張祥勝(大慶油田有限責(zé)任公司天然氣分公司)
永磁調(diào)速驅(qū)動器在原油穩(wěn)定裝置上的應(yīng)用
張祥勝(大慶油田有限責(zé)任公司天然氣分公司)
永磁調(diào)速驅(qū)動器是一種較新的機(jī)械節(jié)能調(diào)速裝置,它通過調(diào)整永磁體與銅導(dǎo)體之間的氣隙控制傳遞轉(zhuǎn)矩的大小,屬于非接觸機(jī)械聯(lián)接,振動小,維護(hù)費(fèi)用低,對電動機(jī)無特殊要求,與變頻控制相比具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢。文中對穩(wěn)后泵進(jìn)行永磁調(diào)速改造,將電動機(jī)基礎(chǔ)向遠(yuǎn)離泵方向延長500 mm,用于在泵和電動機(jī)之間安裝永磁調(diào)速器,并在泵入口安裝流量監(jiān)測裝置將流量信號反饋到調(diào)速驅(qū)動器控制系統(tǒng),對泵轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)。永磁調(diào)速改造后電動機(jī)電流將大幅降低,單臺280 kW電動機(jī)年可節(jié)約電能10×104kWh,同時泵機(jī)組振動大幅降低。永磁調(diào)速驅(qū)動器簡單可靠,節(jié)能無諧波污染。
原油泵 永磁調(diào)速 節(jié)能 減振
安裝在電動機(jī)與負(fù)載(如風(fēng)機(jī)、泵等離心負(fù)載)之間的銅盤與磁盤之間的磁場可以把電動機(jī)一側(cè)的力矩傳遞給負(fù)載,調(diào)節(jié)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(shí)現(xiàn)調(diào)速,這就是永磁調(diào)速的基本原理。
永磁調(diào)速驅(qū)動器的結(jié)構(gòu)如圖1所示,主要由兩部分組成,一部分是安裝在負(fù)載側(cè)的磁轉(zhuǎn)子,另一部分是安裝在動力機(jī)側(cè)的銅轉(zhuǎn)子,銅轉(zhuǎn)子與動力機(jī)轉(zhuǎn)速一致,在運(yùn)行過程中保持不變。其工作原理如圖2所示,銅轉(zhuǎn)子和磁轉(zhuǎn)子可以自由地獨(dú)立旋轉(zhuǎn),當(dāng)銅轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時,銅轉(zhuǎn)子與磁轉(zhuǎn)子產(chǎn)生相對運(yùn)動,交變磁場通過氣隙在銅轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生渦流,同時渦流產(chǎn)生感應(yīng)磁場與永磁場相互作用,從而帶動磁轉(zhuǎn)子沿著與銅轉(zhuǎn)子相同的方向旋轉(zhuǎn),結(jié)果是在負(fù)載側(cè)輸出軸上產(chǎn)生扭矩,從而帶動負(fù)載做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。通過調(diào)節(jié)永磁體和銅導(dǎo)體之間的氣隙就可以控制傳遞扭矩的大小,從而獲得可調(diào)整的、可控制的、可以重復(fù)的負(fù)載轉(zhuǎn)速,實(shí)現(xiàn)負(fù)載轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)[1]。永磁調(diào)速驅(qū)動器調(diào)速過程見圖3。
永磁調(diào)速驅(qū)動器可以改變負(fù)載的轉(zhuǎn)速,實(shí)現(xiàn)對離心泵流量和壓力的連續(xù)控制。由于離心泵的揚(yáng)程和轉(zhuǎn)速的平方成正比,功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比,因此在電動機(jī)轉(zhuǎn)速不變的情況下,調(diào)節(jié)離心泵的轉(zhuǎn)速,當(dāng)離心泵的轉(zhuǎn)速下降時,其流量和揚(yáng)程分別成比例減小,電動機(jī)的消耗功率急劇下降,大量節(jié)約了電能。
現(xiàn)在電動機(jī)的主要調(diào)速方式有四種:串級調(diào)速、變頻調(diào)速、液力耦合器和永磁調(diào)速。由于串級調(diào)速采用改變電動機(jī)轉(zhuǎn)子電流實(shí)現(xiàn)調(diào)速,電動機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子之間的磁場緊密耦合,電動機(jī)定子上的電壓電流變化直接影響串級調(diào)速電子設(shè)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(diào)速比成正比,負(fù)載的轉(zhuǎn)速越低,其效率越低,因此下面主要對永磁調(diào)速驅(qū)動器和高壓變頻器進(jìn)行比較。
