永磁调速在机泵节能改造的应用

卢永（中国石化海南炼油化工有限公司）

永磁调速在机泵节能改造的应用

卢永（中国石化海南炼油化工有限公司）

据统计，机泵电能消耗占全国电能消耗的 21%以上，炼油厂离心泵电耗为全厂电耗的55%，因此，降低机泵的能源消耗对节能工作意义重大。永磁调速作为一种新的节能方法，在实际应用中表现出了节能效果好、运行可靠度高等优点。永磁调速在机泵节能改造时，改造设备应尽量选择调节较少、调节精度要求不高的设备，以减少对工艺操作的影响。

机泵 永磁调速 技术改造 措施 节能

机泵是一种广泛应用于国民经济各个领域的通用机械，是电能的主要消耗者之一。据统计，其电能消耗占全国电能消耗的 21%以上，炼油厂离心泵电 耗 为 全 厂 耗 电 的 55%[1]。 在 实 际 生 产 中 ， 很 多 机泵不能设计工况点运行，只能使用出口阀门节流，造成设备低效率运行，对安全、绿色、低碳应用不利 。 根 据 离 心 泵 的 比 例 定 律[2]可 知 ， 流 量 与 转 速 成正比，功率与转速的立方成正比。因此，降低机泵转速，在流量下降的同时，轴功率显著下降，节能效果明显，且效率比节流调节高。目前常用的调速节能方法有变极调速、变频调速、液力耦合器、串级 调 速 等[3]。 永 磁 调 速 是 近 年 来 国 外 发 展 起 来 的 调速 技 术 ， 1999 年 ， 美 国 MagnaDrive 公 司 在 永磁传动研究方面实现了突破，实现了对风机水泵旋转负载进行调速，大大地提高了永磁传动的传动效率，全面提高了电动机系统的可靠性，并将传递的功率大 大提高[4]。

1 永磁调速技术

1.1永磁耦合技术[5]

如图1a所示，根据楞次定律，当磁铁棒 N极垂直接近导体板时，在导体上会产生1个N极磁场来抵抗磁棒N极接近，该抵抗磁场由逆时针方向的感应电流 （涡电流）所产生。同理，如图1b所示，当磁铁棒N极平行于导体板移动时，在导体板上会产生抵抗磁铁棒N极前进的方向相反的2个磁场，在磁铁棒N极的前方产生N极磁场、后方产生S极磁场抵抗磁铁棒前进。而且当磁铁棒愈靠近导体板时，导体板上抵抗磁铁棒相对运动的力愈大。

图1 楞次定律

永磁耦合技术即是由楞次定律引申而来，如图2所示。

◇当磁力线通过铜导体时，静止的情况下不会有作用；

◇当磁铁棒与导体板有相对运动时，磁力线在 导 体 中 移 动 产 生 感 应 涡 电 流 （EddyCurrent）， 进而在铜导体上产生感应磁场，而产生扭矩；

◇当两者越靠近时，磁力线密度越密集，扭矩越大；

◇当两者相对运动越快时，两者感应同极磁场越强，产生扭矩越大（转差越大，扭矩越大）。

1.2永磁调速器基本结构

如图3所示，永磁调速器主要由三部分组成：安装在负载轴上的镶有永磁磁铁的钢盘；安装在电动机轴上的铜盘(或铝盘)；调整磁盘与铜盘之间气隙的执行机构。当需要调节压力、流量或其他控制参数时，输出调节信号至调速器的气隙调节机构，执行器改变永磁耦合器的气隙从而调节负载转速，达到调节需控制参数的目的。

图2 永磁耦合技术原理

图3 永磁调速器结构

1.3永磁调速的优点

永磁调速设备为非接触、纯机械联接，结构简单、易损件少，因此相对其他调速节能方法有以下优点：

◇维护成本低，适应恶劣环境；

◇安装简单，无需精密对中，允许一定的安装偏差；

◇电动机与泵轴不直接连接，振动不产生相互影响；

◇不产生谐波，不伤害电动机，不影响电网功率因数；

◇可空载启动或软启动，电动机启动电流小 、时间短 ， 对 电 网 无冲击[6]。

2 永磁调速改造

2.1基本参数

永磁调速改造机泵具体参数见表1。

表1 永磁调速改造机泵参数

所选永磁调速驱动器参数见表2。

表2 永磁调速驱动器泵参数

2.2改造过程

2.2.1 基础改造

因为永磁调速驱动器需要安装在电动机与泵之间，因此为了安装永磁调速驱动器，需先将电动机与泵拆开，将电动机向后移动以留出永磁调速器的位置。需对设备基础进行改造，增加电动机移动后的安装基础、永磁调速驱动器安装地脚及执行器安装基础。

