110kW溫排水升壓泵永磁調(diào)速節(jié)能改造

尹恒 陳宇

摘? 要：某電廠110kW/1480rpm溫排水升壓泵，實(shí)際運(yùn)行中，由于工藝上對(duì)水量的需求遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)值，只能通過(guò)關(guān)小閥門(mén)的方式進(jìn)行節(jié)流，但此種運(yùn)行方式，導(dǎo)致大量的能耗浪費(fèi)在閥門(mén)擋板上;同時(shí)由于管網(wǎng)曲線改變，使得系統(tǒng)處于非經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)間，設(shè)備整體能耗偏高。而且，因現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備未加任何調(diào)速裝置，目前的馬達(dá)直接啟動(dòng)，水泵全速運(yùn)行，存在能耗嚴(yán)重、啟動(dòng)電流較大、檢修維護(hù)工作量大及比較難啟動(dòng)等問(wèn)題。為了解決這些問(wèn)題，某電廠采用沃弗永磁調(diào)速器替代原有的聯(lián)軸器，把原來(lái)的硬聯(lián)接改為非接觸性的軟聯(lián)接，解決安裝對(duì)心問(wèn)題，減少設(shè)備振動(dòng)，提高電機(jī)與負(fù)載的可靠性，減少設(shè)備維護(hù)，并能降低負(fù)載的轉(zhuǎn)速，達(dá)到降速節(jié)能的目的。采用永調(diào)速改造后，可開(kāi)環(huán)運(yùn)行手動(dòng)調(diào)節(jié)，也可根據(jù)液位進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，避免設(shè)備的頻繁啟動(dòng)，減少補(bǔ)水量，節(jié)能電能。

關(guān)鍵詞：永磁調(diào)速器;節(jié)能原理;改造方案

中圖分類(lèi)號(hào)：TM56? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2020）35-0070-03

Abstract： In the actual operation of the 110kw/1480rpm thermal drainage booster pump in a power plant， because the demand for water in the process is far lower than the design value， it can only be throttled by turning off the valve， but this operation mode leads to a large amount of energy consumption wasted on the valve baffle; at the same time， due to the change of the pipe network curve， the system is in the non-economic operation zone， and the overall energy consumption of the equipment is on the high side. Moreover， because the field equipment does not add any speed regulation device， the current motor starts directly and the water pump runs at full speed， which has some problems， such as serious energy consumption， large starting current， heavy workload of maintenance and difficult to start and so on. In order to solve such problems， a power plant uses W-F permanent magnet governor to replace the original coupling， changing the original hard connection to a non-contact soft connection， solving the problem of installation centering， reducing equipment vibration， and improving the reliability of motor and load， so as to reduce equipment maintenance and the speed of the load to achieve the purpose of speed reduction and energy saving. After the transformation of permanent speed regulation， the open-loop operation can be adjusted manually or automatically according to the liquid level， in order to avoid frequent start-up of equipment， reduce water supply and save electric energy.

Keywords： permanent magnet governor; energy saving principle; transformation scheme

引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和建立環(huán)境友好型、資源節(jié)約型社會(huì)目標(biāo)的提出，越來(lái)越多的企業(yè)對(duì)機(jī)電設(shè)備的節(jié)能技術(shù)管理越來(lái)越重視關(guān)注[1-4]。

目前，大功率高壓異步電動(dòng)機(jī)的主要調(diào)速方式有以下3種：液力耦合器調(diào)速、變頻調(diào)速和永磁傳動(dòng)與調(diào)速器調(diào)速等[5-7]。它們的特點(diǎn)如表1所示。

經(jīng)過(guò)各方面的綜合考慮，最后選用了當(dāng)前最先進(jìn)可靠的永磁傳動(dòng)與調(diào)速器調(diào)速方式。

1 系統(tǒng)構(gòu)成與工作原理

永磁調(diào)速器如圖1所示是對(duì)電動(dòng)機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)是通過(guò)銅導(dǎo)體和永磁體之間的氣隙實(shí)現(xiàn)的，其工作原理是一端稀有金屬氧化物硼鐵釹永磁體和另一端感應(yīng)磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，通過(guò)調(diào)節(jié)永磁體和導(dǎo)體之間的氣隙就可以控制傳遞的轉(zhuǎn)矩，從而實(shí)現(xiàn)負(fù)載速度調(diào)節(jié)，永磁調(diào)速器的特點(diǎn)如表2所示。

永磁調(diào)速器由三個(gè)部件組成;沃弗永磁調(diào)速器由3部分組成：主動(dòng)轉(zhuǎn)子-與電機(jī)相連;從動(dòng)轉(zhuǎn)子-與負(fù)載相連;機(jī)械調(diào)速機(jī)構(gòu)-調(diào)整氣隙的機(jī)構(gòu)