高壓變頻器采用復(fù)雜的電路拓?fù)鋵?shù)以萬計的電力電子元器件串并聯(lián),實(shí)現(xiàn)對高壓電動機(jī)的輸入頻率和輸入電壓改變,從而實(shí)現(xiàn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速變化,屬于電氣調(diào)速。
永磁調(diào)速驅(qū)動器采用高強(qiáng)度的磁轉(zhuǎn)子與銅轉(zhuǎn)子相互作用,實(shí)現(xiàn)電動機(jī)與負(fù)載沒有機(jī)械聯(lián)結(jié),通過調(diào)節(jié)氣隙的大小實(shí)現(xiàn)負(fù)載調(diào)速,電動機(jī)轉(zhuǎn)速不變,負(fù)載調(diào)速,屬于機(jī)械調(diào)速。
據(jù)統(tǒng)計,超過80%的旋轉(zhuǎn)設(shè)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(shè)備溫度升高。而永磁調(diào)速驅(qū)動器傳輸能量和控制速度的能力不受電動機(jī)機(jī)軸和負(fù)載軸之間由于安裝未對準(zhǔn)原因而產(chǎn)生的小角度或者小偏移的影響,排除了未對準(zhǔn)而產(chǎn)生的振動問題。由于沒有機(jī)械聯(lián)接,即使電動機(jī)本身引起的振動也不會引起負(fù)載的振動,使整個系統(tǒng)振動問題得到有效降低。永磁調(diào)速裝置減振的關(guān)鍵在于通過氣隙傳遞扭矩,而沒有直接的物理聯(lián)接。
十八大以來,中國經(jīng)濟(jì)進(jìn)入“新常態(tài)”,經(jīng)濟(jì)發(fā)展由高速增長階段轉(zhuǎn)向高質(zhì)量發(fā)展階段,供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革、國資國企改革和電力市場化改革持續(xù)深化,電力行業(yè)特別是發(fā)電行業(yè)的發(fā)展面臨著異常嚴(yán)峻的形勢。全社會電量需求增長放緩,發(fā)電裝機(jī)容量又大大超過需求容量,導(dǎo)致機(jī)組利用小時大幅下降;煤炭企業(yè)降庫存,導(dǎo)致煤炭價格不斷攀升,發(fā)電企業(yè)成本壓力劇增;電力交易市場化改革,交易電量激烈競爭導(dǎo)致發(fā)電企業(yè)不計成本下調(diào)電價。產(chǎn)能過剩和供需矛盾引發(fā)的電力能源行業(yè)投資下降,發(fā)電側(cè)主營業(yè)務(wù)經(jīng)營業(yè)績持續(xù)下滑,國內(nèi)出現(xiàn)發(fā)電企業(yè)大面積虧損的局面,應(yīng)對行業(yè)激烈競爭,低成本戰(zhàn)略成為發(fā)電企業(yè)生存發(fā)展的必由之路。
永磁調(diào)速驅(qū)動器可改善電動機(jī)和負(fù)載運(yùn)行特性:緩沖啟動,減緩堵轉(zhuǎn)及負(fù)載沖擊。在電動機(jī)啟動或負(fù)載發(fā)生突然變化甚至堵轉(zhuǎn)時,永磁調(diào)速驅(qū)動器可利用其兩對磁極之間的滑差及調(diào)節(jié)兩對磁極之間的氣隙來保護(hù)電動機(jī)和負(fù)載,延長電動機(jī)和負(fù)載的使用壽命。
永磁調(diào)速裝置突出優(yōu)點(diǎn)還表現(xiàn)在可以方便地對現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行改造,不需要對電動機(jī)和供電電源進(jìn)行任何改動。安裝后對整個系統(tǒng)不構(gòu)成電磁干擾和諧波干擾。
永磁調(diào)速驅(qū)動器作為一種較新的機(jī)械節(jié)能調(diào)速裝置,可靠性高,維護(hù)成本低,安裝簡單,對電網(wǎng)無諧波污染,使用壽命長。安裝永磁調(diào)速器后負(fù)載將在最優(yōu)化的速度下運(yùn)行,增加能源效率,減少運(yùn)行和維護(hù)成本。
原油輸送系統(tǒng)共有4臺離心泵,2臺穩(wěn)前泵,2臺穩(wěn)后泵。其中:2臺穩(wěn)前泵配置相同,電動機(jī)型號:YB450S1-2、功率:315 kW、供電電壓:6 kV、額定輸出轉(zhuǎn)速:2984 r/min、原油泵型號:ZA200-5400、額定流量:538 m3/h;2臺穩(wěn)后泵配置相同,電動機(jī)型號:YB400M2-2、功率:280 kW、供電電壓:6 kV、額定輸出轉(zhuǎn)速:2985 r/min、原油泵型號:ZE200-5400、額定流量:578 m3/h。
原油輸送系統(tǒng)采用一開一備的運(yùn)行方式,實(shí)際運(yùn)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(shè)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(xiàn)象,電動機(jī)提供的能量損失在調(diào)節(jié)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(nèi)循環(huán)”的方式維持運(yùn)行,這部分能量損失也很可觀。
