炼厂机泵永磁调速装置的运行与改造

袁 亮，韩会亮，李智国

（中国石化塔河炼化有限责任公司，新疆阿克苏 842000）

0 引言

塔河炼化公司设置有两条中压除氧水管网，其中1＃装置中压除氧水系统主要由45 t/h 锅炉配套的3 台中压除氧水泵供给，2＃装置中压除氧水系统主要由90 t/h 锅炉配套的3 台中压除氧水泵供给，2套装置中压除氧水管网设置有联通线，可以实现互联互通。除氧器为旋膜式热力除氧器，除盐水经过除氧器加热除氧后再经中压除氧水泵增压至5.4 MPa以上，然后送至全厂中压除氧水管网，其中以主要介质供至锅炉装置用于汽包生产蒸汽；以次要介质供至焦化、硫磺、加制氢、异构化和连续重整等炼油装置用于产汽和注水［1]。全厂设置有6 台中压除氧水泵，中压除氧水泵为卧式多级离心泵，设计流量65 ～120 m3/h 不等，扬程560 ～640 m 不等，转速2950 r/min。配套电机额定功率220 ～400 kW，额定电压10 kV，额定转速2980 r/min。由于生产负荷和季节因素影响，夏季生产时装置中压除氧水平均用量在150 ～170 t/h，需要至少同时运行2 台中压给水泵，冬季生产装置中压除氧水平均用量在180 ～210 t/h，需要至少同时运行3 台中压给水泵，年耗电量约为550 万kW·h。除氧水泵电机设计上存在裕量较大，现使用的调整方式为泵出口再循环线调节，电动机的转速不变，将再循环阀的开度变大，形成分压此时阻力特性发生变化，主路线阻力降减小，流量变小，扬程基本不变，电动机的轴功率也没有明显变化，能源被白白地浪费掉了［2]。同时用调节阀调节流量，不容易找到泵的最佳运行点，调节流量很不方便，增加能耗且依靠阀门截流控制管网运行压力，长时间冲刷阀门，造成阀门内漏严重、更换频次增加，增加检维修费用和工作量。因此，通过加装永磁调速装置是实现除氧水泵转速随系统负荷的自动调节，达到节能降耗、减小振动和减小启动冲击的重要途径。

1 中压除氧水泵节能改造

中压除氧水泵P101C泵型号DGBⅢ150-100X6，设计扬程630 m，设计流量120 m3/h，转速2950 r/min，轴功率294 kW，配套电机额定功率220 ～400 kW，额定电压10 kV，额定电流28.7 A，通过泵出口再循环阀控制管网压力，节能降耗空间较大。为中压除氧水泵P101C 电机增设永磁调速设施，即将电机和泵之间的联轴器改为永磁调速器。根据管网用除氧水量变化情况，通过降低给水泵转速，调整平衡除氧水管网压力，减少除氧水泵出口再循环回流流量，从而达到节能效果。

1.1 永磁调速器组成、工作原理

永磁调速器由导体转子、永磁转子和调节器3 部分组成［3]。永磁转子在导体转子内，两者无连接，其间由空气隙分开，并随各自安装的旋转轴独立转动；调节器调节永磁转子与导体转子在轴线方向的相对位置，以改变导体转子与永磁转子之间的啮合面积，实现改变导体转子与永磁转子之间传递转矩的大小。导体转子安装在输入轴上，永磁转子安装在输出轴上，当导体转子转动时，导体转子与永磁转子产生相对运动，永磁场在导体转子上产生涡流，同时涡流又产生感应磁场与永磁场相互作用，从而带动永磁转子沿与导体转子相同的方向转动，结果是将输入轴的转矩传递到输出轴上；输出转矩的大小与啮合面积相关，啮合面积越大，扭矩越大，反之亦然。永磁转子在调节器作用下，沿轴向往返移动时，永磁转子与导体转子之间的啮合面积发生变化。啮合面积大，传递的扭矩大，负载转速高；啮合面积小，传递的扭矩小，负载转速低；啮合面积为零，传递扭矩为零，永磁转子与导体转子完全脱开，永磁转子转速为零，负载转速也为零［4-6]，如图1所示。

图1 永磁调速装置结构图

1.2 永磁调速器调节系统

通常永磁调速系统由永磁调速器、电动执行机构、转速变送器、温度变送器、控制信号源、就地显示控制箱、远程控制系统、电缆等设备集成。永磁调速器安装在电机和负载之间，传递扭矩，通过永磁调速器的调节机构实现导体转子与永磁转子之间的磁场啮合面积改变，从而实现负载转速变化。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 永磁调速装置控制原理图

控制信号源则为工艺需要的控制对象，对于泵系统而言可能是管网压力、流量、或者液位，而对于水泵而言则可能是压力、流量等其他工艺需要的一些参数，因此控制信号源可能为压力信号、流量信号、液位信号等等。通常而言信号为4 ～20 mA的电流信号［7]。永磁装置收到来自DCS 系统的控制信号后，执行机构改变永磁体和导体之间的气隙，从而改变负载端水泵转速，达到调速节能目的，如图2 所示。

