永磁调速器在泵与风机节能中的应用

贺运初，潘树林，王 满

（1.湖南众合节能环保有限公司，湖南长沙410205；2.广西大学化学化工学院，广西南宁530004）

永磁调速器在泵与风机节能中的应用

贺运初1，潘树林2，王 满2

（1.湖南众合节能环保有限公司，湖南长沙410205；2.广西大学化学化工学院，广西南宁530004）

阐述了永磁调速器的工作原理，分析了永磁调速相对于变频调速的优势。通过泵与风机永磁调速的应用实例，对永磁调速系统进行了节能分析。应用结果表明，永磁调速器具有可靠性高、节能效果好、成本低、无伴生危害等优点。

永磁调速器；节能；原理；效果；计算；应用；泵；风机

0 概 述

泵与风机在国民经济中占有重要地位，泵的电能消耗占全国电能消耗总量的21%以上，风机的电力消耗占全国发电总量的10%以上［1］。设计时，因选用的泵与风机裕量过大，或者无相匹配的泵与风机，而选用了性能参数较高的泵与风机。在实际运行中负荷的变化较大，设计时只能按最大需求选用泵与风机的参数。因此，在系统工况下，泵与风机性能不匹配的现象十分突出，泵与风机长时间偏离高效区运行。仅采用节流或回流的方法，对泵或风机的流量、压力等进行调节，均会造成系统的能量损失。例如，火力发电厂设计技术规程规定：采用三分仓空气预热器正压直吹式制粉系统的冷一次风机的风量裕量宜不小于35%，另增的温度裕量，可按“夏季通风室外计算温度”进行确定。风机的压头裕量宜为30%［2］。采用调速装置对泵或风机的运行参数进行调节，可以改善系统的匹配状态及运行弹性，从而使设备运行在最佳工况下。永磁传动技术是指在外力的作用下，利用传动部件中主、从动永磁场所产生的耦合力（包括吸引力和排斥力），实现力或转矩（功率）无接触传递的一种新兴的传动技术［3］。永磁调速技术属于永磁传动技术的一个分支，可以进行在线无级平滑调速。《国家重点节能技术推广目录（第五批）》推荐了永磁调速技术。《工业节能“十二五”规划》，要求采用永磁调速技术，改善风机、泵类电机系统调节方式，逐步淘汰闸板、阀门等机械节流调节方式，提高电机系统的运行效率。

1 永磁调速器的基本组成与工作原理

1.1 基本组成

永磁调速器主要由导体转子、永磁转子、气隙调整机构、执行器等组成，如图1所示。导体转子固定在电机轴上，永磁转子固定在负载轴上，导体转子与永磁转子之间有间隙（称为气隙），各转子均可独立旋转。1.2 工作原理

图1永磁调速器的基本组成

在启动负载之前，空载启动电动机。旋转的电机轴带动导体转子在永磁转子的强磁场中切割磁力线，在导体转子中产生涡电流，该涡电流在导体转子上产生反向感应磁场，与永磁转子的强磁场相互作用形成磁转矩，从而带动永磁转子沿着与导体转子相同方向旋转，实现电机与负载之间的转矩传递。永磁调速器传递的转矩，随着导体转子与永磁转子之间气隙的减小而增加。调整永磁转子与导体转子之间的气隙，就可改变永磁调速器输出转矩的大小，从而获得可调整、可控制的负载转速。在电机转速恒定不变的情况下，实现负载转速的调节。气隙的调节，如图2所示。

2 永磁调速系统的节能分析

图2永磁调速器的气隙调整示意图

动力相似的情况下，遵循比例定律。

式（1）～式（3）中：

Q1、H1、P1分别是转速为n1时负载的流量、扬程（全压）、轴功率；

Q2、H2、P2分别是转速为n2时负载的流量、扬程（全压）、轴功率。

2.2 有静扬程系统比例定律的数学修正

静扬程即泵或风机系统在管网性能曲线中流量为零时的扬程（全压）。对于水泵，静扬程为水泵提升液体的位置高度（即位置势能）Z与水泵管道进出的压力差（p1-p2）/γ之和［4］。对于风机，在管道输送气体时，若管道入口压力为大气压，气体通过风机后仍排入大气，或者风机前后2个容器的压力差很小，则管道性能曲线只取决于管路压力损失，它是一条通过坐标原点的抛物线［1］，即静扬程为零。

当水泵管道系统的静扬程为零时，管道性能曲线是一条通过坐标原点的抛物线，改变泵的转速会得到不同的泵性能曲线。在不同转速下，泵的运行工况点是相似工况点，可直接用比例定律计算调节流量所需的转速和节能效果。若管道系统有静扬程，管道水头损失不再为零，管道性能曲线已不再是通过坐标原点的抛物线，转速变化前后的工况点不再是相似工况点，流量、扬程与转速的关系不符合比例定律，不能简单地套用比例定律来计算流量调节所需的转速和节能效果，而需采用对比例定律进行数学修正后的公式来计算流量调节所需的转速和估算节能效果［5］。

