賀運初，潘樹林，王 滿

（1.湖南眾合節(jié)能環(huán)保有限公司，湖南長沙410205；2.廣西大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，廣西南寧530004）

永磁調(diào)速器在泵與風(fēng)機節(jié)能中的應(yīng)用

賀運初1，潘樹林2，王 滿2

（1.湖南眾合節(jié)能環(huán)保有限公司，湖南長沙410205；2.廣西大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，廣西南寧530004）

闡述了永磁調(diào)速器的工作原理，分析了永磁調(diào)速相對于變頻調(diào)速的優(yōu)勢。通過泵與風(fēng)機永磁調(diào)速的應(yīng)用實例，對永磁調(diào)速系統(tǒng)進行了節(jié)能分析。應(yīng)用結(jié)果表明，永磁調(diào)速器具有可靠性高、節(jié)能效果好、成本低、無伴生危害等優(yōu)點。

永磁調(diào)速器；節(jié)能；原理；效果；計算；應(yīng)用；泵；風(fēng)機

0 概 述

泵與風(fēng)機在國民經(jīng)濟中占有重要地位，泵的電能消耗占全國電能消耗總量的21%以上，風(fēng)機的電力消耗占全國發(fā)電總量的10%以上［1］。設(shè)計時，因選用的泵與風(fēng)機裕量過大，或者無相匹配的泵與風(fēng)機，而選用了性能參數(shù)較高的泵與風(fēng)機。在實際運行中負(fù)荷的變化較大，設(shè)計時只能按最大需求選用泵與風(fēng)機的參數(shù)。因此，在系統(tǒng)工況下，泵與風(fēng)機性能不匹配的現(xiàn)象十分突出，泵與風(fēng)機長時間偏離高效區(qū)運行。僅采用節(jié)流或回流的方法，對泵或風(fēng)機的流量、壓力等進行調(diào)節(jié)，均會造成系統(tǒng)的能量損失。例如，火力發(fā)電廠設(shè)計技術(shù)規(guī)程規(guī)定：采用三分倉空氣預(yù)熱器正壓直吹式制粉系統(tǒng)的冷一次風(fēng)機的風(fēng)量裕量宜不小于35%，另增的溫度裕量，可按“夏季通風(fēng)室外計算溫度”進行確定。風(fēng)機的壓頭裕量宜為30%［2］。采用調(diào)速裝置對泵或風(fēng)機的運行參數(shù)進行調(diào)節(jié)，可以改善系統(tǒng)的匹配狀態(tài)及運行彈性，從而使設(shè)備運行在最佳工況下。永磁傳動技術(shù)是指在外力的作用下，利用傳動部件中主、從動永磁場所產(chǎn)生的耦合力（包括吸引力和排斥力），實現(xiàn)力或轉(zhuǎn)矩（功率）無接觸傳遞的一種新興的傳動技術(shù)［3］。永磁調(diào)速技術(shù)屬于永磁傳動技術(shù)的一個分支，可以進行在線無級平滑調(diào)速。《國家重點節(jié)能技術(shù)推廣目錄（第五批）》推薦了永磁調(diào)速技術(shù)。《工業(yè)節(jié)能“十二五”規(guī)劃》，要求采用永磁調(diào)速技術(shù)，改善風(fēng)機、泵類電機系統(tǒng)調(diào)節(jié)方式，逐步淘汰閘板、閥門等機械節(jié)流調(diào)節(jié)方式，提高電機系統(tǒng)的運行效率。

1 永磁調(diào)速器的基本組成與工作原理

1.1 基本組成

永磁調(diào)速器主要由導(dǎo)體轉(zhuǎn)子、永磁轉(zhuǎn)子、氣隙調(diào)整機構(gòu)、執(zhí)行器等組成，如圖1所示。導(dǎo)體轉(zhuǎn)子固定在電機軸上，永磁轉(zhuǎn)子固定在負(fù)載軸上，導(dǎo)體轉(zhuǎn)子與永磁轉(zhuǎn)子之間有間隙（稱為氣隙），各轉(zhuǎn)子均可獨立旋轉(zhuǎn)。1.2 工作原理