3)由于裝置對系統(tǒng)壓力、溫度、流量等參數(shù)要求較嚴(yán)格,為了不影響裝置在正常參數(shù)范圍內(nèi)運(yùn)行,可對穩(wěn)后泵機(jī)組進(jìn)行節(jié)能改造,穩(wěn)后原油回采油廠,不影響裝置平穩(wěn)運(yùn)行。
4)現(xiàn)在市場上的高壓變頻器在高壓電動機(jī)上的應(yīng)用較少,維護(hù)費(fèi)用高,且安裝變頻器還需同步更換高壓電動機(jī),費(fèi)用較大,可采用永磁調(diào)速技術(shù)對穩(wěn)后泵機(jī)組進(jìn)行節(jié)能改造。
對2臺穩(wěn)后泵中的一臺進(jìn)行永磁調(diào)速改造,將電動機(jī)基礎(chǔ)向遠(yuǎn)離泵方向延長500 mm,用于在泵和電動機(jī)之間安裝永磁調(diào)速器。
永磁調(diào)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(jiān)測裝置,用來把流量數(shù)據(jù)傳送給永磁調(diào)速器專用PLC單元,PLC把上述數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為控制永磁調(diào)速驅(qū)動器調(diào)速的信號后傳送給永磁調(diào)速器,調(diào)節(jié)永磁調(diào)速驅(qū)動器的磁轉(zhuǎn)子與銅轉(zhuǎn)子之間的氣隙大小,實(shí)現(xiàn)對泵軸轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)。永磁調(diào)速改造見圖4。
首先,用于永磁調(diào)速驅(qū)動器控制信號采樣的流量監(jiān)測裝置和PLC為新增設(shè)備,不與原設(shè)備共用,保證原監(jiān)測系統(tǒng)不受新裝設(shè)備影響。
其次,為充分保證安全生產(chǎn),還可專門制作一長軸,用于在永磁調(diào)速驅(qū)動器未到貨前或永磁調(diào)速驅(qū)動器安裝后發(fā)生意外故障時連接油泵和電動機(jī),充分保證設(shè)備冗余度,充分保證正常生產(chǎn)。長軸與油泵、電動機(jī)采用對輪連接方式,方便快速裝卸。出于同樣的設(shè)計構(gòu)想,永磁調(diào)速驅(qū)動器與水泵、電動機(jī)也采用對輪連接方式。
投資預(yù)算約為50×104元,包括永磁調(diào)速驅(qū)動器材料費(fèi)、工程費(fèi)等費(fèi)用,預(yù)計3年即可收回成本,見表1。
表1 永磁調(diào)速改造投資估算
直接效益:節(jié)約資金為280 kW ×20%(節(jié)能預(yù)期)×24 h×300 d(年運(yùn)行時間)×0.5元/kWh=201600×104元。
間接效益:
1)降低振動,減少泵組設(shè)備故障,降低維修費(fèi)用。
2) 由于永磁調(diào)速驅(qū)動器使電動機(jī)和泵軸沒有機(jī)械聯(lián)接,系統(tǒng)啟動時相當(dāng)于電動機(jī)空載啟動,有效地降低電動機(jī)的啟動電流,降低了電動機(jī)啟動時的故障率。
目前天然氣公司主要使用變頻器對風(fēng)機(jī)和泵進(jìn)行節(jié)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(diào)速驅(qū)動器進(jìn)行改造,其裝置不產(chǎn)生諧波、不產(chǎn)生電磁干擾、具有更好的隔振效果,且結(jié)構(gòu)簡單可靠,壽命長。天然氣分公司有大批和杏九原穩(wěn)裝置同類運(yùn)行工況的原油泵機(jī)組,如該項(xiàng)目成功實(shí)施將為下一步的節(jié)能改造提供更多選擇。
現(xiàn)在永磁調(diào)速驅(qū)動器更多地用在水泵、風(fēng)機(jī)等負(fù)載上,用來代替變頻調(diào)速,針對杏九原穩(wěn)裝置大功率的原油泵進(jìn)行節(jié)能改造取得了明顯的節(jié)能效果,且永磁調(diào)速驅(qū)動器在高、低壓電動機(jī)上均適用,無電壓等級的要求,建議將永磁調(diào)速驅(qū)動器在更大范圍內(nèi)推廣使用。
[1]趙克中.磁力驅(qū)動技術(shù)與設(shè)備[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2003:2-5.
10.3969/j.issn.2095-1493.2011.09.014
張祥勝,2005年畢業(yè)于大慶石油學(xué)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(qū)天然氣分公司油氣加工九大隊(duì)動力站,163000。
2011-10-08)