回饋給了電網(wǎng)。因此,在發(fā)電機(jī)模式時整體工作效率較其它調(diào)速方案的整體工作效率更高。

3.4 安全可靠性

機(jī)電一體化調(diào)速裝置主要設(shè)備是行星齒輪組[16-18],其可靠性好,在節(jié)能降耗的同時能夠大幅降低系統(tǒng)故障率,設(shè)備主體的使用壽命長達(dá)30 a。

機(jī)電一體化調(diào)速裝置的核心是使用四象限小功率變頻系統(tǒng)來驅(qū)動疊加電機(jī),由疊加電機(jī)連接行星齒輪組的行星架來傳遞20%功率。得益于較小的傳遞功率和較低的電壓系統(tǒng),配置的小功率變頻系統(tǒng)在技術(shù)成熟度方面顯著優(yōu)于大功率高壓變頻系統(tǒng),結(jié)構(gòu)尺寸僅有大功率高壓變頻系統(tǒng)的1/5左右。系統(tǒng)簡化帶來故障點(diǎn)大幅減少,從設(shè)計(jì)源頭上大幅提高了可靠性。

機(jī)電一體化調(diào)速裝置的主要特點(diǎn)見表2。

表2 機(jī)電一體化調(diào)速裝置的主要特點(diǎn)表

4 與其它調(diào)速方案的對比案例

某200×104t/a汽油加氫裝置的調(diào)速方案采用了機(jī)電一體化調(diào)速裝置,其選型參數(shù)為額定功率6 359 kW,調(diào)速范圍7 555～12 205 r/min (65%～105%)內(nèi)的效率在 91.5%以上,見表3。

表3 某200×104 t/a汽油加氫裝置機(jī)電一體化調(diào)速裝置選型參數(shù)表

效率是機(jī)電一體化調(diào)速裝置與其他調(diào)速方案(如液力調(diào)速行星齒輪方案)相比的核心優(yōu)勢。與液力調(diào)速行星齒輪相比,效率曲線對比見圖4。

圖4 某200×104 t/a汽油加氫裝置機(jī)電一體化調(diào)速裝置與液力調(diào)速行星齒輪的調(diào)速范圍—效率對比圖Fig.4 Speed range-efficiency comparison between a mechatronicsengineering speed regulating device and a hydraulic planetarygear in a 200×104 t/a gasoline hydrogenation unit

因效率提高而節(jié)省的能耗比較見表4,整體調(diào)速范圍內(nèi)機(jī)電一體化調(diào)速裝置每年可以減少CO2排放1 373 t,主要調(diào)速范圍內(nèi)每年減少CO2排放 1 412 t。

表4 某200×104 t/a汽油加氫裝置在不同調(diào)速范圍下的經(jīng)濟(jì)效益和減少的碳排放表

全容量變頻器調(diào)速方案通常不會提供各個工況點(diǎn)的選型參數(shù),故沒有實(shí)際數(shù)據(jù)可參考。其與機(jī)電一體化調(diào)速裝置的區(qū)別主要在于變頻器的容量不同,100%容量比20%容量的能耗損失更大;且機(jī)電一體化調(diào)速裝置在發(fā)電機(jī)模式下可以反饋部分功率至電網(wǎng),所以整體工作效率高于全容量變頻器調(diào)速方案的整體工作效率。此外,機(jī)電一體化調(diào)速裝置的低壓變頻器比高壓變頻器的穩(wěn)定性更高,因此整體來看,機(jī)電一體化調(diào)速裝置較全容量變頻器調(diào)速方案性能更優(yōu)。

5 實(shí)際應(yīng)用情況

機(jī)電一體化調(diào)速裝置用于定轉(zhuǎn)速輸入、變轉(zhuǎn)速輸出的離心設(shè)備速度調(diào)節(jié)，可在很多場合得以應(yīng)用,無論是新建設(shè)備,還是系統(tǒng)改造，無論是海上平臺、船舶,還是火電廠、煉油廠,化工廠、凈化廠,都有其適應(yīng)的工況和系統(tǒng)。

5.1 電廠鍋爐給水泵的應(yīng)用

圖5 SETCON在改造鍋爐給水泵裝置上的應(yīng)用照片F(xiàn)ig.5 Application of SETCON in retrofit of boiler feed water pump

德國Voith公司為廣州南沙華潤電廠2×300 MW給水泵組調(diào)速節(jié)能改造項(xiàng)目提供了2套機(jī)電一體化行星調(diào)速裝置VECO-Drive,見圖6。這2套裝置替換了原有的液力調(diào)速裝置,對原有基礎(chǔ)做了改動。截至到2020年5月,2套VECO-Drive已累計(jì)安全運(yùn)行超過5 000 h,主電機(jī)電流大幅低于改造前,調(diào)速系統(tǒng)的實(shí)測傳動效率高達(dá)97%以上。

圖6 VECO-Drive在改造鍋爐給水泵裝置上的應(yīng)用照片F(xiàn)ig.6 Application of VECO-Drive in retrofit of boiler feed water pump

中船重工703所下屬哈爾濱廣翰傳動公司開發(fā)了廣瀚機(jī)電一體化調(diào)速裝置,該裝置采用了側(cè)向布置20%疊加電機(jī)的方案,通過中間傳動齒輪連接到行星支架上,再控制行星輪與太陽輪矢量疊加。