圖1永磁調(diào)速器的基本組成

在啟動負(fù)載之前，空載啟動電動機。旋轉(zhuǎn)的電機軸帶動導(dǎo)體轉(zhuǎn)子在永磁轉(zhuǎn)子的強磁場中切割磁力線，在導(dǎo)體轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生渦電流，該渦電流在導(dǎo)體轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生反向感應(yīng)磁場，與永磁轉(zhuǎn)子的強磁場相互作用形成磁轉(zhuǎn)矩，從而帶動永磁轉(zhuǎn)子沿著與導(dǎo)體轉(zhuǎn)子相同方向旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)電機與負(fù)載之間的轉(zhuǎn)矩傳遞。永磁調(diào)速器傳遞的轉(zhuǎn)矩，隨著導(dǎo)體轉(zhuǎn)子與永磁轉(zhuǎn)子之間氣隙的減小而增加。調(diào)整永磁轉(zhuǎn)子與導(dǎo)體轉(zhuǎn)子之間的氣隙，就可改變永磁調(diào)速器輸出轉(zhuǎn)矩的大小，從而獲得可調(diào)整、可控制的負(fù)載轉(zhuǎn)速。在電機轉(zhuǎn)速恒定不變的情況下，實現(xiàn)負(fù)載轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。氣隙的調(diào)節(jié)，如圖2所示。

2 永磁調(diào)速系統(tǒng)的節(jié)能分析

圖2永磁調(diào)速器的氣隙調(diào)整示意圖

動力相似的情況下，遵循比例定律。

式（1）～式（3）中：

Q1、H1、P1分別是轉(zhuǎn)速為n1時負(fù)載的流量、揚程（全壓）、軸功率；

Q2、H2、P2分別是轉(zhuǎn)速為n2時負(fù)載的流量、揚程（全壓）、軸功率。

2.2 有靜揚程系統(tǒng)比例定律的數(shù)學(xué)修正

靜揚程即泵或風(fēng)機系統(tǒng)在管網(wǎng)性能曲線中流量為零時的揚程（全壓）。對于水泵，靜揚程為水泵提升液體的位置高度（即位置勢能）Z與水泵管道進出的壓力差（p1-p2）/γ之和［4］。對于風(fēng)機，在管道輸送氣體時，若管道入口壓力為大氣壓，氣體通過風(fēng)機后仍排入大氣，或者風(fēng)機前后2個容器的壓力差很小，則管道性能曲線只取決于管路壓力損失，它是一條通過坐標(biāo)原點的拋物線［1］，即靜揚程為零。

當(dāng)水泵管道系統(tǒng)的靜揚程為零時，管道性能曲線是一條通過坐標(biāo)原點的拋物線，改變泵的轉(zhuǎn)速會得到不同的泵性能曲線。在不同轉(zhuǎn)速下，泵的運行工況點是相似工況點，可直接用比例定律計算調(diào)節(jié)流量所需的轉(zhuǎn)速和節(jié)能效果。若管道系統(tǒng)有靜揚程，管道水頭損失不再為零，管道性能曲線已不再是通過坐標(biāo)原點的拋物線，轉(zhuǎn)速變化前后的工況點不再是相似工況點，流量、揚程與轉(zhuǎn)速的關(guān)系不符合比例定律，不能簡單地套用比例定律來計算流量調(diào)節(jié)所需的轉(zhuǎn)速和節(jié)能效果，而需采用對比例定律進行數(shù)學(xué)修正后的公式來計算流量調(diào)節(jié)所需的轉(zhuǎn)速和估算節(jié)能效果［5］。

