朱明亮

（1.煤科集團(tuán)沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；2.煤礦安全技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順 113122）

離心泵廣泛應(yīng)用于我國工業(yè)生產(chǎn)各領(lǐng)域，是電能消耗的主流裝備。據(jù)統(tǒng)計(jì)，離心泵類電能消耗占全國電能消耗10%以上，各類離心泵占石油、煤炭等領(lǐng)域的全廠耗電的40%以上，這些離心泵類設(shè)備有1/3是老舊雜設(shè)備，運(yùn)行效率低。在國家為了緩解能源緊缺，提倡工業(yè)領(lǐng)域節(jié)能減排政策引導(dǎo)下，對(duì)離心泵進(jìn)行節(jié)能改造顯得格外重要[1]。

離心泵最大特點(diǎn)是負(fù)載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的平方成正比，軸功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比，如將離心泵的定速運(yùn)轉(zhuǎn)改為根據(jù)需要的流量來調(diào)節(jié)離心泵的轉(zhuǎn)速就可節(jié)約大量的電能[2]。因此，工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場急需可精確調(diào)速的傳動(dòng)系統(tǒng)，能通過控制離心泵轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)目標(biāo)流量、壓力輸出，取代原有應(yīng)用閥門等粗獷的流量調(diào)節(jié)方式，達(dá)到節(jié)能目的。

離心泵調(diào)速系統(tǒng)大多應(yīng)用變頻器、調(diào)速型液力偶合器等裝置進(jìn)行調(diào)速[3-4]。永磁渦流調(diào)速是一種新型的以磁場為介質(zhì)的非接觸式傳動(dòng)技術(shù)，對(duì)比變頻器，屬于純機(jī)械式設(shè)備，本身不耗電，占地空間小，運(yùn)行不產(chǎn)生諧波干擾；對(duì)比液力偶合器，以磁場為介質(zhì)，結(jié)構(gòu)簡單可靠，傳動(dòng)效率高，后期運(yùn)行維護(hù)量小，逐漸在我國石油、石化及煤炭領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[5]。但永磁渦流調(diào)速技術(shù)應(yīng)用于離心泵的節(jié)能計(jì)算方法與理論分析尚未成熟，無統(tǒng)一理論，基于此，文章綜合分析離心泵及永磁渦流調(diào)速特性，提出一種節(jié)能計(jì)算方法，搭建試驗(yàn)平臺(tái)驗(yàn)證理論分析的有效性，為基于永磁渦流技術(shù)的離心泵調(diào)速系統(tǒng)選型及節(jié)能分析提供理論支持。

1 離心泵的調(diào)節(jié)

依據(jù)離心泵工作原理，離心泵在某些管路系統(tǒng)中工作時(shí)的運(yùn)轉(zhuǎn)工況點(diǎn)是離心泵的特性曲線與裝置管網(wǎng)特性曲線的交點(diǎn)[6]。一般現(xiàn)場泵的工況是變化的，如果現(xiàn)場所需供應(yīng)流量發(fā)生變化時(shí)，需要通過一定的手段對(duì)流量進(jìn)行調(diào)節(jié)，主要的調(diào)節(jié)手段有閥門調(diào)節(jié)和泵工作轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)兩種。

1.1 比例定律

離心泵的比例定律是調(diào)速節(jié)能的重要理論依據(jù)。應(yīng)用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)泵流量時(shí)，如果只關(guān)注流量與轉(zhuǎn)速之間的比例關(guān)系而確定需調(diào)節(jié)的轉(zhuǎn)速往往會(huì)與實(shí)際工況不符，需要考慮泵是否存在靜壓差。如果靜壓差存在，則泵需要克服靜壓差再去工作，此時(shí)泵調(diào)節(jié)后所需轉(zhuǎn)速就不能按照比例定律計(jì)算。下文提供兩種情況下泵所需調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的計(jì)算方法。

（1）當(dāng)靜壓差為零時(shí)的比例定律計(jì)算。依據(jù)離心泵管網(wǎng)特性曲線可知，當(dāng)靜壓差為零時(shí)，管路性能曲線是一條通過坐標(biāo)原點(diǎn)的二次拋物線，離心泵流量、揚(yáng)程及轉(zhuǎn)速計(jì)算滿足比例定律。假定轉(zhuǎn)速改變后，葉輪出口速度三角形、泵的效率近似保持不變，則可得到泵的運(yùn)行轉(zhuǎn)速與流量Q、揚(yáng)程H和軸功率P之間的關(guān)系式，如圖1所示。