2.1 离心负载的比例定律

离心式风机、水泵在满足几何相似、运动相似、

式（5）、式（6）中：Ha—水泵管道系统的静扬程，m；

Hso—泵关死点的扬程，m。（额定转速下泵性能曲线中流量为零时的扬程）

2.3 泵与风机的调速节能原理

在大部分运行时间里，系统的实际需求流量小于风机、水泵的最大设计流量。由比例定律可知，调速泵或风机的运行转速如果比额定转速低，输出的轴功率也随之降低。水泵系统的Q-H曲线，如图3所示。水泵常使用节流调节和转速调节。曲线1、曲线1′为不同转速下水泵的性能曲线，曲线2、曲线2′为不同流量下水泵的性能曲线。A2为额定工况点，在流量降至Q1时，A1为使用转速调节的工况点，A′为使用节流调节的工况点，H′A′A1H1所围面积就反映了转速调节比节流调节节约的轴功率。2.4 永磁调速系统的电机输出功率

图3水泵系统的Q-H曲线

当电机与负载刚性联接时，电机转速等于负载转速即n1，电机输出功率N1等于负载轴功率P1。在电机与负载之间设置永磁调速器时，电机转矩等于负载转矩，电机转速恒定不变，即恒等于n1，负载转速为n2。

式（7）～式（10）中：η、MT、MF分别为永磁调速器传动效率、电机转矩、负载转矩；

N1、N2分别是负载转速为n1、n2时的电机输出功率。

2.5 永磁调速系统的综合节能率

式（11）中：ξ为泵或风机永磁调速系统在统计报告期内的综合节能率；

N1i、N2i分别是包含泵或风机的工程装置在第i种工况运行时，泵或风机在采用永磁调速前后配套电机的输出功率；

Nxi为包含泵或风机的工程装置在第i种工况运行时，泵或风机的永磁调速器冷却装置消耗的功率；

m为统计报告期内包含泵或风机的工程装置系统工况（工艺）的数量；

Ti为包含泵或风机的工程装置在第i种工况的运行时间。

空冷型永磁调速器冷却装置消耗的功率可以忽略不计，其Nxi值一般取为零。液冷型永磁调速器的Nxi值约为电机功率的0.5%，Nxi值占电机功率的比例与电机功率负相关。

3 永磁调速与变频调速比较

永磁调速与变频调速的比较情况，如表1所示。

4 适用永磁调速的条件

4.1 工况方面的条件

风机、泵的运行工况点偏离高效区，可通过调速使运行工况点处于高效区。压力、流量变化幅度较大，运行时间较长的系统；中、低流量变化类型的风机、泵负载及全流量间歇类型的风机、泵，在满足压力时，宜符合下列要求：流量变化幅度≥30%、变化工况时间率≥40%、年运行时间≥3000h；流量变化幅度≥20%、变化工况时间率≥30%、年运行时间≥4000h；流量变化幅度≥10%、变化工况时间率≥30%、年运行时间≥5000h［4］。

4.2 设备方面的条件

电机转速为750～3000r/min；额定功率为5.5～4500kW，可采用永磁调速器。额定功率小于或等于400kW时，一般采用空冷型永磁调速器。大于400kW时，可采用液冷型永磁调速器。

表1永磁调速与变频调速比较表

5 工程应用实例

5.1 泵的应用实案

某型泵的额定功率为250kW，流量为180 m3/h，转速为2970r/min。在2010年，该泵采用了永磁调速技术后，节电率达34.11%，每年节约电费71万元，降低设备维护费用10万元，节约蒸汽消耗费用42万元［6］。某水力除灰系统的1号灰浆泵，额定功率为220kW，流量为290m3/h，转速为1480 r/min。将电机与泵之间的刚性联轴器改换为永磁调速器后，实现了灰浆的进出自动平衡，不再需要人为干预，平均节电率达30.86%，泵的振动幅度，仅为改造前的15%～40%，在距防护罩表面0.5m处，改造前后磁场强度最高值分别为320mG和380 mG，在距防护罩表面1m处，改造前后磁场强度最高值分别为12mG和7mG［7］。某型立式凝结水泵的额定功率为2000kW，流量为1627m3/h，转速为1493r/min。采用永磁调速器后，平均节电率为33.8%，且凝结水管道振动得到彻底消除［8］。又如某热网的母管制循环水系统，所用的循环泵流量为2236m3/h，扬程为130m，配套电机功率为1000 kW，电压为6kV，转速为1485r/min，实际供水流量约8200m3/h。原系统中，1台泵变频调速运行，3台泵工频定速运行，将其中1台工频定速运行的泵改为永磁调速运行。改造后，4台水泵电机运行总功率，由3828kW降为3372kW，节电率为11.9%［9］。

