繞組永磁調(diào)速技術(shù)在“流量微調(diào)節(jié)”系統(tǒng)中的應(yīng)用

王發(fā)慶 田桂萍 劉 浪 劉 偉 黃 強＊ 黃 海

（1、華能荊門熱電有限責(zé)任公司，湖北 荊門 448000 2、江蘇磁谷科技股份有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212009）

水泵流量與轉(zhuǎn)速成正比，揚程與轉(zhuǎn)速的平方成正比，軸功率與轉(zhuǎn)速三次方成正比[1]，通常調(diào)速運行時節(jié)能效果比較明顯。工業(yè)實踐中，調(diào)速改造的投資回收期不到一年的例子也不鮮見。

并不是所有的水泵都適合調(diào)速運行。首先，軸功率的下降與調(diào)速的范圍密切相關(guān)，調(diào)速范圍越大，軸功率下降越多[2]。如果生產(chǎn)工藝要求水泵滿負荷運行，則軸功率為100%，沒有任何調(diào)速節(jié)能的空間；其次，調(diào)速設(shè)備本身有一定的損耗，當設(shè)備自身的損耗大于或接近于節(jié)能量時，則調(diào)速運行失去了現(xiàn)實意義。

目前市場上常用的調(diào)速方式包括原動機（常用設(shè)備：變頻器）調(diào)速和轉(zhuǎn)差功率調(diào)速（常用設(shè)備：液力偶合器和渦流永磁調(diào)速器）。變頻器存在開關(guān)損耗、導(dǎo)通損耗以及電房空調(diào)耗電等，最高可達額定功率5%～8%。液力偶合器和渦流永磁調(diào)速器等轉(zhuǎn)差調(diào)速設(shè)備損耗更大[3]。如果流量調(diào)節(jié)范圍很小，則軸功率下降幅度不足以抵消調(diào)速設(shè)備的損耗，則調(diào)速系統(tǒng)沒有調(diào)速節(jié)能的效果；再次，調(diào)速設(shè)備需要一定的采購成本、運行成本，如果實際節(jié)省的電費不足以抵消這些成本，也沒有調(diào)速節(jié)能的經(jīng)濟價值。

火電廠脫硫系統(tǒng)使用的漿液循環(huán)泵通常流量調(diào)節(jié)范圍很小，屬于典型的“流量微調(diào)節(jié)”系統(tǒng)。這類設(shè)備大多通過配置多臺不同功率等級的漿液循環(huán)泵，通過控制投入的漿液循環(huán)泵數(shù)量或者安裝專門的閥門機構(gòu)來對需要的漿液進行調(diào)節(jié)，能量浪費較為嚴重[4]。

本文在介紹繞組永磁調(diào)速技術(shù)的基礎(chǔ)上，詳細推導(dǎo)出“流量微調(diào)節(jié)”系統(tǒng)中應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)的投資收益情況以及應(yīng)用繞組永磁調(diào)速技術(shù)的投資收益情況，總結(jié)出相較變頻調(diào)速技術(shù)，繞組永磁調(diào)速技術(shù)在“流量微調(diào)節(jié)”系統(tǒng)中具有更高的節(jié)電收益和更好的社會效益。

1 繞組永磁調(diào)速技術(shù)（WPMSRT）原理

圖1 繞組永磁調(diào)速技術(shù)系統(tǒng)框圖

發(fā)電機利用電磁感應(yīng)原理將機械能轉(zhuǎn)換為電能，電動機將電能轉(zhuǎn)化為機械能，變壓器將一種電壓的電能轉(zhuǎn)換為另一種電壓的電能。

繞組永磁傳動技術(shù)實際上是利用類似于永磁發(fā)電機的電磁感應(yīng)原理來傳遞扭矩的一種新興永磁傳動技術(shù)。繞組永磁調(diào)速器包含有一個繞組轉(zhuǎn)子和一個永磁轉(zhuǎn)子。當永磁轉(zhuǎn)子由原動機拖動按照額定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時，繞組轉(zhuǎn)子與外部電路聯(lián)結(jié)形成回路后將感應(yīng)出電流，感應(yīng)電流形成的感應(yīng)電磁場與永磁轉(zhuǎn)子形成的永磁磁場相互作用傳遞扭矩，帶動繞組轉(zhuǎn)子以及與之相連的負載旋轉(zhuǎn)，其本質(zhì)上是一種轉(zhuǎn)差調(diào)速器[5]。忽略細微的機械損耗，繞組轉(zhuǎn)子將得到原動機相同的扭矩，而轉(zhuǎn)速可以任意調(diào)節(jié)。繞組轉(zhuǎn)子與原動機之間的轉(zhuǎn)差產(chǎn)生轉(zhuǎn)差功率，其表現(xiàn)形式是繞組上的電功率。該電功率的電壓和頻率與轉(zhuǎn)差大致成正比，而電流與轉(zhuǎn)矩大致成正比[6]。此電功率可以回收再利用，達到最佳的節(jié)能效果。

