永磁調(diào)速在機(jī)泵節(jié)能改造的應(yīng)用

盧永（中國(guó)石化海南煉油化工有限公司）

永磁調(diào)速在機(jī)泵節(jié)能改造的應(yīng)用

盧永（中國(guó)石化海南煉油化工有限公司）

據(jù)統(tǒng)計(jì)，機(jī)泵電能消耗占全國(guó)電能消耗的 21%以上，煉油廠離心泵電耗為全廠電耗的55%，因此，降低機(jī)泵的能源消耗對(duì)節(jié)能工作意義重大。永磁調(diào)速作為一種新的節(jié)能方法，在實(shí)際應(yīng)用中表現(xiàn)出了節(jié)能效果好、運(yùn)行可靠度高等優(yōu)點(diǎn)。永磁調(diào)速在機(jī)泵節(jié)能改造時(shí)，改造設(shè)備應(yīng)盡量選擇調(diào)節(jié)較少、調(diào)節(jié)精度要求不高的設(shè)備，以減少對(duì)工藝操作的影響。

機(jī)泵 永磁調(diào)速 技術(shù)改造 措施 節(jié)能

機(jī)泵是一種廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)領(lǐng)域的通用機(jī)械，是電能的主要消耗者之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，其電能消耗占全國(guó)電能消耗的 21%以上，煉油廠離心泵電 耗 為 全 廠 耗 電 的 55%[1]。 在 實(shí) 際 生 產(chǎn) 中 ， 很 多 機(jī)泵不能設(shè)計(jì)工況點(diǎn)運(yùn)行，只能使用出口閥門節(jié)流，造成設(shè)備低效率運(yùn)行，對(duì)安全、綠色、低碳應(yīng)用不利 。 根 據(jù) 離 心 泵 的 比 例 定 律[2]可 知 ， 流 量 與 轉(zhuǎn) 速 成正比，功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比。因此，降低機(jī)泵轉(zhuǎn)速，在流量下降的同時(shí)，軸功率顯著下降，節(jié)能效果明顯，且效率比節(jié)流調(diào)節(jié)高。目前常用的調(diào)速節(jié)能方法有變極調(diào)速、變頻調(diào)速、液力耦合器、串級(jí) 調(diào) 速 等[3]。 永 磁 調(diào) 速 是 近 年 來(lái) 國(guó) 外 發(fā) 展 起 來(lái) 的 調(diào)速 技 術(shù) ， 1999 年 ， 美 國(guó) MagnaDrive 公 司 在 永磁傳動(dòng)研究方面實(shí)現(xiàn)了突破，實(shí)現(xiàn)了對(duì)風(fēng)機(jī)水泵旋轉(zhuǎn)負(fù)載進(jìn)行調(diào)速，大大地提高了永磁傳動(dòng)的傳動(dòng)效率，全面提高了電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的可靠性，并將傳遞的功率大 大提高[4]。

1 永磁調(diào)速技術(shù)

1.1永磁耦合技術(shù)[5]

如圖1a所示，根據(jù)楞次定律，當(dāng)磁鐵棒 N極垂直接近導(dǎo)體板時(shí)，在導(dǎo)體上會(huì)產(chǎn)生1個(gè)N極磁場(chǎng)來(lái)抵抗磁棒N極接近，該抵抗磁場(chǎng)由逆時(shí)針?lè)较虻母袘?yīng)電流 （渦電流）所產(chǎn)生。同理，如圖1b所示，當(dāng)磁鐵棒N極平行于導(dǎo)體板移動(dòng)時(shí)，在導(dǎo)體板上會(huì)產(chǎn)生抵抗磁鐵棒N極前進(jìn)的方向相反的2個(gè)磁場(chǎng)，在磁鐵棒N極的前方產(chǎn)生N極磁場(chǎng)、后方產(chǎn)生S極磁場(chǎng)抵抗磁鐵棒前進(jìn)。而且當(dāng)磁鐵棒愈靠近導(dǎo)體板時(shí)，導(dǎo)體板上抵抗磁鐵棒相對(duì)運(yùn)動(dòng)的力愈大。

