110kW温排水升压泵永磁调速节能改造

尹恒 陈宇

摘  要：某电厂110kW/1480rpm温排水升压泵，实际运行中，由于工艺上对水量的需求远低于设计值，只能通过关小阀门的方式进行节流，但此种运行方式，导致大量的能耗浪费在阀门挡板上;同时由于管网曲线改变，使得系统处于非经济运行区间，设备整体能耗偏高。而且，因现场设备未加任何调速装置，目前的马达直接启动，水泵全速运行，存在能耗严重、启动电流较大、检修维护工作量大及比较难启动等问题。为了解决这些问题，某电厂采用沃弗永磁调速器替代原有的联轴器，把原来的硬联接改为非接触性的软联接，解决安装对心问题，减少设备振动，提高电机与负载的可靠性，减少设备维护，并能降低负载的转速，达到降速节能的目的。采用永调速改造后，可开环运行手动调节，也可根据液位进行自动调节，避免设备的频繁启动，减少补水量，节能电能。

关键词：永磁调速器;节能原理;改造方案

中图分类号：TM56         文献标志码：A         文章编号：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

随着我国经济的飞速发展和建立环境友好型、资源节约型社会目标的提出，越来越多的企業对机电设备的节能技术管理越来越重视关注[1-4]。

目前，大功率高压异步电动机的主要调速方式有以下3种：液力耦合器调速、变频调速和永磁传动与调速器调速等[5-7]。它们的特点如表1所示。

经过各方面的综合考虑，最后选用了当前最先进可靠的永磁传动与调速器调速方式。

1 系统构成与工作原理

永磁调速器如图1所示是对电动机负载转速的调节是通过铜导体和永磁体之间的气隙实现的，其工作原理是一端稀有金属氧化物硼铁钕永磁体和另一端感应磁场相互作用产生转矩，通过调节永磁体和导体之间的气隙就可以控制传递的转矩，从而实现负载速度调节，永磁调速器的特点如表2所示。

永磁调速器由三个部件组成;沃弗永磁调速器由3部分组成：主动转子-与电机相连;从动转子-与负载相连;机械调速机构-调整气隙的机构

永磁调速器控制系统流程图如图2所示，永磁调速器WF可响应于过程信号。压力、流量、液位或其它過程控制信号被控制系统接收和处理，然后提供到WF的执行器。该执行器调整气隙，从而调整负载速度以满足控制要求。

流量/压力/温度传感器检测负载受控制量通过逻辑控制器PLC将检测量通过PID调节，变成4～20mA信号驱动角度执行机构，推动WF的气隙调节动作;人机界面用于客户设定负载输出量的界面，整个控制系统为全自动，当自动系统故障时，可通过执行器手动调节气隙，也可通过人机界面或PLC实现远程遥控或直接由中央控制系统（DCS）进行远程遥控。

2 节能原理

在实际工程建设过程中，通常需要按系统的最大出力来配备风机、水泵系统，从而满足设备的输出要求，通过阀门或风门板流量控制元件来实现对流量和压力调节，以满足生产过程的需要。

风机、水泵系统的效率与电机效率、调节流量或转速或压力控制设备的效率、风机、水泵效率、输送管道的效率的乘积成正比。

采用永磁调速器，可利用对气隙的调节从而达到对流量或压力的连续控制目的，在电机转速不变的情况下，调节风机、水泵的转速。

风机水泵等离心负载符合相似定律：

Q1/Q2=n1/n2                        （1）

H1/H2=（n1/n2）2                 （2）

P1/P3=（n1/n2）3                  （3）

T1/T2=（n1/n2）2                   （4）

电机输出功率P=T×n                      （5）

所以电机输出功率P1/P2=（n1/n2）2           （6）

Q-流量;n-转速;H-压力;P-负载功率;T-负载扭矩。

必须指出：节能效果主要取决于风机水泵系统实际持续运行的工况。合理的工作点设置是系统节能设计的基点。

水泵风机在运行时，其运行特性曲线（n：水泵性能曲线;R：管网特性曲线）如图3所示，其工作点是风机H-Q曲线与管网H-Q曲线的交点。水泵的正常工作点为A，当水量需要从Q1调到Q2时，采用阀门调节时，管网特性曲线由R1改变为R2，其工作点A调至B点，其功率为O-Q2  B-H'2所围成的面积，其功率变化很小，而其效率却随之降低。

