無損永磁耦合聯軸器在海洋石油領域應用研究

肖玉華

（中海油能源發展采油服務公司 天津 300452）

引言

為實現節能減排、國家重點節能技術的推廣及現場安全生產的需要，開展海上設備的技術革新研究，對泵的傳動部分進行革新，解決海上旋轉機械的意外停機、振動發熱過大造成的設備故障損壞，以及減少軸承、密封、聯軸器等零部件因磨損而頻繁更換帶來的額外工作強度。降低旋轉負載系統在安裝中對中、啟動困難、減振、調節速度以及過載保護等技術問題，現在調速解決方案有永磁磁力耦合、變頻器、液力耦合等技術。永磁耦合驅動的傳動效率可達到98.5%以上，該技術現已在我國多行業獲得了應用。

1 永磁磁力耦合器原理

PMD是永磁磁力耦合調速器的簡稱，調速器的驅動是通過銅導體和永磁體之間的氣隙實現由電動機到負載的扭矩的輸送。該技術實現了在電動機和被負載之間沒有常規的機械連接。其原理是一邊用永磁體和另一端用導電感應磁場相互作用產生轉矩，通過調節永磁體和導體之間的間隙用以控制傳遞的轉矩，從而實現另一端負載速度調節。

PMD主要由三部分組成，一是導體轉子由銅板組成、二是永磁轉子以及可以調節兩部分距離的控制器。導體轉子固定在電動機軸上，另一個永磁轉子固定在負載的轉軸上，導體轉子和永磁轉子之間有間隙（稱為間隙）。兩個轉子互不接觸使電動機和負載由原來的硬（機械）連接轉變為軟（磁）連接，通過調節永磁體和導體之間的距離即實現負載與電機之間的扭矩轉化，從而實現負載轉速變化。通過調整距離可以獲得可持續調整的、可控制的、重復性很強的的負載。

因為這種扭矩輸出是通過磁體和導體之間的相對運動產生。PMD的輸出轉速始終都比電機的轉速小，實際應用中，在電動機滿負荷運行時，耦合器的轉速小于電機的轉速1%～4%之間，我們稱之為滑差。

靠磁力傳動聯軸器的結構有兩種:平行非接觸式磁傳動聯軸器和同軸非接觸式磁傳動聯軸器。磁體以軸向布置磁體,耦合磁極成軸向配置的叫平行非接觸式磁傳動聯軸器。磁體以徑向布置磁體,耦合磁極成徑向配置的叫同軸非接觸式磁傳動聯軸器,見圖1、圖2所示。

永磁磁力耦合聯軸器調速的特點：

（1）與變頻器調速的方式相比成本較低。

（2）因沒有直接接觸的物體，磨損小所以維護工作量小，幾乎為免維護產品，維護費用極低。

（3）在實際安裝中較硬連接的聯軸器可以容忍較大的安裝對中誤差，大大簡化了安裝調試過程及難度。

（4）具有過載保護功能，消除了系統因過載而導致的設備損壞及故障的現象，提高了電機驅動系統的可靠性。

（5）除控制器的支撐軸承外其他部件的理論設計壽命可達到30年，可靠性非常高。

圖1 平行非接觸式磁傳動聯軸器

圖2 同軸非接觸式磁傳動聯軸器

（6）控制扭矩輸出可以調節兩個磁力板之間的間隙，利用反饋控制可以達到高精度的過程控制。

（7）因傳動靠磁力所以啟動時只有速度變大后驅動力才能達到預定的效果，所以具有帶緩沖的軟啟動/軟制動（剎車）。

（8）具有較強的節能效果，理論上可以達到20%--45%左右。

（9）由于電機和泵之間無接觸，不會產生振動干擾，其減震效果較硬連接聯軸器的好。

（10）磁耦合聯軸器結構簡單，能適應各種惡劣環境，不產生污染物，對環境友好，不像變頻器會產生諧波。

PMD控制器有兩種控制方式，永磁調速器可分為手動調速型和電控調速型。手動調速型永磁調速器的磁場調節機構為機械式，電控調速型永磁調速器的磁場調節機構含有電子操控的控制單元。

電控調速型永磁調速器自反饋控制通過處理各種信號實現對負載進行調速，包括流量、位移、壓力、傳動速度等其它過程控制信號。對現有設備進行改造時非常方便，不需要對現有電動機和供電電源進行任何改動，只需購買永磁調速其及少量的改造工程。安裝PMD以后，整個系統不產生諧波干擾。在通常情況下，如果關閉或者拆除現有的過程控制硬件設備。負載都可以在最優化的速度范圍內運行，增加電機的效率，從而減少運行維護成本。