圖1 楞次定律

永磁耦合技術(shù)即是由楞次定律引申而來(lái)，如圖2所示。

◇當(dāng)磁力線通過(guò)銅導(dǎo)體時(shí)，靜止的情況下不會(huì)有作用；

◇當(dāng)磁鐵棒與導(dǎo)體板有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，磁力線在 導(dǎo) 體 中 移 動(dòng) 產(chǎn) 生 感 應(yīng) 渦 電 流 （EddyCurrent）， 進(jìn)而在銅導(dǎo)體上產(chǎn)生感應(yīng)磁場(chǎng)，而產(chǎn)生扭矩；

◇當(dāng)兩者越靠近時(shí)，磁力線密度越密集，扭矩越大；

◇當(dāng)兩者相對(duì)運(yùn)動(dòng)越快時(shí)，兩者感應(yīng)同極磁場(chǎng)越強(qiáng)，產(chǎn)生扭矩越大（轉(zhuǎn)差越大，扭矩越大）。

1.2永磁調(diào)速器基本結(jié)構(gòu)

如圖3所示，永磁調(diào)速器主要由三部分組成：安裝在負(fù)載軸上的鑲有永磁磁鐵的鋼盤(pán)；安裝在電動(dòng)機(jī)軸上的銅盤(pán)(或鋁盤(pán))；調(diào)整磁盤(pán)與銅盤(pán)之間氣隙的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。當(dāng)需要調(diào)節(jié)壓力、流量或其他控制參數(shù)時(shí)，輸出調(diào)節(jié)信號(hào)至調(diào)速器的氣隙調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，執(zhí)行器改變永磁耦合器的氣隙從而調(diào)節(jié)負(fù)載轉(zhuǎn)速，達(dá)到調(diào)節(jié)需控制參數(shù)的目的。

圖2 永磁耦合技術(shù)原理

圖3 永磁調(diào)速器結(jié)構(gòu)

1.3永磁調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)

永磁調(diào)速設(shè)備為非接觸、純機(jī)械聯(lián)接，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易損件少，因此相對(duì)其他調(diào)速節(jié)能方法有以下優(yōu)點(diǎn)：

◇維護(hù)成本低，適應(yīng)惡劣環(huán)境；

◇安裝簡(jiǎn)單，無(wú)需精密對(duì)中，允許一定的安裝偏差；

◇電動(dòng)機(jī)與泵軸不直接連接，振動(dòng)不產(chǎn)生相互影響；

◇不產(chǎn)生諧波，不傷害電動(dòng)機(jī)，不影響電網(wǎng)功率因數(shù)；

◇可空載啟動(dòng)或軟啟動(dòng)，電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流小 、時(shí)間短 ， 對(duì) 電 網(wǎng) 無(wú)沖擊[6]。

2 永磁調(diào)速改造

2.1基本參數(shù)

永磁調(diào)速改造機(jī)泵具體參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 永磁調(diào)速改造機(jī)泵參數(shù)

所選永磁調(diào)速驅(qū)動(dòng)器參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 永磁調(diào)速驅(qū)動(dòng)器泵參數(shù)

2.2改造過(guò)程

2.2.1 基礎(chǔ)改造

因?yàn)橛来耪{(diào)速驅(qū)動(dòng)器需要安裝在電動(dòng)機(jī)與泵之間，因此為了安裝永磁調(diào)速驅(qū)動(dòng)器，需先將電動(dòng)機(jī)與泵拆開(kāi)，將電動(dòng)機(jī)向后移動(dòng)以留出永磁調(diào)速器的位置。需對(duì)設(shè)備基礎(chǔ)進(jìn)行改造，增加電動(dòng)機(jī)移動(dòng)后的安裝基礎(chǔ)、永磁調(diào)速驅(qū)動(dòng)器安裝地腳及執(zhí)行器安裝基礎(chǔ)。