永磁調(diào)速器控制系統(tǒng)流程圖如圖2所示，永磁調(diào)速器WF可響應(yīng)于過(guò)程信號(hào)。壓力、流量、液位或其它過(guò)程控制信號(hào)被控制系統(tǒng)接收和處理，然后提供到WF的執(zhí)行器。該執(zhí)行器調(diào)整氣隙，從而調(diào)整負(fù)載速度以滿足控制要求。

流量/壓力/溫度傳感器檢測(cè)負(fù)載受控制量通過(guò)邏輯控制器PLC將檢測(cè)量通過(guò)PID調(diào)節(jié)，變成4～20mA信號(hào)驅(qū)動(dòng)角度執(zhí)行機(jī)構(gòu)，推動(dòng)WF的氣隙調(diào)節(jié)動(dòng)作;人機(jī)界面用于客戶設(shè)定負(fù)載輸出量的界面，整個(gè)控制系統(tǒng)為全自動(dòng)，當(dāng)自動(dòng)系統(tǒng)故障時(shí)，可通過(guò)執(zhí)行器手動(dòng)調(diào)節(jié)氣隙，也可通過(guò)人機(jī)界面或PLC實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程遙控或直接由中央控制系統(tǒng)（DCS）進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控。

2 節(jié)能原理

在實(shí)際工程建設(shè)過(guò)程中，通常需要按系統(tǒng)的最大出力來(lái)配備風(fēng)機(jī)、水泵系統(tǒng)，從而滿足設(shè)備的輸出要求，通過(guò)閥門(mén)或風(fēng)門(mén)板流量控制元件來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)流量和壓力調(diào)節(jié)，以滿足生產(chǎn)過(guò)程的需要。

風(fēng)機(jī)、水泵系統(tǒng)的效率與電機(jī)效率、調(diào)節(jié)流量或轉(zhuǎn)速或壓力控制設(shè)備的效率、風(fēng)機(jī)、水泵效率、輸送管道的效率的乘積成正比。

采用永磁調(diào)速器，可利用對(duì)氣隙的調(diào)節(jié)從而達(dá)到對(duì)流量或壓力的連續(xù)控制目的，在電機(jī)轉(zhuǎn)速不變的情況下，調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)、水泵的轉(zhuǎn)速。

風(fēng)機(jī)水泵等離心負(fù)載符合相似定律：

Q1/Q2=n1/n2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

H1/H2=（n1/n2）2? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

P1/P3=（n1/n2）3? ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

T1/T2=（n1/n2）2? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（4）

電機(jī)輸出功率P=T×n? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （5）

所以電機(jī)輸出功率P1/P2=（n1/n2）2? ? ? ? ? ?（6）

Q-流量;n-轉(zhuǎn)速;H-壓力;P-負(fù)載功率;T-負(fù)載扭矩。

必須指出：節(jié)能效果主要取決于風(fēng)機(jī)水泵系統(tǒng)實(shí)際持續(xù)運(yùn)行的工況。合理的工作點(diǎn)設(shè)置是系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計(jì)的基點(diǎn)。

水泵風(fēng)機(jī)在運(yùn)行時(shí)，其運(yùn)行特性曲線（n：水泵性能曲線;R：管網(wǎng)特性曲線）如圖3所示，其工作點(diǎn)是風(fēng)機(jī)H-Q曲線與管網(wǎng)H-Q曲線的交點(diǎn)。水泵的正常工作點(diǎn)為A，當(dāng)水量需要從Q1調(diào)到Q2時(shí)，采用閥門(mén)調(diào)節(jié)時(shí)，管網(wǎng)特性曲線由R1改變?yōu)镽2，其工作點(diǎn)A調(diào)至B點(diǎn)，其功率為O-Q2? B-H'2所圍成的面積，其功率變化很小，而其效率卻隨之降低。

采用調(diào)速調(diào)節(jié)時(shí)，可按需要調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速，改變?cè)O(shè)備的性能曲線，圖中n1到n2，其工作點(diǎn)A調(diào)至C點(diǎn)，使其參數(shù)滿足工藝要求，其功率為O-Q2 C-H2所圍成的面積，同時(shí)其效率曲線也隨之平移，依然工作在高效區(qū)。由于功率隨轉(zhuǎn)速3次方變化，故節(jié)能效果顯著。

3 項(xiàng)目節(jié)電率測(cè)試方法

（1）根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)《水泵機(jī)組與管網(wǎng)系統(tǒng)節(jié)能監(jiān)測(cè)》（GBT 15913-2009）中的相關(guān)規(guī)定，結(jié)算用的電量表要求精度等級(jí)為0.5級(jí)，并且需要有檢定資質(zhì)的部門(mén)出具的檢定合格證書(shū)。