2 高壓變頻器應(yīng)用于1000kW 流量微調(diào)節(jié)漿液循環(huán)泵

高壓變頻器的損耗大致分為可變損耗pc和不變損耗pv。pc主要包括開關(guān)器件的導(dǎo)通損耗（與電流大小成正比）、變壓器的銅耗等，而不變損耗則主要包含開關(guān)損耗（與開關(guān)頻率有關(guān)）、變壓器的鐵耗等[7]。

高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的損耗按如下方式進行計算：

電機的輸出功率P3與調(diào)速比n 的3 次方成正比，即：P3=1000×n3；

電機的輸入功率P2等于變頻器的輸出功率，當調(diào)速范圍很小時，電機效率可以認為是電機的額定效率95%，則：P2=P3/95%；

高壓變頻器典型的額定效率為95%，則總損耗為50kW。假定pv和pc的基值按照25kW 來計算。每個轉(zhuǎn)速下pv按照轉(zhuǎn)速的平方成正比計算（可根據(jù)P∝n3，U∝n，P∝I×U，pv∝I 推出，其中P 為變頻器的功率，n 為電機轉(zhuǎn)速，U 為變頻器電壓，I 為變頻器電流）[2]，即：pv=25×n2；

變頻器的輸入功率P1為：P1=P2+pv+pc；

不調(diào)速耗電功率P0為1000kW 電機的輸入功率，即：P0=1000/95%；

相對不調(diào)速節(jié)電功率ΔP 為：ΔP=P0-P1；

年節(jié)電ΔE 按照年運行時間0.7 萬小時計算（單位為萬度），即：ΔE=ΔP×0.7；

年節(jié)電費ΔF 按照0.35 元/度電計算，即：ΔF=ΔE×0.35；

年分攤購置成本C1按照12 萬元計算，年運行成本C2按照3 萬元計算（維護工作包括更換模塊、更換控制板）。10 年后變頻器的殘值C3基本上為0。

10 年收益B 為：B=（ΔF-C1-C2）×10+C3。

見表1。

表1 高壓變頻器節(jié)電效益表

3 繞組永磁調(diào)速器應(yīng)用于1000kW 流量微調(diào)節(jié)泥漿泵

繞組永磁調(diào)速器的損耗類似于永磁電機。為了簡便計算，大致把它的損耗分為pfe和pcu。pcu與負載轉(zhuǎn)矩大小相關(guān)，而pfe與轉(zhuǎn)速差相關(guān)。

調(diào)速器的輸出功率P3’與轉(zhuǎn)速的3 次方成正比，即：P3’=1000×n3；

典型的1000kW 繞組永磁調(diào)速器的pfe和pcu基值都為10kW，每個轉(zhuǎn)速下的pfe為轉(zhuǎn)速差的1.3 次方[8]，即：pfe=10×（1-n）1.3；

每個轉(zhuǎn)速下的pcu與轉(zhuǎn)速的4 次方成正比（由T∝n2，I∝T，pcu∝I2可推出。其中T 為扭矩，I 為電流），即：Pcu=10×n4；

電機的輸出功率（調(diào)速器的輸入功率）P2’為：P2’=P3’+pfe+Pcu；

電機的輸入功率（耗電功率）P1’為（電機效率為95%）：P1’=P2’/95%；

不調(diào)速耗電功率P0為1000kW 電機的輸入功率，即：P0=1000/95%；

相對全速節(jié)電功率ΔP’=P0-P1’；

年節(jié)電ΔE 按照年運行時間0.7 萬小時計算，即：ΔE’=ΔP’×0.7；

年節(jié)電費ΔF 按照0.35 元/度電計算，即：ΔF’=ΔE’×0.35；

年分攤購置成本C1’按照12 萬元計算，年運行成本C2’按照1 萬元計算（維護工作包括添加潤滑脂、清理碳粉和更換碳刷）。10 年后繞組永磁調(diào)速器的殘值C3’至少可保值一半。

10 年收益B 為：B’=（ΔF’-C1’-C2’）×10+C3’。

見表2。

表2 繞組永磁調(diào)速器節(jié)電效益表

4 繞組永磁調(diào)速器相較高壓變頻器收益對比

根據(jù)本文提供的計算方法，可以看出變頻器在轉(zhuǎn)速標幺值大于等于0.99 時，節(jié)電量為負數(shù)；大于等于0.97 時，節(jié)能的經(jīng)濟效益為負數(shù)。但是，如果改為繞組永磁調(diào)速，即使速度標幺值為0.99，仍然有節(jié)電的效果。而只要速度標幺值不低于0.98，節(jié)能的經(jīng)濟效益即為正。同樣調(diào)速到0.95，繞組永磁調(diào)速的10 年收益比變頻調(diào)速多140 萬元以上。這對于我國實現(xiàn)碳達峰和碳中和的節(jié)能目標具有重要的意義。