2.2.2 永磁調(diào)速驅(qū)動(dòng)器安裝

待基礎(chǔ)改造完成后，將輸入軸緊縮盤(pán)安裝至電動(dòng)機(jī)軸上，將電動(dòng)機(jī)軸與磁轉(zhuǎn)子中間軸連接好，再將輸出軸緊縮盤(pán)安裝好，安裝好導(dǎo)體盤(pán)，將電動(dòng)機(jī)吊至基礎(chǔ)上，調(diào)整氣隙至數(shù)據(jù)滿足要求。在安裝過(guò)程中需要注意磁轉(zhuǎn)子與導(dǎo)體之間有強(qiáng)磁力，應(yīng)避免使用磁性工具，同時(shí)防止將手放在危險(xiǎn)區(qū)域，以免夾傷。

2.2.3 執(zhí)行器安裝

根據(jù)永磁調(diào)速原理，電動(dòng)機(jī)與泵之間的扭矩傳輸是通過(guò)氣隙連接的，因此轉(zhuǎn)速調(diào)整也是通過(guò)調(diào)整氣隙實(shí)現(xiàn)。如圖4所示，執(zhí)行器一般選用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的電動(dòng)執(zhí)行器。調(diào)節(jié)執(zhí)行器時(shí)，執(zhí)行器臂轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)連桿動(dòng)作，永磁調(diào)速驅(qū)動(dòng)器外層套管壁將沿軸向移動(dòng)，改變氣隙，達(dá)到調(diào)節(jié)效果。

圖4 永磁調(diào)速執(zhí)行器

執(zhí)行器安裝完成后，需對(duì)其進(jìn)行調(diào)試，手動(dòng)調(diào)整執(zhí)行器到各對(duì)應(yīng)位置，檢查執(zhí)行器臂角度及永磁調(diào)速氣隙、轉(zhuǎn)速，對(duì)其進(jìn)行校準(zhǔn)。

2.2.4 控制器組態(tài)

控制器可以利用已有DCS系統(tǒng)組態(tài)，如圖5所示。 控制 器接 受流 量信號(hào)后通過(guò) PID 調(diào)節(jié)，變成4～20mA 信號(hào)驅(qū)動(dòng)角度執(zhí)行機(jī)構(gòu)，調(diào)節(jié)永磁調(diào)速驅(qū)動(dòng)器氣隙，從而調(diào)整泵轉(zhuǎn)速以滿足控制要求。

圖5 永磁調(diào)速控制回路

2.3改造效果

改造前后機(jī)泵運(yùn)行參數(shù)見(jiàn)表3、表4。從表中可以看出，在改造前后流量基本不變的情況下，303-P-302A、501-P-102A 出口閥全開(kāi)，電動(dòng)機(jī)電流、功率明顯下降，節(jié)電率最小的 302-P-218A 也達(dá) 到 30%。 除 501-P-102A 電 動(dòng) 機(jī) 振 動(dòng) 略 有上 升外，其余機(jī)泵改造后振動(dòng)穩(wěn)定且略有下降。

表3 永磁改造前后參數(shù)

表4 永磁改造前后振動(dòng)

3 問(wèn)題及改進(jìn)

3.1問(wèn)題

永磁調(diào)速改造一般都是在裝置運(yùn)行過(guò)程中對(duì)備用泵進(jìn)行改造，其內(nèi)容涉及設(shè)計(jì)、土建、機(jī)械、儀表、電氣等各專業(yè)，任何一個(gè)環(huán)節(jié)的疏忽或銜接不好都會(huì)對(duì)施工及使用造成影響。