2.1 離心負(fù)載的比例定律

離心式風(fēng)機、水泵在滿足幾何相似、運動相似、

式（5）、式（6）中：Ha—水泵管道系統(tǒng)的靜揚程，m；

Hso—泵關(guān)死點的揚程，m。（額定轉(zhuǎn)速下泵性能曲線中流量為零時的揚程）

2.3 泵與風(fēng)機的調(diào)速節(jié)能原理

在大部分運行時間里，系統(tǒng)的實際需求流量小于風(fēng)機、水泵的最大設(shè)計流量。由比例定律可知，調(diào)速泵或風(fēng)機的運行轉(zhuǎn)速如果比額定轉(zhuǎn)速低，輸出的軸功率也隨之降低。水泵系統(tǒng)的Q-H曲線，如圖3所示。水泵常使用節(jié)流調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。曲線1、曲線1′為不同轉(zhuǎn)速下水泵的性能曲線，曲線2、曲線2′為不同流量下水泵的性能曲線。A2為額定工況點，在流量降至Q1時，A1為使用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的工況點，A′為使用節(jié)流調(diào)節(jié)的工況點，H′A′A1H1所圍面積就反映了轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)比節(jié)流調(diào)節(jié)節(jié)約的軸功率。2.4 永磁調(diào)速系統(tǒng)的電機輸出功率

圖3水泵系統(tǒng)的Q-H曲線

當(dāng)電機與負(fù)載剛性聯(lián)接時，電機轉(zhuǎn)速等于負(fù)載轉(zhuǎn)速即n1，電機輸出功率N1等于負(fù)載軸功率P1。在電機與負(fù)載之間設(shè)置永磁調(diào)速器時，電機轉(zhuǎn)矩等于負(fù)載轉(zhuǎn)矩，電機轉(zhuǎn)速恒定不變，即恒等于n1，負(fù)載轉(zhuǎn)速為n2。

式（7）～式（10）中：η、MT、MF分別為永磁調(diào)速器傳動效率、電機轉(zhuǎn)矩、負(fù)載轉(zhuǎn)矩；

N1、N2分別是負(fù)載轉(zhuǎn)速為n1、n2時的電機輸出功率。

2.5 永磁調(diào)速系統(tǒng)的綜合節(jié)能率

式（11）中：ξ為泵或風(fēng)機永磁調(diào)速系統(tǒng)在統(tǒng)計報告期內(nèi)的綜合節(jié)能率；

N1i、N2i分別是包含泵或風(fēng)機的工程裝置在第i種工況運行時，泵或風(fēng)機在采用永磁調(diào)速前后配套電機的輸出功率；

Nxi為包含泵或風(fēng)機的工程裝置在第i種工況運行時，泵或風(fēng)機的永磁調(diào)速器冷卻裝置消耗的功率；

m為統(tǒng)計報告期內(nèi)包含泵或風(fēng)機的工程裝置系統(tǒng)工況（工藝）的數(shù)量；

Ti為包含泵或風(fēng)機的工程裝置在第i種工況的運行時間。

空冷型永磁調(diào)速器冷卻裝置消耗的功率可以忽略不計，其Nxi值一般取為零。液冷型永磁調(diào)速器的Nxi值約為電機功率的0.5%，Nxi值占電機功率的比例與電機功率負(fù)相關(guān)。

3 永磁調(diào)速與變頻調(diào)速比較

永磁調(diào)速與變頻調(diào)速的比較情況，如表1所示。

4 適用永磁調(diào)速的條件

4.1 工況方面的條件

風(fēng)機、泵的運行工況點偏離高效區(qū)，可通過調(diào)速使運行工況點處于高效區(qū)。壓力、流量變化幅度較大，運行時間較長的系統(tǒng)；中、低流量變化類型的風(fēng)機、泵負(fù)載及全流量間歇類型的風(fēng)機、泵，在滿足壓力時，宜符合下列要求：流量變化幅度≥30%、變化工況時間率≥40%、年運行時間≥3000h；流量變化幅度≥20%、變化工況時間率≥30%、年運行時間≥4000h；流量變化幅度≥10%、變化工況時間率≥30%、年運行時間≥5000h［4］。

4.2 設(shè)備方面的條件

電機轉(zhuǎn)速為750～3000r/min；額定功率為5.5～4500kW，可采用永磁調(diào)速器。額定功率小于或等于400kW時，一般采用空冷型永磁調(diào)速器。大于400kW時，可采用液冷型永磁調(diào)速器。