2.2.2 永磁调速驱动器安装

待基础改造完成后，将输入轴紧缩盘安装至电动机轴上，将电动机轴与磁转子中间轴连接好，再将输出轴紧缩盘安装好，安装好导体盘，将电动机吊至基础上，调整气隙至数据满足要求。在安装过程中需要注意磁转子与导体之间有强磁力，应避免使用磁性工具，同时防止将手放在危险区域，以免夹伤。

2.2.3 执行器安装

根据永磁调速原理，电动机与泵之间的扭矩传输是通过气隙连接的，因此转速调整也是通过调整气隙实现。如图4所示，执行器一般选用工业标准的电动执行器。调节执行器时，执行器臂转动，带动连杆动作，永磁调速驱动器外层套管壁将沿轴向移动，改变气隙，达到调节效果。

图4 永磁调速执行器

执行器安装完成后，需对其进行调试，手动调整执行器到各对应位置，检查执行器臂角度及永磁调速气隙、转速，对其进行校准。

2.2.4 控制器组态

控制器可以利用已有DCS系统组态，如图5所示。 控制 器接 受流 量信号后通过 PID 调节，变成4～20mA 信号驱动角度执行机构，调节永磁调速驱动器气隙，从而调整泵转速以满足控制要求。

图5 永磁调速控制回路

2.3改造效果

改造前后机泵运行参数见表3、表4。从表中可以看出，在改造前后流量基本不变的情况下，303-P-302A、501-P-102A 出口阀全开，电动机电流、功率明显下降，节电率最小的 302-P-218A 也达 到 30%。 除 501-P-102A 电 动 机 振 动 略 有上 升外，其余机泵改造后振动稳定且略有下降。

表3 永磁改造前后参数

表4 永磁改造前后振动

3 问题及改进

3.1问题

永磁调速改造一般都是在装置运行过程中对备用泵进行改造，其内容涉及设计、土建、机械、仪表、电气等各专业，任何一个环节的疏忽或衔接不好都会对施工及使用造成影响。

3.1.1 安装问题

以 302-P-218A为例，说明永磁调速改造安装中出现的问题。

1）新增电动机基础需要在原有基础后部加长，并且将电动机地脚垫板割除，重新焊接底板后再找正调整焊接新的电动机地脚垫板，对新增基础的强度、水平度等要求较高。302-P-218A 因新增机座钢架存在与原机座水平度偏差大、机座钢架上方钢板强度不够且与电动机脚新垫板下方接触面积不够等缺陷，导致施工出现反复，进度严重滞后，甚至在安装试车时出现振动超标。

2）因 302-P-218A 泵轴中心线相对基础平面高度为 472mm，永磁调速器中心相对高度为457mm，因此泵比永磁调速器中心高15mm。现场施工时加工4块带有螺栓孔的钢板作为永磁调速器的基脚固定。

3）为保证安全生产，为每台机泵准备一个长联轴器，用于在永磁调速驱动器发生故障时连接机泵和电动机，保证设备正常使用。但因该联轴器较长，导致使用联轴器时轴不稳定，摆动较大，导致泵振动较大。备用联轴器参数见表5、表6。

4）基础施工、地脚安装、垫铁焊接等均需在现场动火作业，有时需在现场反复打磨，在石油化工生产现场的特殊环境下，对安全生产压力较大，如 302-P-218A 仅基础施工、设备安装就耗时 15天，开火票6张。另一方面，严格的动火作业管理，也导致可作业时间有限，施工进度缓慢，火票数量多。

