永磁調速驅動器在原油穩定裝置上的應用

張祥勝(大慶油田有限責任公司天然氣分公司)

永磁調速驅動器在原油穩定裝置上的應用

張祥勝(大慶油田有限責任公司天然氣分公司)

永磁調速驅動器是一種較新的機械節能調速裝置，它通過調整永磁體與銅導體之間的氣隙控制傳遞轉矩的大小，屬于非接觸機械聯接，振動小，維護費用低，對電動機無特殊要求，與變頻控制相比具有明顯的技術優勢。文中對穩后泵進行永磁調速改造，將電動機基礎向遠離泵方向延長500 mm，用于在泵和電動機之間安裝永磁調速器，并在泵入口安裝流量監測裝置將流量信號反饋到調速驅動器控制系統，對泵轉速進行調節。永磁調速改造后電動機電流將大幅降低，單臺280 kW電動機年可節約電能10×104kWh，同時泵機組振動大幅降低。永磁調速驅動器簡單可靠，節能無諧波污染。

原油泵 永磁調速 節能 減振

1 永磁調速技術原理

1.1 永磁調速技術原理

安裝在電動機與負載（如風機、泵等離心負載）之間的銅盤與磁盤之間的磁場可以把電動機一側的力矩傳遞給負載，調節銅盤和磁盤之間氣隙的間距，就可以控制所傳的力矩的大小，從而實現調速，這就是永磁調速的基本原理。

1.2 永磁調速驅動器的結構

永磁調速驅動器的結構如圖1所示，主要由兩部分組成，一部分是安裝在負載側的磁轉子，另一部分是安裝在動力機側的銅轉子，銅轉子與動力機轉速一致，在運行過程中保持不變。其工作原理如圖2所示，銅轉子和磁轉子可以自由地獨立旋轉，當銅轉子旋轉時，銅轉子與磁轉子產生相對運動，交變磁場通過氣隙在銅轉子上產生渦流，同時渦流產生感應磁場與永磁場相互作用，從而帶動磁轉子沿著與銅轉子相同的方向旋轉，結果是在負載側輸出軸上產生扭矩，從而帶動負載做旋轉運動。通過調節永磁體和銅導體之間的氣隙就可以控制傳遞扭矩的大小，從而獲得可調整的、可控制的、可以重復的負載轉速，實現負載轉速的調節[1]。永磁調速驅動器調速過程見圖3。

1.3 節能原理

永磁調速驅動器可以改變負載的轉速，實現對離心泵流量和壓力的連續控制。由于離心泵的揚程和轉速的平方成正比，功率與轉速的三次方成正比，因此在電動機轉速不變的情況下，調節離心泵的轉速，當離心泵的轉速下降時，其流量和揚程分別成比例減小，電動機的消耗功率急劇下降，大量節約了電能。

2 永磁調速器的特點

2.1 幾種調速方式的對比

現在電動機的主要調速方式有四種：串級調速、變頻調速、液力耦合器和永磁調速。由于串級調速采用改變電動機轉子電流實現調速，電動機的定子和轉子之間的磁場緊密耦合，電動機定子上的電壓電流變化直接影響串級調速電子設備的可靠性，安全性相對較低；液力耦合器效率低，其效率與調速比成正比，負載的轉速越低，其效率越低，因此下面主要對永磁調速驅動器和高壓變頻器進行比較。

高壓變頻器采用復雜的電路拓撲將數以萬計的電力電子元器件串并聯，實現對高壓電動機的輸入頻率和輸入電壓改變，從而實現電動機的轉速變化，屬于電氣調速。

永磁調速驅動器采用高強度的磁轉子與銅轉子相互作用，實現電動機與負載沒有機械聯結，通過調節氣隙的大小實現負載調速，電動機轉速不變，負載調速，屬于機械調速。

2.2 永磁調速驅動器的優越性

據統計，超過80%的旋轉設備的故障是由于振動引起，振動縮短密封件和軸承的壽命，并且使設備溫度升高。而永磁調速驅動器傳輸能量和控制速度的能力不受電動機機軸和負載軸之間由于安裝未對準原因而產生的小角度或者小偏移的影響，排除了未對準而產生的振動問題。由于沒有機械聯接，即使電動機本身引起的振動也不會引起負載的振動，使整個系統振動問題得到有效降低。永磁調速裝置減振的關鍵在于通過氣隙傳遞扭矩，而沒有直接的物理聯接。

十八大以來，中國經濟進入“新常態”，經濟發展由高速增長階段轉向高質量發展階段，供給側結構性改革、國資國企改革和電力市場化改革持續深化，電力行業特別是發電行業的發展面臨著異常嚴峻的形勢。全社會電量需求增長放緩，發電裝機容量又大大超過需求容量，導致機組利用小時大幅下降；煤炭企業降庫存，導致煤炭價格不斷攀升，發電企業成本壓力劇增；電力交易市場化改革，交易電量激烈競爭導致發電企業不計成本下調電價。產能過剩和供需矛盾引發的電力能源行業投資下降，發電側主營業務經營業績持續下滑，國內出現發電企業大面積虧損的局面，應對行業激烈競爭，低成本戰略成為發電企業生存發展的必由之路。