3.1.1 安裝問(wèn)題

以 302-P-218A為例，說(shuō)明永磁調(diào)速改造安裝中出現(xiàn)的問(wèn)題。

1）新增電動(dòng)機(jī)基礎(chǔ)需要在原有基礎(chǔ)后部加長(zhǎng)，并且將電動(dòng)機(jī)地腳墊板割除，重新焊接底板后再找正調(diào)整焊接新的電動(dòng)機(jī)地腳墊板，對(duì)新增基礎(chǔ)的強(qiáng)度、水平度等要求較高。302-P-218A 因新增機(jī)座鋼架存在與原機(jī)座水平度偏差大、機(jī)座鋼架上方鋼板強(qiáng)度不夠且與電動(dòng)機(jī)腳新墊板下方接觸面積不夠等缺陷，導(dǎo)致施工出現(xiàn)反復(fù)，進(jìn)度嚴(yán)重滯后，甚至在安裝試車時(shí)出現(xiàn)振動(dòng)超標(biāo)。

2）因 302-P-218A 泵軸中心線相對(duì)基礎(chǔ)平面高度為 472mm，永磁調(diào)速器中心相對(duì)高度為457mm，因此泵比永磁調(diào)速器中心高15mm。現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)加工4塊帶有螺栓孔的鋼板作為永磁調(diào)速器的基腳固定。

3）為保證安全生產(chǎn)，為每臺(tái)機(jī)泵準(zhǔn)備一個(gè)長(zhǎng)聯(lián)軸器，用于在永磁調(diào)速驅(qū)動(dòng)器發(fā)生故障時(shí)連接機(jī)泵和電動(dòng)機(jī)，保證設(shè)備正常使用。但因該聯(lián)軸器較長(zhǎng)，導(dǎo)致使用聯(lián)軸器時(shí)軸不穩(wěn)定，擺動(dòng)較大，導(dǎo)致泵振動(dòng)較大。備用聯(lián)軸器參數(shù)見(jiàn)表5、表6。

4）基礎(chǔ)施工、地腳安裝、墊鐵焊接等均需在現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)火作業(yè)，有時(shí)需在現(xiàn)場(chǎng)反復(fù)打磨，在石油化工生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的特殊環(huán)境下，對(duì)安全生產(chǎn)壓力較大，如 302-P-218A 僅基礎(chǔ)施工、設(shè)備安裝就耗時(shí) 15天，開(kāi)火票6張。另一方面，嚴(yán)格的動(dòng)火作業(yè)管理，也導(dǎo)致可作業(yè)時(shí)間有限，施工進(jìn)度緩慢，火票數(shù)量多。

5）永磁調(diào)速改造期間備用機(jī)泵長(zhǎng)時(shí)間不能備用，運(yùn)行泵如出現(xiàn)故障則會(huì)對(duì)生產(chǎn)造成較大影響。

表5 302-P-218A備用聯(lián)軸器參數(shù)

表6 302-P-218A安裝備用聯(lián)軸器時(shí)的振動(dòng)

3.1.2 使用問(wèn)題

1）如圖 6 所示，原設(shè)計(jì) 302-P-218A 泵出口有兩路，一路作為冷回流回到 C201頂，控制塔頂溫度，另一路外送，控制 D201A液位。永磁調(diào)速改造后，增加永磁調(diào)速控制器 PMD218A，接受外送流量 FIC0701 控制，調(diào)節(jié) 302-P-218A 轉(zhuǎn)速，達(dá)到調(diào)節(jié) D201A 液位 LIC0701 的目的；此時(shí)，外送流控閥FV0701 應(yīng)全開(kāi)不節(jié)流。但當(dāng) D201A 液位變化時(shí)，機(jī)泵轉(zhuǎn)速變化，出口壓力、流量隨之變化，導(dǎo)致冷回 流 流量 FIC0105 波 動(dòng) ， 引 起 塔 頂 溫 度 TIC0101 波動(dòng)，影響裝置平穩(wěn)操作。另外，因兩路后路壓力不同，如全開(kāi)其中一路，則會(huì)導(dǎo)致另一路流量過(guò)大或過(guò)小。因此，在實(shí)際運(yùn)行中，將永磁調(diào)速控制器PMD218A 調(diào)到一定轉(zhuǎn)速后，仍然依靠冷回流控制閥 FIC0105和外送控制閥 FV0701調(diào)節(jié)各自參數(shù)，未能達(dá)到最佳節(jié)能效果。