5）永磁调速改造期间备用机泵长时间不能备用，运行泵如出现故障则会对生产造成较大影响。

表5 302-P-218A备用联轴器参数

表6 302-P-218A安装备用联轴器时的振动

3.1.2 使用问题

1）如图 6 所示，原设计 302-P-218A 泵出口有两路，一路作为冷回流回到 C201顶，控制塔顶温度，另一路外送，控制 D201A液位。永磁调速改造后，增加永磁调速控制器 PMD218A，接受外送流量 FIC0701 控制，调节 302-P-218A 转速，达到调节 D201A 液位 LIC0701 的目的；此时，外送流控阀FV0701 应全开不节流。但当 D201A 液位变化时，机泵转速变化，出口压力、流量随之变化，导致冷回 流 流量 FIC0105 波 动 ， 引 起 塔 顶 温 度 TIC0101 波动，影响装置平稳操作。另外，因两路后路压力不同，如全开其中一路，则会导致另一路流量过大或过小。因此，在实际运行中，将永磁调速控制器PMD218A 调到一定转速后，仍然依靠冷回流控制阀 FIC0105和外送控制阀 FV0701调节各自参数，未能达到最佳节能效果。

图 6 302-P-218A调节回路

2）永磁调速依靠执行器进行气隙调节实现转速调节，达到调节工艺参数的目的，实际运行中经常出现调节不灵敏，给小信号不动作，积累到一定程度突然动作的情况，造成生产波动。

3.2改进措施

1）在前期准备阶段应认真研究设备实际运行情况，在选择改造机泵时，应与工艺、设备人员加强沟通，选择控制流程简单、调节较少、调节精度要求不高的进行改造。

2）在设备选型阶段应根据需改造设备情况，选择适合的永磁调速驱动器；同时根据实际需要选择合适精度的执行器，防止因为执行器精度不足影响永磁调速调节精度。

3）在施工准备阶段应摸清现场情况，查找原始资料，尽量测量准确现场数据，防止基础质量不合格或施工过程中出现各种突发问题。

4）针对改造后永磁调速调节不灵敏情况，对执行器进行重新调试校准；根据工艺运行参数范围，重新整定零点，缩小永磁调速调节范围，增大调节信号放大系数，一定程度上缓解调节不灵敏情况。

5）对调节精度要求较高的设备，如整定后仍不能满足操作要求，可考虑更换灵敏度高的执行器。

4 结语

永磁调速作为一种新的节能方法，在实际应用中表现出了节能效果好、运行可靠度高等优点，基本达到了预期的改造目的。但改造施工、实际使用过程中出现的一些问题说明，在前期设备选择、准备工作、施工等各方面需要做好细致的工作，尤其是被改造设备应尽量选择调节较少、调节精度要求不 高 的 设 备 ， 如 锅 炉 风 机 、 水 泵 等[7]， 以 减 少 对 工艺操作的影响。另外，虽然永磁调速驱动器故障率较低，但发生故障后使用备用联轴器时振动较大，影响机泵备用，也是需要解决的问题。

[1]李贵贤,范宗良,毛丽萍.化工节能技术问答[M].北京:化学工业出版社,2009:116.

[2]薛敦松.石油化工厂设备检修手册（泵）[M].北京:中国石化出版社,2007:16.

[3]王一恒,高汉英,王广盛.机泵的变速调节与节能[J].节能技术,2002,20(6):44-46.

[4]赵国祥,马文静,曹永刚.永磁调速驱动器在闭式冷却水泵上的节能改造[J].节能,2010(4):41-44.

[5]陶振国,朱荣.永磁调速技术在发电厂辅机节能改造中的应用分析[J].浙江电力,2012(1):35-37.

[6]董长善.机泵调速节能的几点看法[J].石油化工设备技术,2007,28(2):11-14.

[7]严新荣,张东.永磁调速技术在火力发电厂中的节能应用研究[J].华电技术,2009,31(12):26-28.

10.3969/j.issn.2095-1493.2013.010.012

2013-01-06）

卢永，工程师，2004年毕业于天津大学化工学院 （过程装备与控制工程专业），现在中国石化海南炼油化工有限公司运行部二单 元 从事炼油设 备 技术管理 工 作，E-mail： luyong271@126.com，地址：海南省洋浦经济开发区海南炼油化工有限公司运行部二单元，578101。