永磁調速驅動器可改善電動機和負載運行特性：緩沖啟動，減緩堵轉及負載沖擊。在電動機啟動或負載發生突然變化甚至堵轉時，永磁調速驅動器可利用其兩對磁極之間的滑差及調節兩對磁極之間的氣隙來保護電動機和負載，延長電動機和負載的使用壽命。

永磁調速裝置突出優點還表現在可以方便地對現有設備進行改造，不需要對電動機和供電電源進行任何改動。安裝后對整個系統不構成電磁干擾和諧波干擾。

2.3 對比結論

永磁調速驅動器作為一種較新的機械節能調速裝置，可靠性高，維護成本低，安裝簡單，對電網無諧波污染，使用壽命長。安裝永磁調速器后負載將在最優化的速度下運行，增加能源效率，減少運行和維護成本。

3 杏九原穩裝置原油輸送系統說明

原油輸送系統共有4臺離心泵，2臺穩前泵，2臺穩后泵。其中：2臺穩前泵配置相同，電動機型號：YB450S1-2、功率：315 kW、供電電壓：6 kV、額定輸出轉速：2984 r/min、原油泵型號：ZA200-5400、額定流量：538 m3/h；2臺穩后泵配置相同，電動機型號：YB400M2-2、功率：280 kW、供電電壓：6 kV、額定輸出轉速：2985 r/min、原油泵型號：ZE200-5400、額定流量：578 m3/h。

原油輸送系統采用一開一備的運行方式，實際運行中存在以下問題：

1）從2010年8月份至10月份的原油來油量在4300 t/d至4900 t/d之間波動，由于該裝置設計原油處理量為10000 t/d，因此該裝置原油泵存在“大馬拉小車”的現象，電動機提供的能量損失在調節閥和管路上的比例較大，電能的利用率低。

2）裝置來油量較小時，采用“內循環”的方式維持運行，這部分能量損失也很可觀。

3）由于裝置對系統壓力、溫度、流量等參數要求較嚴格，為了不影響裝置在正常參數范圍內運行，可對穩后泵機組進行節能改造，穩后原油回采油廠，不影響裝置平穩運行。

4）現在市場上的高壓變頻器在高壓電動機上的應用較少，維護費用高，且安裝變頻器還需同步更換高壓電動機，費用較大，可采用永磁調速技術對穩后泵機組進行節能改造。

4 永磁調速改造實施方案

4.1 電動機基礎

對2臺穩后泵中的一臺進行永磁調速改造，將電動機基礎向遠離泵方向延長500 mm，用于在泵和電動機之間安裝永磁調速器。

4.2 控制技術

永磁調速改造后將原油泵出口閥門開足，在泵入口新安裝一個流量監測裝置，用來把流量數據傳送給永磁調速器專用PLC單元，PLC把上述數據轉換為控制永磁調速驅動器調速的信號后傳送給永磁調速器，調節永磁調速驅動器的磁轉子與銅轉子之間的氣隙大小，實現對泵軸轉速進行調節。永磁調速改造見圖4。

4.3 安全設計

首先，用于永磁調速驅動器控制信號采樣的流量監測裝置和PLC為新增設備，不與原設備共用，保證原監測系統不受新裝設備影響。

其次，為充分保證安全生產，還可專門制作一長軸，用于在永磁調速驅動器未到貨前或永磁調速驅動器安裝后發生意外故障時連接油泵和電動機，充分保證設備冗余度，充分保證正常生產。長軸與油泵、電動機采用對輪連接方式，方便快速裝卸。出于同樣的設計構想，永磁調速驅動器與水泵、電動機也采用對輪連接方式。

5 改造投資及預期效益分析

5.1 投資估算

投資預算約為50×104元，包括永磁調速驅動器材料費、工程費等費用，預計3年即可收回成本，見表1。

表1 永磁調速改造投資估算

5.2 效益分析

直接效益：節約資金為280 kW ×20%(節能預期)×24 h×300 d（年運行時間）×0.5元/kWh=201600×104元。

間接效益：

1）降低振動，減少泵組設備故障，降低維修費用。

2） 由于永磁調速驅動器使電動機和泵軸沒有機械聯接，系統啟動時相當于電動機空載啟動，有效地降低電動機的啟動電流，降低了電動機啟動時的故障率。

6 結論

目前天然氣公司主要使用變頻器對風機和泵進行節能改造，然而變頻器壽命一般只有10年左右，變頻電氣元件多，故障率高。與變頻器相比，采用永磁調速驅動器進行改造，其裝置不產生諧波、不產生電磁干擾、具有更好的隔振效果，且結構簡單可靠，壽命長。天然氣分公司有大批和杏九原穩裝置同類運行工況的原油泵機組，如該項目成功實施將為下一步的節能改造提供更多選擇。

現在永磁調速驅動器更多地用在水泵、風機等負載上，用來代替變頻調速，針對杏九原穩裝置大功率的原油泵進行節能改造取得了明顯的節能效果，且永磁調速驅動器在高、低壓電動機上均適用，無電壓等級的要求，建議將永磁調速驅動器在更大范圍內推廣使用。

[1]趙克中.磁力驅動技術與設備[M].北京:化學工業出版社,2003:2-5.

10.3969/j.issn.2095-1493.2011.09.014

張祥勝，2005年畢業于大慶石油學院，助理工程師，從事管理工作，E-mail：trqzhangxs@petrochina.com.cn，地址：黑龍江省大慶市紅崗區天然氣分公司油氣加工九大隊動力站，163000。

2011-10-08）