永磁调速节能技术在大功率循环水泵上的应用

王洪滨，刘文华，杜 江，王向东

(1.山东胜利发电厂，山东 东营 257087;2.南京艾凌节能技术有限公司，江苏 南京 211122)

0 引言

电厂循环水泵系统由于水循环量大，所用电机一般为大功率电机，电耗巨大，约占厂用电的10%左右［1－2］;而且循环水泵一般为定速运行，节流损失大，其效率却很低，所以对循环水泵节能改造势在必行，也是节能减排必须解决的问题。为提高水泵的运行效率，需对水泵进行变速调节提高水泵的调速性能。目前，水泵调速主要有变频调速［3－5］、液力耦合调速［6－7］、永磁调速［8－9］三种。永磁调速驱动技术是近年来国际上开发的一项突破性新技术［10］，专门针对风机、泵类离心负载调速节能的适用技术，具有高效节能、高可靠性、无刚性连接传递扭矩、可在恶劣环境下应用、极大减少整体系统振动、减少系统维护和延长系统使用寿命等特点。尤其是其不产生高次谐波且低速下不造成电机发热的优良调速特性更使其成为风机及泵类设备节能技术改造的首选。目前国内水利、电力、石化等许多领域开始采用该项调速技术并取得了较好的效益［11－14］。但针对大功率水泵电机(≥1 000 kW)的调速应用较少，有关节能效果的现场数据也较少。本文采用大功率永磁调速器对循环水泵的节能效果进行试验研究，所采用产品的结构有别于美国MagnaDrive公司生产的盘状永磁调速器，为新型的筒状结构，具有结构简单、体积小、重量轻、调速范围大等优点。

1 系统概况

胜利发电厂热网系统负责胜利油田基地的集中供暖，热网系统采暖介质为热水，由循环水泵将加热到130℃的热水经一级管网送至基地中心区域，在二级换热站完成低温水与高温水的换热，为各区域内建筑物供暖。热水由130℃降至65℃后返回胜利发电厂热网首站，将做完功的65℃的回水加热至130℃的高温热水并送至二级换热站。循环水系统的示意图如图1所示，采用母管制循环水系统，由7台功率为1 000 kW和2台功率为1 250 kW的循环水泵组成，经5台加热器加热后的热水经一级管网送至各二级换热站。

热网系统循环水供水流量会随着季节和负荷的变化而变化，因此需要对泵的流量进行有效控制。为了实现节能降耗的目标，在前期对2号水泵进行变频调节的基础上，对5号泵进行永磁调速改造，对改造后的节能效果进行对比。所用循环泵流量为2 236 m3/h，扬程130 m，配套电机功率1 000 kW，电压6 000 V，定子电流116 A，转速1 485 r/min。

图1 热网循环水系统组成图

2 永磁调速技术原理

美国MagnaDrive公司生产的盘状永磁调速器为气隙调整式永磁调速器，本文所采用啮合面调整式永磁调速器为新型的圆筒状结构，与气隙式相比具有结构简单、体积小、重量轻、调速范围大等优点。啮合面调整式永磁调速器由筒形导体转子、筒形永磁转子、电动调节器三部分组成，如图2所示。其中筒形导体转子安装在电机侧，与电机转速一致;筒形永磁转子安装在负载侧，位于筒形导体转子内，其间由空气隙分开。工作原理如图3所示，导体转子和永磁转子可以自由的独立旋转，当导体转子旋转时，导体转子与永磁转子产生相对运动，交变磁场通过气隙在导体转子上产生涡流，同时涡流产生感应磁场与永磁场相互作用，从而带动永磁转子沿着与铜转子相同的方向旋转，结果是在负载侧输出轴上产生扭矩，从而带动负载做旋转运动。通过调节器调节两者在轴线方向的相对位置，改变两者间的啮合面积，就可以控制传递扭矩的大小，从而实现负载转速的变化。啮合面积大，通过永磁调速器传递的扭矩就大，负载转速高;啮合面积小，通过永磁调速器传递的扭矩就小，负载转速低。

图2 永磁调速系统构成

图3 永磁调速工作原理

3 永磁调速试验数据

根据技术改造要求，仅对5号循环水泵进行永磁调速改造，并与变频调速进行对比分析。用图2所示的水冷式大功率永磁调速器ALTH－1000代替电动机和水泵之间的刚性联轴器，5号循环水泵调速改造后现场照片如图4所示。永磁调速系统根据所需供水流量和水泵转速信号，调节永磁调速器筒形导体转子和筒形永磁转子在轴线方向的相对位置，改变两者间的啮合面积，调节循环水泵的转速，从而改变水泵的供水流量。另外，通过冷却系统对永磁调速器进行冷却，降低温度，并且通过温度传感器在线检测永磁调速器内各轴承处的温度，如果出现温度过高的现象，则报警停机检查。