表1永磁調(diào)速與變頻調(diào)速比較表

5 工程應(yīng)用實例

5.1 泵的應(yīng)用實案

某型泵的額定功率為250kW，流量為180 m3/h，轉(zhuǎn)速為2970r/min。在2010年，該泵采用了永磁調(diào)速技術(shù)后，節(jié)電率達34.11%，每年節(jié)約電費71萬元，降低設(shè)備維護費用10萬元，節(jié)約蒸汽消耗費用42萬元［6］。某水力除灰系統(tǒng)的1號灰漿泵，額定功率為220kW，流量為290m3/h，轉(zhuǎn)速為1480 r/min。將電機與泵之間的剛性聯(lián)軸器改換為永磁調(diào)速器后，實現(xiàn)了灰漿的進出自動平衡，不再需要人為干預(yù)，平均節(jié)電率達30.86%，泵的振動幅度，僅為改造前的15%～40%，在距防護罩表面0.5m處，改造前后磁場強度最高值分別為320mG和380 mG，在距防護罩表面1m處，改造前后磁場強度最高值分別為12mG和7mG［7］。某型立式凝結(jié)水泵的額定功率為2000kW，流量為1627m3/h，轉(zhuǎn)速為1493r/min。采用永磁調(diào)速器后，平均節(jié)電率為33.8%，且凝結(jié)水管道振動得到徹底消除［8］。又如某熱網(wǎng)的母管制循環(huán)水系統(tǒng)，所用的循環(huán)泵流量為2236m3/h，揚程為130m，配套電機功率為1000 kW，電壓為6kV，轉(zhuǎn)速為1485r/min，實際供水流量約8200m3/h。原系統(tǒng)中，1臺泵變頻調(diào)速運行，3臺泵工頻定速運行，將其中1臺工頻定速運行的泵改為永磁調(diào)速運行。改造后，4臺水泵電機運行總功率，由3828kW降為3372kW，節(jié)電率為11.9%［9］。

5.2 風(fēng)機的應(yīng)用實例

某石化公司的鼓風(fēng)機額定流量為201400 m3/h，功率為280kW，全壓為3.932VkPa，轉(zhuǎn)速為989r/min。采用永磁調(diào)速技術(shù)對鼓風(fēng)機改造后，節(jié)電率達39.9%，只需1年半就可收回全部投資，且風(fēng)機振動的振幅值由3.2mm降至0.3mm，每月停修時間由48小時降為0小時［10］。某型75t/h燃?xì)馊加湾仩t鼓風(fēng)機的額定流量為54000m3/h，功率為220kW，全壓為8.3kPa，轉(zhuǎn)速為1450r/min。在風(fēng)機與電機之間增設(shè)永磁調(diào)速器后，實現(xiàn)了系統(tǒng)風(fēng)量的自動平衡，平均節(jié)電率達36.78%，風(fēng)機軸、電機軸的振動幅度，分別降低了78.9%、60%，系統(tǒng)周圍環(huán)境磁場強度略有降低，但變化不大，噪音由102 dB降至91dB［11］。某石化工廠的冷卻塔設(shè)計能力為5000m3/h，配套風(fēng)機的流量為2950000m3/h，軸功率為170kW，全壓為144.711Pa，轉(zhuǎn)速為1483 r/min。采用永磁調(diào)速技術(shù)后，風(fēng)機運行1年的節(jié)電率約為15%［12］。某加熱爐助燃風(fēng)機的額定風(fēng)量為75000m3/h，額定風(fēng)壓為12kPa，配套電機功率為400kW。采用永磁調(diào)速裝置后，助燃風(fēng)機的節(jié)能率達25%，投資回收期只有1年零5個月［13］。某循環(huán)流化床鍋爐引風(fēng)機的額定流量為158073m3/h，功率為355kW，轉(zhuǎn)速為980r/min，利用永磁調(diào)速技術(shù)改造后，每噸蒸汽的引風(fēng)機耗電率下降34.2%，軸承的振幅下降77%，噪音下降6.38%［14］。某電廠5號機組鍋爐引風(fēng)機的額定功率為220kW，流量為101903m3/h，風(fēng)壓4508Pa，轉(zhuǎn)速1480r/min，配套電機的額定功率為220kW。引風(fēng)機和電機之間改裝了永磁調(diào)速器后，在鍋爐最大負(fù)荷工況下，引風(fēng)機的振幅從0.053mm隆至0.009mm，轉(zhuǎn)速從1480 r/min降至1058r/min，電機電流從25A降至14 A，降幅達44%，噪音由115dB降為75dB，每年還可節(jié)約維修費用9萬元［15］。