2 永磁無損耦合調速驅動關鍵技術在海上設施的應用

中海油海上設施的各種離心泵大部分采油硬鏈接的聯軸器，傳統的扭矩傳遞方式是將主動軸和從動軸互相連接起來，使兩根軸一同旋轉，常規聯軸器如圖3所示。

圖3 海上設施常規聯軸器

海上設施面臨的一些問題該技術在理論上都能有解決的方案，主要需要解決的問題如下：

（1）解決常規聯軸器安裝復雜，運行中對中誤差變化，振動變大。

永磁耦合器的容差大，輸入轉矩與輸出轉矩比較接近（滑差在1%～4%之間），所以電動機滿足負載所需要的轉矩即可。PMD傳輸能量和控制速度的能力受電動機軸和負載軸之間由于安裝對中而產生的角度或偏移的影響較小。未很好的對中而產生的震動不會相互干擾，電機和負載沒有機械連接，電動機的震動不會引起或影響負載震動，使整個系統的震動問題得到有效控制及減小。

在旋轉機械的故障中，超過50%是由不對中所引起的。不對中會導致：機器意外停機，或振動過大，或軸承、密封、聯軸器和皮帶等零部件因相互干擾和影響發生磨損而頻繁更換。

常規聯軸器：開口容差：0.05mm/100mm永磁耦合器的容差：錯位容差：1～2mm開口容差：0.5～1mm/100mm

錯位容差0.05mm

相對常規聯軸器其容差度提高非常大，給中海油多數的艙底穿墻泵軸的改造和新建項目帶來了極大的優勢，中海油有一半的FPSO在設計時將具有危險油氣液體的輸送泵設置成泵艙和機艙兩部分（見圖4、圖5），電機驅動端放置在安全區域的機艙，泵體放置在危險區域的泵艙，機艙和泵艙之間用穿墻軸承連接并隔離，由于加長了驅動軸并安裝兩個不同的艙室，且泵與電機的底座不是同體加固，及其容易造成安裝階段的對中不佳，或在使用過程中船體及底座變形使泵與電機的運轉狀況變得惡劣，引起泵軸不同心而發生各種故障。

圖4 艙底泵穿墻示意圖

圖5 穿墻密封及軸承安裝偏差示意

（2）解決大功率電機起動時對平臺電網的沖擊。

電機系統的啟動問題一直是困惑用戶的問題，尤其大功率是大功率（大于300KW的電機），在渤海海域的平臺上最大的電機達到1600KW之巨，在中海油的海上設施的配電系統容量有限其影響更大，因為大功率電機在啟動時，基本上可以看作是滿負荷啟動，電機在啟動瞬間，啟動電流超出電機正常額定工作電流的十幾～幾十倍，使得本身海上配置的變壓器、配電設備短期嚴重過載，造成電壓跌落(“黑電”現象)甚至啟動失敗，嚴重時還可能燒毀電機。大功率電機啟動過程短的持續幾秒，長的達到幾十秒，電機線圈嚴重發熱，長期如此勢必造成電機線圈提前老化，縮短電機使用壽命。使用永磁耦合器在啟動時將負載與電機脫離，電機空載啟動，正常運轉后聯軸器自動耦合將轉速適應負載的需要，從而減少對電網的沖擊。

（3）諧波增加對發電機效率的影響。

中海油海上平臺通常電網的容量較小，無功功率的增加會增加海上發電機組的發電功率滿足不了日常需求，就要啟動備用發電機組滿足正常的生產之需，而變頻器的廣泛應用是增加諧波的重要因素，電氣設備對電網造成的總諧波電壓超過5%，需要加裝高成本的有源諧波濾波器，從而增加用電設備的成本，在平臺建造投入的成本也會增加。

電動機負載是由線圈組成的感性負載，而永磁調速器為機械式調速裝置，與交流電的性能無關，在永磁調速器調速過程中不會造成電流諧波，電機的功率因素取決于電機，這種功率因素問題僅利用配電系統中的電容補償柜就可以實現。

（4）海上惡劣的條件對調速器可靠性的影響。

永磁調速器主要由銅盤和永磁盤兩部分元件構成，永磁材料在惡劣的環境溫度下可以保持強磁場特性，地球上的極限環境溫度在±100℃范圍內波動，永磁調速器可以在這種環境溫度范圍內正常工作。而像變頻器一類的電子裝備，為了降低設備故障率，必須保證溫度和濕度恒定在某個范圍，需要專門房間房間來安置，達到防爆、防靜電、恒溫等條件，增加了使用、維護等成本，增加了電能消耗、諧波等不利因素。

永磁調速器是機械式的、無摩擦傳遞扭矩的裝置，除執行機構使用較弱的控制電能在危險場合需要采用防爆結構外，主功率部分是不會產生火花及靜電，因而在易燃易爆環境下使用較為安全。適合于油田、油輪、煤礦、化工、礦井、高濃度粉塵工廠等。

