永磁调速驱动器在原油稳定装置上的应用

张祥胜(大庆油田有限责任公司天然气分公司)

永磁调速驱动器在原油稳定装置上的应用

张祥胜(大庆油田有限责任公司天然气分公司)

永磁调速驱动器是一种较新的机械节能调速装置，它通过调整永磁体与铜导体之间的气隙控制传递转矩的大小，属于非接触机械联接，振动小，维护费用低，对电动机无特殊要求，与变频控制相比具有明显的技术优势。文中对稳后泵进行永磁调速改造，将电动机基础向远离泵方向延长500 mm，用于在泵和电动机之间安装永磁调速器，并在泵入口安装流量监测装置将流量信号反馈到调速驱动器控制系统，对泵转速进行调节。永磁调速改造后电动机电流将大幅降低，单台280 kW电动机年可节约电能10×104kWh，同时泵机组振动大幅降低。永磁调速驱动器简单可靠，节能无谐波污染。

原油泵 永磁调速 节能 减振

1 永磁调速技术原理

1.1 永磁调速技术原理

安装在电动机与负载（如风机、泵等离心负载）之间的铜盘与磁盘之间的磁场可以把电动机一侧的力矩传递给负载，调节铜盘和磁盘之间气隙的间距，就可以控制所传的力矩的大小，从而实现调速，这就是永磁调速的基本原理。

1.2 永磁调速驱动器的结构

永磁调速驱动器的结构如图1所示，主要由两部分组成，一部分是安装在负载侧的磁转子，另一部分是安装在动力机侧的铜转子，铜转子与动力机转速一致，在运行过程中保持不变。其工作原理如图2所示，铜转子和磁转子可以自由地独立旋转，当铜转子旋转时，铜转子与磁转子产生相对运动，交变磁场通过气隙在铜转子上产生涡流，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。通过调节永磁体和铜导体之间的气隙就可以控制传递扭矩的大小，从而获得可调整的、可控制的、可以重复的负载转速，实现负载转速的调节[1]。永磁调速驱动器调速过程见图3。

1.3 节能原理

永磁调速驱动器可以改变负载的转速，实现对离心泵流量和压力的连续控制。由于离心泵的扬程和转速的平方成正比，功率与转速的三次方成正比，因此在电动机转速不变的情况下，调节离心泵的转速，当离心泵的转速下降时，其流量和扬程分别成比例减小，电动机的消耗功率急剧下降，大量节约了电能。

2 永磁调速器的特点

2.1 几种调速方式的对比

现在电动机的主要调速方式有四种：串级调速、变频调速、液力耦合器和永磁调速。由于串级调速采用改变电动机转子电流实现调速，电动机的定子和转子之间的磁场紧密耦合，电动机定子上的电压电流变化直接影响串级调速电子设备的可靠性，安全性相对较低；液力耦合器效率低，其效率与调速比成正比，负载的转速越低，其效率越低，因此下面主要对永磁调速驱动器和高压变频器进行比较。

高压变频器采用复杂的电路拓扑将数以万计的电力电子元器件串并联，实现对高压电动机的输入频率和输入电压改变，从而实现电动机的转速变化，属于电气调速。

永磁调速驱动器采用高强度的磁转子与铜转子相互作用，实现电动机与负载没有机械联结，通过调节气隙的大小实现负载调速，电动机转速不变，负载调速，属于机械调速。

2.2 永磁调速驱动器的优越性

据统计，超过80%的旋转设备的故障是由于振动引起，振动缩短密封件和轴承的寿命，并且使设备温度升高。而永磁调速驱动器传输能量和控制速度的能力不受电动机机轴和负载轴之间由于安装未对准原因而产生的小角度或者小偏移的影响，排除了未对准而产生的振动问题。由于没有机械联接，即使电动机本身引起的振动也不会引起负载的振动，使整个系统振动问题得到有效降低。永磁调速装置减振的关键在于通过气隙传递扭矩，而没有直接的物理联接。

十八大以来，中国经济进入“新常态”，经济发展由高速增长阶段转向高质量发展阶段，供给侧结构性改革、国资国企改革和电力市场化改革持续深化，电力行业特别是发电行业的发展面临着异常严峻的形势。全社会电量需求增长放缓，发电装机容量又大大超过需求容量，导致机组利用小时大幅下降；煤炭企业降库存，导致煤炭价格不断攀升，发电企业成本压力剧增；电力交易市场化改革，交易电量激烈竞争导致发电企业不计成本下调电价。产能过剩和供需矛盾引发的电力能源行业投资下降，发电侧主营业务经营业绩持续下滑，国内出现发电企业大面积亏损的局面，应对行业激烈竞争，低成本战略成为发电企业生存发展的必由之路。

永磁调速驱动器可改善电动机和负载运行特性：缓冲启动，减缓堵转及负载冲击。在电动机启动或负载发生突然变化甚至堵转时，永磁调速驱动器可利用其两对磁极之间的滑差及调节两对磁极之间的气隙来保护电动机和负载，延长电动机和负载的使用寿命。

