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

1 永磁調(diào)速技術(shù)原理

1.1 永磁調(diào)速技術(shù)原理

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。

1.2 永磁調(diào)速驅(qū)動器的結(jié)構(gòu)

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。

1.3 節(jié)能原理

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。

2 永磁調(diào)速器的特點(diǎn)

2.1 幾種調(diào)速方式的對比

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。

2.2 永磁調(diào)速驅(qū)動器的優(yōu)越性

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。

2.3 對比結(jié)論

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。

3 杏九原穩(wěn)裝置原油輸送系統(tǒng)說明

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。

4 永磁調(diào)速改造實(shí)施方案

4.1 電動機(jī)基礎(chǔ)

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。

4.2 控制技術(shù)

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。

4.3 安全設(shè)計

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。

5 改造投資及預(yù)期效益分析

5.1 投資估算

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

5.2 效益分析

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。

6 結(jié)論

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）