由于永磁調速器為機械式調速裝置，幾乎與電力無關，當電壓波動、電力諧波、閃變、跌落、短時間斷電、浪涌、雷擊等，這些因素對類似變頻器的調速裝置往往是致命的。采用永磁調速器不會因為電網質量造成設備設施的損壞。因此，無論電機系統的電壓等級及工作頻率為多少，采用永磁調速器進行調速是非常適宜的。永磁調速器對電機轉速的要求比較敏感，一般在相同功率下，電機轉速越低，永磁調速器尺寸相對會增加。

（5）節能降耗的要求。

在設備的安裝和設計過程中，離心設備及均存在一定的設計余量，而且三相異步電動機相對于離心設備需求的功率也存在一定的設計余量，也就是對于現有的這些離心設備來說，即使全部設備都滿負荷運行，這些三相異步電動機也不用達到額定功率運行就能達到足夠的供給，需要通過進出口的閥門來調節流量，通過閥門來調節流量存在能耗高的的問題，這就需要通過一定的方式進行節能改造。新型永磁傳動技術的出現，改變了傳統的電機與設備之間的連結和調速的認識。永磁技術采用磁力非接觸傳遞扭矩，通過調節永磁場在導體轉子中的嚙合面積來實現轉矩及轉速的變化，對負載進行無極調速，并使設備運轉穩定，極大降低設備故障率。

電機系統的故障主要原因是振動，振動會導致軸承、油封等的加速磨損，也會導致基座、管道接頭、緊固件等松動或斷裂或破損，振動還會導致產生強烈的噪聲，在能耗與故障降低維修成本降低的雙效應的共同作用下其節能降耗的效果更加明顯。

3 海洋石油對永磁調速的需求分析

中海油在永磁調速器上應用不足的原因有以下幾點：

（1）海上油田的電力來源主要是通過自身的發電系統獲得，主要的能源來自天然氣或者原油，少部分使用柴油，其發電的成本較小，所以對節能的要求相對較小。

（2）海上油田使用的電機功率普遍比較小，采用普通的降壓啟動能滿足實際的需要，功率較大的采用變頻器啟動能滿足要求。

（3）使用永磁調速器需要在建造的初期對整個平臺的設計要有一個統籌的考慮，一般永磁調速器的安裝空間會占整個泵的1/3～1/2左右，對整個布置會產生影響。

（4）現在正在使用的平臺或FPSO在原始設計中未考慮以后的改造需求，泵的空間滿足不了改造的要求，天津分公司某平臺的一臺1600KW的外輸泵安裝永磁調速器需要將泵或電機外移1.8米的距離，因沒有足夠的空間而放棄改造至今未能滿足使用要求。

（5）海上裝置的泵在設計時對結構進行了加強設計，如果進行改造對結構的受力發生改變，需要對結構加強重新設計審核，也是制約改造的因素。

總之，海洋石油海上平臺在今后的設計中加入永磁調速器的使用，可以將部分的壓力、流量等工藝參數的控制利用永磁調速裝置實現，將這些控制納入DCS系統將可以減少現場控制閥的使用，為減小海上裝置的建造成本也是一項不錯的選擇，特別是陸地處理廠使的是陸地電網的電力，節能的需求對處理廠是比較現實的，應該加以推廣。

4 幾種常見調速技術比較

海上平臺進行生產參數（壓力、流量）進行控制的裝置主要是調節閥和變頻器，他們與、變頻調速、永磁調速通過比較，有如下結論：

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結語

通過以上分析永磁調速在傳遞效率、振動防止、環境條件的適應性、海上電網的諧波控制等方面的優勢是顯現的，尤在泵組的安裝、調試、檢修方面，要比其他方式（變頻器、液力耦合器）簡單、方便，相對于變頻器在使用壽命、運行環境適應性、泵組減震降噪、軟啟動、過載保護、對電網諧波影響等方面的性能，都要有顯著的優勢；經濟方面，永磁設備現階段都依賴于進口，設備價格昂貴，工程初期投資要高于進口變頻設備，如果考慮到設備壽命，永磁調速的初期投資比變頻調速的投資低，并且運行成本比變頻節省，致力于該產品開發的許多國內的研究機構在進口產品的基礎上進行了許多優化和改善，使我國的產品研發和技術引進有了飛速的發展，他們將進口設備的缺陷進行充分的研究并進行開發和創新，已經有了屬于自主產權的技術創新產品，在體積上也有很大縮減，其價格也比進口產品低很多，所以總體來講，永磁調速相比于進口變頻調速裝置要更經濟。

總之，永磁調速是一種技術先進的新型節能調節技術，為電動機的調速節能提供了一種新的選擇。目前，該技術在國內應用時間還比較短，隨著產品的應用，運行可靠性得到充分證明后，將會有廣闊的應用前景。

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