1.3 永磁调速改造方案

拆除中压除氧水泵P101C 原设备、底座及基础（钢筋砼基础），根据除氧水泵和电机中间安装永磁调速后情况，新建设备底座和基础（钢筋砼基础），将除氧水泵、配套电机和永磁调速设施安装到新建的底座和基础上。新增永磁调速器仪表信号利用DCS系统新增通道进行组态调试。新增回路信号电缆先穿管就近敷设至原设计仪表电缆槽盒、再沿槽盒进DCS 系统机柜间。永磁调速系统的电动执行机构接受DCS系统4 ～20 mADC控制信号，调节永磁调速设备的磁体啮合面积，实现负载的转速调节；当自动系统故障时，通过执行器手动调节。轴承温度测量点1＃～4＃的4 ～20 mADC信号输出至DCS，红外测温仪实时输出4 ～20 mADC 温度信号至DCS，测速变送器实时输出4 ～20 mADC速度信号至DCS以供监测；永磁调速系统的电动执行机构的开度反馈信号远传至DCS系统实时监测。

2 永磁调速装置运行监控

2.1 启动过程

空载启动。在启动时，将永磁调速器的导体转子与永磁转子之间的磁场啮合面积变得最小，从而将电机与负载完全脱开，实现零负载启动；电机启动后，再慢慢增加导体转子与永磁转子之间的作用面积，使负载逐渐加速，因此整个启动过程平稳，冲击小。即检查水泵出口阀门已经关闭和电动执行器行程在0%全脱开状态，启动电机至稳定运转，然后调节电动执行器行程至100%全耦合，再慢慢开启出口阀门至全开，待水泵运转速度稳定后再根据现场实际工况进行调节行程。

2.2 停机过程

关闭水泵出口阀门，然后关闭电机电源，待电机完全停止后再将执行器行程调节0%全脱开。

2.3 导体转子温度检测

正常工作温度小于或等于120 ℃，上限报警温度130 ℃，上限停机温度140 ℃。当温度达130 ℃时，开始报警，此时应及时查看现场有无异响和摩擦，若现场无异常，往100%全耦合方向调节执行器3%～5%行程，运行10 min 后观察导体温度是否有下降趋势，温度是否恢复到小于或等于120 ℃，若温度有下降，但未恢复到120 ℃以下，继续调节行器3%～5%行程，直至温度小于或等于120 ℃；若温度无下降，应考虑倒换备用水泵，进行停机检查。当温度达140 ℃，要求倒换备用水泵，进行停机检查。

2.4 轴承温度检测

正常工作温度小于或等于100 ℃，上限报警温度110 ℃。当温度达110 ℃时，开始报警，此时应及时查看现场，是否缺少润滑脂，若缺少润滑脂，及时添加后运行1 h，看轴承温度是否有下降到小于或等于100 ℃，如轴承温度不下降应考虑倒换备用水泵，进行停机检查。

3 除氧水泵节能对比

P101C 除氧水泵永磁改造完毕后，机泵完成了在90%、80%、70%、60%、50%负荷工况下的节能效果性能测试。除氧水泵永磁改造效益分析结果如表1 所示。

表1 改造前后除氧水泵节能分析

改造后除氧水泵平均节电率为17.5%，在实际应用在该泵长期处于70%的负荷中，按该点的平均节能率18.96%，根据P=31/2ηUI。其中η 为效率，机泵铭牌值为75%；U 为电压，机泵铭牌值为10 kV；I为电流。

永磁调速改造前，除氧水泵流量为86 m3/h时，电动机的运行电流约为21.1A，实际功耗P1=274.1 kW。永磁调速改造后，除氧水泵流量为86 m3/h时，电动机的运行电流约为17.1 A，实际功耗P2=222.1 kW。

按年运行8000 h，电费按0.38 元/kW·h计算，年节约电能Q=（P1-P2）×8000 h =415680 kW·h。年节约电费：415680 kW·h ×0.38元/kW·h=15.8万元。外加除氧水泵再循环阀门等每年维护费用以2 万元计，年节约总费用17.8万元，永磁调速器实际改造费用65.23 万元（含施工等费用），预计3.67年收回成本，节能效果明显。

4 问题及改进

4.1 存在问题

自2017年运行至今永磁调速泵主要凸显出一个问题，在理论上来讲永磁调速装置完全依靠气隙传递转矩，电机轴和泵轴没有任何刚性物理连接，减低振动80%以上；同时减少电机和泵的转动部件的磨损［8]。在改造后经常会在每年3-5月份永磁端出现一些不同程度上的振动偏大问题以及永磁端温度偏高问题，如表2 所示，而且此项问题也是在每年3-5月份一个必然发生性问题。

表2 改造前后除氧水泵永磁端振幅、温度分析

4.2 问题改进

在运行比较中发现环境温度对永磁端出现的振动偏大问题以及永磁端温度偏高问题影响较小，几乎可以忽略不计；环境整洁度对永磁端出现的振动偏大问题以及永磁端温度偏高问题影响较大。塔河炼化位于新疆库车，在每年3-5月份会出现风沙、浮沉天气，由于永磁端两转子直接暴露在空气中冷却防护罩具有散热孔风沙、浮沉天气部分砂砾难免会进入其中使砂砾在其中摩擦。在以后的运行中或设备停用时，定期采用净化风吹扫，清除杂质，提高整洁度，起到安全、平稳运行效果。

5 结束语

中压除氧水泵P101C永磁调速改造前通过泵出口再循环控制压力，导致大量能量损失和增加检维修工作。通过在中压除氧水泵电机和泵之间安装永磁调速设施，利用永磁调速设施调节转速控制管网运行压力，消除再循环，达到了降低电耗、节能的目的。但改造施工、实际使用过程中出现的一些问题说明，在前期各方面需要做好细致的工作，对不同的机组选择不同类型的永磁调速装置和不同安装方式，同时考虑地域环境因素，以及被改造设备应选择调节较少、调节精度要求不高的设备，如循环水水泵等［9]，以减少对工艺操作的影响，实现设备长周期安稳节能高效运行。