5.2 风机的应用实例

某石化公司的鼓风机额定流量为201400 m3/h，功率为280kW，全压为3.932VkPa，转速为989r/min。采用永磁调速技术对鼓风机改造后，节电率达39.9%，只需1年半就可收回全部投资，且风机振动的振幅值由3.2mm降至0.3mm，每月停修时间由48小时降为0小时［10］。某型75t/h燃气燃油锅炉鼓风机的额定流量为54000m3/h，功率为220kW，全压为8.3kPa，转速为1450r/min。在风机与电机之间增设永磁调速器后，实现了系统风量的自动平衡，平均节电率达36.78%，风机轴、电机轴的振动幅度，分别降低了78.9%、60%，系统周围环境磁场强度略有降低，但变化不大，噪音由102 dB降至91dB［11］。某石化工厂的冷却塔设计能力为5000m3/h，配套风机的流量为2950000m3/h，轴功率为170kW，全压为144.711Pa，转速为1483 r/min。采用永磁调速技术后，风机运行1年的节电率约为15%［12］。某加热炉助燃风机的额定风量为75000m3/h，额定风压为12kPa，配套电机功率为400kW。采用永磁调速装置后，助燃风机的节能率达25%，投资回收期只有1年零5个月［13］。某循环流化床锅炉引风机的额定流量为158073m3/h，功率为355kW，转速为980r/min，利用永磁调速技术改造后，每吨蒸汽的引风机耗电率下降34.2%，轴承的振幅下降77%，噪音下降6.38%［14］。某电厂5号机组锅炉引风机的额定功率为220kW，流量为101903m3/h，风压4508Pa，转速1480r/min，配套电机的额定功率为220kW。引风机和电机之间改装了永磁调速器后，在锅炉最大负荷工况下，引风机的振幅从0.053mm隆至0.009mm，转速从1480 r/min降至1058r/min，电机电流从25A降至14 A，降幅达44%，噪音由115dB降为75dB，每年还可节约维修费用9万元［15］。

6 结 语

永磁调速器利用其主、从动永磁场所产生的耦合力，可实现转矩的无接触传递。通过调整永磁转子与导体转子之间的气隙，实现负载在线无级平滑调速。永磁调速器的安装和维护简单，能适应各种恶劣的工况运行条件，不会引起电力谐波、电磁辐射、滚动轴承“电弧焊”效应、电机散热性能下降等伴生危害的发生。无易损件，可靠性很高，节能效果好。

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简讯

俄罗斯批准SVBR—100小型快堆技术的详细设计

据报道，俄罗斯国家原子能集团公司（Rosatom）科学技术委员会（STC）近日批准下述两项专家评审结果：SVBR-100小型快堆技术的详细设计以及拟采用SVBR-100技术建设的试验性发电机组（PPPU）设计。

PPPU将由俄原与私营公司Irkutsenergo的合资公司AKME工程公司（AKME-engineering）建造。拟采用的SVBR-100设计是一种100MW的铅-铋冷却小型模块快堆。首座原型堆预计于2019年投入运行。

摘自上海电气电站设备有限公司电站辅机厂技术部《信息简讯》第205期

ApplicationofPermanentMagnetGovernorsonEnergy-saving forPumpsandFans

HEYun-chu1，PANShu-lin2，WANGMan2
（1.ZhongheEnergyConservationandEnvironmentalProtectionCo.，Ltd.，Changsha410205，Hunan，China；2.CollegeofChemistryandChemicalEngineering，GuangxiUniversity，Nanning530004，Guangxi，China）

Theworkingprinciplesofpermanentmagneticgovernorshasbeendescribedandtheadvantagesof permanentmagneticspeedregulationcomparedwithfrequencyconversionspeedregulationareanalyzed.Theenergysavingeffectofpermanentmagneticgoverningsystemhasbeenanalyzedthroughitsapplicationexampleinpumpsand fans.Engineeringapplicationsindicatethatthepermanentmagneticgovernorshavehighreliability，remarkable energy-savingeffectandlowcostandhavenoassociatedhazards.

permanentmagneticgovernor；energy-saving；principle；effect；calculation；application；pump；fan

TK263.7+2

A

1672-0210(2015)04-0047-04

2015-08-11

：2015-09-22

贺运初（1966-），男，毕业于湘潭大学化工机械专业，硕士，高级工程师，主要从事工业设备节能技术的研发与推广。