6 結(jié) 語

永磁調(diào)速器利用其主、從動永磁場所產(chǎn)生的耦合力，可實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的無接觸傳遞。通過調(diào)整永磁轉(zhuǎn)子與導(dǎo)體轉(zhuǎn)子之間的氣隙，實現(xiàn)負(fù)載在線無級平滑調(diào)速。永磁調(diào)速器的安裝和維護簡單，能適應(yīng)各種惡劣的工況運行條件，不會引起電力諧波、電磁輻射、滾動軸承“電弧焊”效應(yīng)、電機散熱性能下降等伴生危害的發(fā)生。無易損件，可靠性很高，節(jié)能效果好。

［1］穆為明，張文剛，黃劉琦.泵與風(fēng)機的節(jié)能技術(shù)［M］.上海：上海交通大學(xué)出版社，2013.

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［3］趙克中.磁耦合傳動裝置的理論與設(shè)計［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

［4］GB/T26921-2011.電機系統(tǒng)（風(fēng)機、泵、空氣壓縮機）優(yōu)化設(shè)計指南［S］.

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簡訊

俄羅斯批準(zhǔn)SVBR—100小型快堆技術(shù)的詳細(xì)設(shè)計

據(jù)報道，俄羅斯國家原子能集團公司（Rosatom）科學(xué)技術(shù)委員會（STC）近日批準(zhǔn)下述兩項專家評審結(jié)果：SVBR-100小型快堆技術(shù)的詳細(xì)設(shè)計以及擬采用SVBR-100技術(shù)建設(shè)的試驗性發(fā)電機組（PPPU）設(shè)計。

PPPU將由俄原與私營公司Irkutsenergo的合資公司AKME工程公司（AKME-engineering）建造。擬采用的SVBR-100設(shè)計是一種100MW的鉛-鉍冷卻小型模塊快堆。首座原型堆預(yù)計于2019年投入運行。

摘自上海電氣電站設(shè)備有限公司電站輔機廠技術(shù)部《信息簡訊》第205期

ApplicationofPermanentMagnetGovernorsonEnergy-saving forPumpsandFans

HEYun-chu1，PANShu-lin2，WANGMan2
（1.ZhongheEnergyConservationandEnvironmentalProtectionCo.，Ltd.，Changsha410205，Hunan，China；2.CollegeofChemistryandChemicalEngineering，GuangxiUniversity，Nanning530004，Guangxi，China）

Theworkingprinciplesofpermanentmagneticgovernorshasbeendescribedandtheadvantagesof permanentmagneticspeedregulationcomparedwithfrequencyconversionspeedregulationareanalyzed.Theenergysavingeffectofpermanentmagneticgoverningsystemhasbeenanalyzedthroughitsapplicationexampleinpumpsand fans.Engineeringapplicationsindicatethatthepermanentmagneticgovernorshavehighreliability，remarkable energy-savingeffectandlowcostandhavenoassociatedhazards.

permanentmagneticgovernor；energy-saving；principle；effect；calculation；application；pump；fan

TK263.7+2

A

1672-0210(2015)04-0047-04

2015-08-11

：2015-09-22

賀運初（1966-），男，畢業(yè)于湘潭大學(xué)化工機械專業(yè)，碩士，高級工程師，主要從事工業(yè)設(shè)備節(jié)能技術(shù)的研發(fā)與推廣。