采用调速调节时，可按需要调整电机转速，改变设备的性能曲线，图中n1到n2，其工作点A调至C点，使其参数满足工艺要求，其功率为O-Q2 C-H2所围成的面积，同时其效率曲线也随之平移，依然工作在高效区。由于功率随转速3次方变化，故节能效果显著。

3 项目节电率测试方法

（1）根据相关标准《水泵机组与管网系统节能监测》（GBT 15913-2009）中的相关规定，结算用的电量表要求精度等级为0.5级，并且需要有检定资质的部门出具的检定合格证书。

（2）改造前对先在泵机进线端各自安装或使用现有表具。符合上述要求的三相有功电度表，对系统的运行电耗进行确认。系统运行能耗以单位时间的功耗作为计量依据，双方对改造前系统的单位耗电量进行确认，依据现场电表及台账记录分别统计系统运行一定周期内单台泵机所消耗的电量总和？撞P和系统运行时间？撞T，按以下公式计算出单台泵机的单位小时耗电量？姿1，作为改造前的能耗基准值。

泵机规定时间内系统消耗总电量（kWh）;？撞T-系统运行计量的规定时间（h）;？姿1-系统单位时间的运行能耗（kWh/h）

改造工程完成后，使用原表对系统电耗进行统计，同时通过计时器统计系统运行时间，按上述公式计算出改造后泵机的单位小时耗电量2，从而得出改造前后泵机单位小时的节能量为：

可以得出系统当期节能量=？驻？姿1×当期运行时间。

4 改造描述

对于110kW/1480rpm水泵，选用沃弗永磁调速器WF-TM470空冷型永磁调速器，取代原有的联轴器，安装于电机和负载之间。

无需复杂的配套设施，只需给定4～20mA信号，调节负载的转速，达到自动调节流量、压力和功耗的目的，相当于一个自控阀门的程序控制即可。既减少了整机的维护，又调速节能，而且控制非常简单可靠。

同时考虑到紧急情况，可现场设置就地操作箱，可就地操作。

安装改造：

沃弗永磁调速器的安装方式简单，工程量小，它是取代原有的联轴器，安装在电机与负载之间的。为了安装永磁调速器，我们只需将电机与负载拆开，拆掉原有的联轴器，用永磁调速器替代即可，改造方案的示意图如图4所示。

5 节能分析

五年投资回报分析：

初始购置及安装成本高压变频器较永磁调速器高 11.5万人民币（若扣除更换电机费用， 则永磁调速器较高压变频器高6.5万人民币），操作、运行及维护成本高压变频器较永磁调速器高12.8万人民币/年，以每年节电率 30%计算，每年约节费36万，统计首年投入与五年回报数据如表3所示。

改造前电机的实际消率：180/198.7*110=99.6kW，在实际运行中，阀门的开度为13%，流量为400t/h。

根据离心式设备的特性，若只考虑流量，则改造前后的转速比为0.4，考虑到转速下降后，压力随之改变，若压力太低，难以保证供水的要求。因此，综合保守考量，保守计算，此处转速比取为0.85。

采用沃弗永磁调速器改造后：

改造后电机功耗=100×0.9^2/0.97=83.5kW

式中：0.97-永磁调速器效率

100-水泵轴功率

节能率=（99.6-83.5）/ 99.6=16.2%

6 结论

某电厂采用沃弗永磁调速器替代原有的联轴器，把原来的硬联接改为非接触性的软联接，解决安装对心问题，减少设备振动，提高电机与负载的可靠性，减少设备维护，并能降低负载的转速，达到降速节能的目的。采用永调速改造后，可开环运行手动调节，也可根据液位进行自动调节，避免设备的频繁启动，减少补水量，节能电能。

参考文献：

[1]王秀和.异步起动永磁同步电动机-理论，设计与测试[M].北京：机械工业出版社，2009.

[2]王兵树，张军伟，林永军，等.斩波串级调速系统谐波分析及电流振荡[J].中国电力，2011（1）：22-27.

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