（2）改造前對(duì)先在泵機(jī)進(jìn)線端各自安裝或使用現(xiàn)有表具。符合上述要求的三相有功電度表，對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行電耗進(jìn)行確認(rèn)。系統(tǒng)運(yùn)行能耗以單位時(shí)間的功耗作為計(jì)量依據(jù)，雙方對(duì)改造前系統(tǒng)的單位耗電量進(jìn)行確認(rèn)，依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)電表及臺(tái)賬記錄分別統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)運(yùn)行一定周期內(nèi)單臺(tái)泵機(jī)所消耗的電量總和？撞P和系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間？撞T，按以下公式計(jì)算出單臺(tái)泵機(jī)的單位小時(shí)耗電量？姿1，作為改造前的能耗基準(zhǔn)值。

泵機(jī)規(guī)定時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)消耗總電量（kWh）;？撞T-系統(tǒng)運(yùn)行計(jì)量的規(guī)定時(shí)間（h）;？姿1-系統(tǒng)單位時(shí)間的運(yùn)行能耗（kWh/h）

改造工程完成后，使用原表對(duì)系統(tǒng)電耗進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，同時(shí)通過(guò)計(jì)時(shí)器統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間，按上述公式計(jì)算出改造后泵機(jī)的單位小時(shí)耗電量2，從而得出改造前后泵機(jī)單位小時(shí)的節(jié)能量為：

可以得出系統(tǒng)當(dāng)期節(jié)能量=？駐？姿1×當(dāng)期運(yùn)行時(shí)間。

4 改造描述

對(duì)于110kW/1480rpm水泵，選用沃弗永磁調(diào)速器WF-TM470空冷型永磁調(diào)速器，取代原有的聯(lián)軸器，安裝于電機(jī)和負(fù)載之間。

無(wú)需復(fù)雜的配套設(shè)施，只需給定4～20mA信號(hào)，調(diào)節(jié)負(fù)載的轉(zhuǎn)速，達(dá)到自動(dòng)調(diào)節(jié)流量、壓力和功耗的目的，相當(dāng)于一個(gè)自控閥門(mén)的程序控制即可。既減少了整機(jī)的維護(hù)，又調(diào)速節(jié)能，而且控制非常簡(jiǎn)單可靠。

同時(shí)考慮到緊急情況，可現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置就地操作箱，可就地操作。

安裝改造：

沃弗永磁調(diào)速器的安裝方式簡(jiǎn)單，工程量小，它是取代原有的聯(lián)軸器，安裝在電機(jī)與負(fù)載之間的。為了安裝永磁調(diào)速器，我們只需將電機(jī)與負(fù)載拆開(kāi)，拆掉原有的聯(lián)軸器，用永磁調(diào)速器替代即可，改造方案的示意圖如圖4所示。

5 節(jié)能分析

五年投資回報(bào)分析：

初始購(gòu)置及安裝成本高壓變頻器較永磁調(diào)速器高 11.5萬(wàn)人民幣（若扣除更換電機(jī)費(fèi)用， 則永磁調(diào)速器較高壓變頻器高6.5萬(wàn)人民幣），操作、運(yùn)行及維護(hù)成本高壓變頻器較永磁調(diào)速器高12.8萬(wàn)人民幣/年，以每年節(jié)電率 30%計(jì)算，每年約節(jié)費(fèi)36萬(wàn)，統(tǒng)計(jì)首年投入與五年回報(bào)數(shù)據(jù)如表3所示。

改造前電機(jī)的實(shí)際消率：180/198.7*110=99.6kW，在實(shí)際運(yùn)行中，閥門(mén)的開(kāi)度為13%，流量為400t/h。

根據(jù)離心式設(shè)備的特性，若只考慮流量，則改造前后的轉(zhuǎn)速比為0.4，考慮到轉(zhuǎn)速下降后，壓力隨之改變，若壓力太低，難以保證供水的要求。因此，綜合保守考量，保守計(jì)算，此處轉(zhuǎn)速比取為0.85。

采用沃弗永磁調(diào)速器改造后：

改造后電機(jī)功耗=100×0.9^2/0.97=83.5kW

式中：0.97-永磁調(diào)速器效率

100-水泵軸功率

節(jié)能率=（99.6-83.5）/ 99.6=16.2%

6 結(jié)論

某電廠采用沃弗永磁調(diào)速器替代原有的聯(lián)軸器，把原來(lái)的硬聯(lián)接改為非接觸性的軟聯(lián)接，解決安裝對(duì)心問(wèn)題，減少設(shè)備振動(dòng)，提高電機(jī)與負(fù)載的可靠性，減少設(shè)備維護(hù)，并能降低負(fù)載的轉(zhuǎn)速，達(dá)到降速節(jié)能的目的。采用永調(diào)速改造后，可開(kāi)環(huán)運(yùn)行手動(dòng)調(diào)節(jié)，也可根據(jù)液位進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，避免設(shè)備的頻繁啟動(dòng)，減少補(bǔ)水量，節(jié)能電能。

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