2021年8月,哈爾濱廣翰傳動公司研發(fā)的國產(chǎn)首臺套機(jī)電一體化調(diào)速裝置在塔山600 MW等級燃煤發(fā)電機(jī)組1B電動給水泵成功投用。以往600 MW等級燃煤發(fā)電機(jī)組1 B電動給水泵調(diào)速傳動使用的是液力耦合器,由于效率低、傳動不穩(wěn)定而影響整體給水泵的綜合效率。該裝置實(shí)現(xiàn)了對液力耦合器設(shè)備的1∶1替換,即機(jī)電一體化調(diào)速裝置按原液力耦合器接口進(jìn)行定制化設(shè)計(jì),保證了新設(shè)備的軸向尺寸、接口與原液力耦合器完全一致,給水泵組中的主電機(jī)、前置泵等設(shè)備位置均無需變動。廣翰機(jī)電一體化調(diào)速裝置在改造鍋爐給水泵裝置上的應(yīng)用見圖7。

圖7 廣翰機(jī)電一體化調(diào)速裝置在改造鍋爐給水泵裝置上的應(yīng)用照片F(xiàn)ig.7 Application of Guanghan speed mechatronics engineeringregulating device in retrofit of boiler feed water pump

利用該裝置可實(shí)現(xiàn)機(jī)組全負(fù)荷工況下綜合調(diào)速傳動效率達(dá)91%以上,最高調(diào)速傳動效率可達(dá)96%以上,大大超越常規(guī)液力耦合器的調(diào)速傳動效率。

5.2 飛機(jī)發(fā)動機(jī)試驗(yàn)臺上的應(yīng)用

德國RENK公司為某飛機(jī)發(fā)動機(jī)試驗(yàn)臺提供的機(jī)電一體化調(diào)速裝置Recovar見圖8,該裝置安裝在德國柏林,渦輪機(jī)軸功率97 MW,轉(zhuǎn)速8 625 r/min,調(diào)速范圍為額定轉(zhuǎn)速的70%～100%。自2017年投運(yùn)以來已經(jīng)運(yùn)行了數(shù)千小時。

圖8 某飛機(jī)發(fā)動機(jī)試驗(yàn)臺Recovar照片F(xiàn)ig.8 Photos of Recovar on an aircraft engine test bench

5.3 其它領(lǐng)域的應(yīng)用

運(yùn)用同樣的工作原理,德國RENK公司還開發(fā)了在石化聚烯烴的擠壓造粒機(jī)裝置[19]、水泥磨機(jī)和船舶驅(qū)動系統(tǒng)[20]里應(yīng)用的機(jī)電一體化調(diào)速裝置,并已成功投用,見圖9～11。

圖9 擠壓造粒機(jī)SUPREX調(diào)速齒輪箱配置圖Fig.9 Configuration diagram of the SUPREX speed regulating gearbox of the extrusion granulator supreme

圖10 水泥磨機(jī)10 MW立式行星齒輪箱配置圖Fig.10 10 MW vertical planetary gearbox,integratedmotorand frequency conversion,used for cement mill

圖11 船用主發(fā)電機(jī)3.5 MW調(diào)速齒輪箱配置圖Fig.11 3.5 MW variable speed gearbox,marine main generator,power superposition

6 結(jié)論

機(jī)電一體化調(diào)速裝置這種新型調(diào)速方案在傳統(tǒng)變頻調(diào)速的基礎(chǔ)上引入了機(jī)械調(diào)速,即在主電機(jī)、變頻器的基礎(chǔ)上增加了疊加電機(jī)、行星齒輪組等主要部件,采用先啟動疊加電機(jī)再啟動主電機(jī)的方式,將啟動電流降低到額定電流的2～3倍左右，改善主電機(jī)的啟動性能;通過不同轉(zhuǎn)速下3種工作模式(發(fā)電機(jī)模式、0轉(zhuǎn)速模式和電動機(jī)模式)的轉(zhuǎn)變,極大地提高了系統(tǒng)效率、降低了能耗。

目前國內(nèi)外均有廠家可提供機(jī)電一體化調(diào)速裝置,且該裝置已通過一定的工程實(shí)踐，其技術(shù)可靠性已基本得到驗(yàn)證。因此，機(jī)電一體化調(diào)速裝置集成了機(jī)械調(diào)速方案和變頻調(diào)速方案的優(yōu)點(diǎn),實(shí)現(xiàn)了高效傳遞、高可靠性運(yùn)行與低維護(hù)成本的目的。

在國家碳達(dá)峰、碳中和的總體要求下,各行業(yè)都在考慮減少碳排放措施,如有些行業(yè)在考慮用電機(jī)驅(qū)動替代汽輪機(jī)驅(qū)動、燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動等。因此,對大功率電驅(qū)離心式機(jī)泵的改造勢在必行,這對系統(tǒng)優(yōu)化提升、節(jié)能降耗等都將提出新的要求。

目前,國內(nèi)外尚未有油氣管道工程采用機(jī)電一體化調(diào)速裝置作為電驅(qū)離心式機(jī)泵調(diào)速方案的先例,因此建議在對該新型調(diào)速方案進(jìn)行更詳細(xì)的研究和分析論證的基礎(chǔ)上,合理選取電驅(qū)離心式機(jī)泵項(xiàng)目進(jìn)行先期試點(diǎn),進(jìn)一步積累工程經(jīng)驗(yàn),使機(jī)電一體化調(diào)速裝置能更好地適應(yīng)管道工程變工況運(yùn)行的特點(diǎn),為油氣管道行業(yè)大型離心式機(jī)泵的調(diào)速方案提供更多選擇。