圖 6 302-P-218A調(diào)節(jié)回路

2）永磁調(diào)速依靠執(zhí)行器進(jìn)行氣隙調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，達(dá)到調(diào)節(jié)工藝參數(shù)的目的，實(shí)際運(yùn)行中經(jīng)常出現(xiàn)調(diào)節(jié)不靈敏，給小信號(hào)不動(dòng)作，積累到一定程度突然動(dòng)作的情況，造成生產(chǎn)波動(dòng)。

3.2改進(jìn)措施

1）在前期準(zhǔn)備階段應(yīng)認(rèn)真研究設(shè)備實(shí)際運(yùn)行情況，在選擇改造機(jī)泵時(shí)，應(yīng)與工藝、設(shè)備人員加強(qiáng)溝通，選擇控制流程簡(jiǎn)單、調(diào)節(jié)較少、調(diào)節(jié)精度要求不高的進(jìn)行改造。

2）在設(shè)備選型階段應(yīng)根據(jù)需改造設(shè)備情況，選擇適合的永磁調(diào)速驅(qū)動(dòng)器；同時(shí)根據(jù)實(shí)際需要選擇合適精度的執(zhí)行器，防止因?yàn)閳?zhí)行器精度不足影響永磁調(diào)速調(diào)節(jié)精度。

3）在施工準(zhǔn)備階段應(yīng)摸清現(xiàn)場(chǎng)情況，查找原始資料，盡量測(cè)量準(zhǔn)確現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，防止基礎(chǔ)質(zhì)量不合格或施工過(guò)程中出現(xiàn)各種突發(fā)問(wèn)題。

4）針對(duì)改造后永磁調(diào)速調(diào)節(jié)不靈敏情況，對(duì)執(zhí)行器進(jìn)行重新調(diào)試校準(zhǔn)；根據(jù)工藝運(yùn)行參數(shù)范圍，重新整定零點(diǎn)，縮小永磁調(diào)速調(diào)節(jié)范圍，增大調(diào)節(jié)信號(hào)放大系數(shù)，一定程度上緩解調(diào)節(jié)不靈敏情況。

5）對(duì)調(diào)節(jié)精度要求較高的設(shè)備，如整定后仍不能滿足操作要求，可考慮更換靈敏度高的執(zhí)行器。

4 結(jié)語(yǔ)

永磁調(diào)速作為一種新的節(jié)能方法，在實(shí)際應(yīng)用中表現(xiàn)出了節(jié)能效果好、運(yùn)行可靠度高等優(yōu)點(diǎn)，基本達(dá)到了預(yù)期的改造目的。但改造施工、實(shí)際使用過(guò)程中出現(xiàn)的一些問(wèn)題說(shuō)明，在前期設(shè)備選擇、準(zhǔn)備工作、施工等各方面需要做好細(xì)致的工作，尤其是被改造設(shè)備應(yīng)盡量選擇調(diào)節(jié)較少、調(diào)節(jié)精度要求不 高 的 設(shè) 備 ， 如 鍋 爐 風(fēng) 機(jī) 、 水 泵 等[7]， 以 減 少 對(duì) 工藝操作的影響。另外，雖然永磁調(diào)速驅(qū)動(dòng)器故障率較低，但發(fā)生故障后使用備用聯(lián)軸器時(shí)振動(dòng)較大，影響機(jī)泵備用，也是需要解決的問(wèn)題。

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10.3969/j.issn.2095-1493.2013.010.012

2013-01-06）

盧永，工程師，2004年畢業(yè)于天津大學(xué)化工學(xué)院 （過(guò)程裝備與控制工程專業(yè)），現(xiàn)在中國(guó)石化海南煉油化工有限公司運(yùn)行部二單 元 從事煉油設(shè) 備 技術(shù)管理 工 作，E-mail： luyong271@126.com，地址：海南省洋浦經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)海南煉油化工有限公司運(yùn)行部二單元，578101。