永磁调速装置突出优点还表现在可以方便地对现有设备进行改造，不需要对电动机和供电电源进行任何改动。安装后对整个系统不构成电磁干扰和谐波干扰。

2.3 对比结论

永磁调速驱动器作为一种较新的机械节能调速装置，可靠性高，维护成本低，安装简单，对电网无谐波污染，使用寿命长。安装永磁调速器后负载将在最优化的速度下运行，增加能源效率，减少运行和维护成本。

3 杏九原稳装置原油输送系统说明

原油输送系统共有4台离心泵，2台稳前泵，2台稳后泵。其中：2台稳前泵配置相同，电动机型号：YB450S1-2、功率：315 kW、供电电压：6 kV、额定输出转速：2984 r/min、原油泵型号：ZA200-5400、额定流量：538 m3/h；2台稳后泵配置相同，电动机型号：YB400M2-2、功率：280 kW、供电电压：6 kV、额定输出转速：2985 r/min、原油泵型号：ZE200-5400、额定流量：578 m3/h。

原油输送系统采用一开一备的运行方式，实际运行中存在以下问题：

1）从2010年8月份至10月份的原油来油量在4300 t/d至4900 t/d之间波动，由于该装置设计原油处理量为10000 t/d，因此该装置原油泵存在“大马拉小车”的现象，电动机提供的能量损失在调节阀和管路上的比例较大，电能的利用率低。

2）装置来油量较小时，采用“内循环”的方式维持运行，这部分能量损失也很可观。

3）由于装置对系统压力、温度、流量等参数要求较严格，为了不影响装置在正常参数范围内运行，可对稳后泵机组进行节能改造，稳后原油回采油厂，不影响装置平稳运行。

4）现在市场上的高压变频器在高压电动机上的应用较少，维护费用高，且安装变频器还需同步更换高压电动机，费用较大，可采用永磁调速技术对稳后泵机组进行节能改造。

4 永磁调速改造实施方案

4.1 电动机基础

对2台稳后泵中的一台进行永磁调速改造，将电动机基础向远离泵方向延长500 mm，用于在泵和电动机之间安装永磁调速器。

4.2 控制技术

永磁调速改造后将原油泵出口阀门开足，在泵入口新安装一个流量监测装置，用来把流量数据传送给永磁调速器专用PLC单元，PLC把上述数据转换为控制永磁调速驱动器调速的信号后传送给永磁调速器，调节永磁调速驱动器的磁转子与铜转子之间的气隙大小，实现对泵轴转速进行调节。永磁调速改造见图4。

4.3 安全设计

首先，用于永磁调速驱动器控制信号采样的流量监测装置和PLC为新增设备，不与原设备共用，保证原监测系统不受新装设备影响。

其次，为充分保证安全生产，还可专门制作一长轴，用于在永磁调速驱动器未到货前或永磁调速驱动器安装后发生意外故障时连接油泵和电动机，充分保证设备冗余度，充分保证正常生产。长轴与油泵、电动机采用对轮连接方式，方便快速装卸。出于同样的设计构想，永磁调速驱动器与水泵、电动机也采用对轮连接方式。

5 改造投资及预期效益分析

5.1 投资估算

投资预算约为50×104元，包括永磁调速驱动器材料费、工程费等费用，预计3年即可收回成本，见表1。

表1 永磁调速改造投资估算

5.2 效益分析

直接效益：节约资金为280 kW ×20%(节能预期)×24 h×300 d（年运行时间）×0.5元/kWh=201600×104元。

间接效益：

1）降低振动，减少泵组设备故障，降低维修费用。

2） 由于永磁调速驱动器使电动机和泵轴没有机械联接，系统启动时相当于电动机空载启动，有效地降低电动机的启动电流，降低了电动机启动时的故障率。

6 结论

目前天然气公司主要使用变频器对风机和泵进行节能改造，然而变频器寿命一般只有10年左右，变频电气元件多，故障率高。与变频器相比，采用永磁调速驱动器进行改造，其装置不产生谐波、不产生电磁干扰、具有更好的隔振效果，且结构简单可靠，寿命长。天然气分公司有大批和杏九原稳装置同类运行工况的原油泵机组，如该项目成功实施将为下一步的节能改造提供更多选择。

现在永磁调速驱动器更多地用在水泵、风机等负载上，用来代替变频调速，针对杏九原稳装置大功率的原油泵进行节能改造取得了明显的节能效果，且永磁调速驱动器在高、低压电动机上均适用，无电压等级的要求，建议将永磁调速驱动器在更大范围内推广使用。

[1]赵克中.磁力驱动技术与设备[M].北京:化学工业出版社,2003:2-5.

10.3969/j.issn.2095-1493.2011.09.014

张祥胜，2005年毕业于大庆石油学院，助理工程师，从事管理工作，E-mail：trqzhangxs@petrochina.com.cn，地址：黑龙江省大庆市红岗区天然气分公司油气加工九大队动力站，163000。

2011-10-08）