图4 5号循环水泵改造现场

3.1 永磁调速循环水泵运行测试数据

表1为永磁调速系统在调节电动执行器的行程时的试验数据，可以看出通过调节筒形导体转子和永磁转子之间的啮合面积(即电动执行器的行程)，可以改变循环水泵负载侧的转速，实现速度的调节。随着执行器行程的增加，输出转速增加，水泵的供水流量增加，电机消耗的电流和功率也随之增加。由于永磁调速系统是依靠调节水泵的转速调节供水流量，而不是依靠调节水泵出口门开度，所以当流量增加时，水泵出口和供水口之间的压力差变化较小，也就是说在运行过程中节流损失大大降低，从而达到节能的目的。永磁调速器调节特性曲线如图5所示，可以看出永磁调速器的调节特性线性度很好，能满足现场生产的控制需求。

表1 5号永磁调速循环水泵试验数据表

图5 永磁调速调节特性曲线

3.2 永磁调速节能效果对比试验

为比较永磁调速与变频调速和节流调节三种方式的节能效果，分别对永磁调速5号泵、变频调速2号泵、工频节流调节式3号泵在不同供水流量下的试验数据进行对比，试验数据分别如表2、3、4所示。

从表2、表3可以看出在相同的供水流量下永磁调速比节流调节方式节能。以供水流量为1 700 m3/h时来说，在供水压力基本相同的情况下，永磁调速5号水泵的出口压力为0.67 MPa，而工频3号泵的出口压力为1.33 MPa;有功功率分别为453 kW、907 kW，永磁调速5号泵比工频2号泵的有功功率降低了50%。工频3号泵是定速驱动的泵，通过调节出口电动门的开度控制水泵的流量，这样当所需供水流量降低时，减小电动门的开度，出口压力就会增加，节流损失的能量就会增大。

从表2、表3永磁调速和变频调速的试验数据可以看出两种方式的能耗相当，节能效果相当。在相同的流量下，变频调速循环水泵的有功功率略大于永磁调速循环水泵，是由于变频调速循环水泵的电动门开度较小，使出口与供水之间的压力差增大所导致的。

虽然永磁调速和变频调速两种方式在节能效果上相当，但永磁调速相对于变频调速具有以下优势: (1)采用永磁调速后，电机和循环水泵之间的轴连接是非接触式的，取代了变频调速采用的刚性联轴器，将原来的一个长轴系统变成了两个互不相连的短轴系统，这样循环水泵一侧的振动就不会传递到电机一侧;同时可以大大减小长轴系统对振动的放大效应。(2)永磁调速器是纯机械产品，不像变频调速对环境的温度湿度要求高，平均无故障时间比变频调速要长很多，基本上是免维护的，使用寿命也就相应延长。(3)变频调速会产生电力谐波，对电网将产生传导干扰，引起电网电压畸变。并且由于采用IGBT等开关器件，会产生较强的电磁辐射，影响周边电器的正常工作。

表2 永磁调速循环水泵(5号)

表3 变频调速循环水泵(2号)

表4 工频循环水泵(3号)

3.3 改造前后节能经济数据分析

针对在实际运行中供水流量为8 200 m3/h左右时分析改造前后的节能数据，运行的循环水泵为变频调速2号水泵、永磁调速5号水泵、工频调速3、6号水泵。永磁调速改造后结合变频调速通过调节转速满足系统的流量和压力的要求。改造前后，根据现场采集数据统计分析，水泵的运行功率如表5所示，可以看出永磁调速后节能效果明显，节电率为11.9%。

表5 节能数据对比

按照热网系统全年平均运行时间为120天计算，年节电量为456×24×120=1 313 280 kW·h，若电费按0.71元/kW·h计算，年节约电费为1，313， 280×0.71=932 428.8元 (约为93.2万元人民币)。如果考虑到采用永磁调速后减少了系统的振动，减少了系统的维护工作量，延长了轴承和密封件的寿命等因素，效益远大于上述数据。

4 结论

胜利发电厂热网循环水系统5号水泵采用啮合面调整式大功率永磁调速器进行调速改造后运行情况良好，达到了预期的目的，投运10个月来没有发生任何缺陷和故障，节能效果明显。

永磁调速技术是一种先进的电机调速、节能技术，具有节能效果显著、结构简单、性能可靠、后期维护成本低、使用寿命长，可在－10～﹢50℃环境条件下长期安全使用等优点。通过实际应用证明，在大功率循环水泵与风机节能方面具有较广阔应用前景。

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