圖1 靜壓差為零時(shí)離心泵管網(wǎng)特性曲線

根據(jù)圖1所示，工作點(diǎn)由A到B，流量由Q1減小到Q2時(shí)，通過調(diào)節(jié)泵的轉(zhuǎn)速即可實(shí)現(xiàn)，按照比例定律計(jì)算如下：

式中：n1、n2為調(diào)節(jié)前、調(diào)節(jié)后泵轉(zhuǎn)速；Q1、Q2為調(diào)節(jié)前、調(diào)節(jié)后泵流量；P1、P2為調(diào)節(jié)前、調(diào)節(jié)后泵軸功率。

（2）當(dāng)靜壓差非零時(shí)的比例定律計(jì)算。當(dāng)靜壓差不等于零時(shí)，離心泵管網(wǎng)特性曲線如圖2所示。調(diào)節(jié)到圖2所示的工作點(diǎn)B時(shí)，就不是泵特性曲線，直接調(diào)節(jié)至B點(diǎn)，泵需要克服靜壓差再去工作，原有工況點(diǎn)A與調(diào)節(jié)后工況點(diǎn)B不是相似工況點(diǎn)，二者之間的轉(zhuǎn)速、流量和揚(yáng)程不滿足比例定律，不能用上述的比例定律直接求出。計(jì)算泵的工作轉(zhuǎn)速計(jì)算方法如下：

計(jì)算泵的工作轉(zhuǎn)速需利用泵的額定轉(zhuǎn)速情況下的特性曲線，根據(jù)實(shí)際工況點(diǎn)B，在圖中做出經(jīng)過點(diǎn)B（Q2，H2）及原點(diǎn)的相似拋物線。該拋物線與額定工況特性曲線相交與C點(diǎn)，C點(diǎn)即為工況點(diǎn)B的相似工況點(diǎn)，得出C點(diǎn)對(duì)應(yīng)的流量Q2’，C點(diǎn)與B點(diǎn)滿足相似定律，計(jì)算得出：

圖2 靜壓差非零時(shí)離心泵管網(wǎng)特性曲線

式中：Q2’為調(diào)節(jié)后依據(jù)相似工況點(diǎn)所得泵流量。

1.2 調(diào)速節(jié)能分析

依據(jù)上述比例定律，當(dāng)通過改變泵工作轉(zhuǎn)速的方式來調(diào)節(jié)流量，轉(zhuǎn)速下降時(shí)，所需軸功率會(huì)大幅度下降，調(diào)速節(jié)能分析如圖3所示。

圖3 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)節(jié)能分析

如圖3所示，假設(shè)泵在n1轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時(shí)，通過調(diào)節(jié)閥的開度來調(diào)節(jié)流量，即流量由Q1變化到Q2時(shí)，減小閥的開度，管網(wǎng)特性曲線變陡，由k1變化為k2，使得與泵特性曲線的交點(diǎn)由A點(diǎn)變?yōu)锽點(diǎn)，根據(jù)泵本身的性能曲線，需要的軸功率相應(yīng)減小。當(dāng)依靠改變泵轉(zhuǎn)速來達(dá)到相同的流量Q2時(shí)，需要將轉(zhuǎn)速降低至n2，使泵的工作點(diǎn)位于上圖所示的C點(diǎn)，此時(shí)泵的軸功率大幅度下降，節(jié)能量為H1BCH3所圍成的面積。由此可知，通過轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)改變泵的運(yùn)行參數(shù)，節(jié)能效果明顯。

2 基于永磁渦流技術(shù)的離心泵調(diào)速系統(tǒng)節(jié)能分析與計(jì)算

2.1 離心泵永磁渦流調(diào)速系統(tǒng)節(jié)能原理

永磁渦流調(diào)速裝置基本結(jié)構(gòu)原理如圖4所示。其主要由銅轉(zhuǎn)子、永磁轉(zhuǎn)子、調(diào)速機(jī)構(gòu)和電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成，電機(jī)驅(qū)動(dòng)銅轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)切割永磁體磁場產(chǎn)生感應(yīng)渦流，渦流磁場與永磁磁場耦合后帶動(dòng)負(fù)載端旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)非接觸式傳遞[7]。由于永磁轉(zhuǎn)子滯后于銅轉(zhuǎn)子運(yùn)行，因此，永磁渦流調(diào)速裝置輸入與輸出轉(zhuǎn)速存在轉(zhuǎn)速差，屬于異步傳動(dòng)，需要調(diào)速時(shí)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)接收控制系統(tǒng)調(diào)速指令驅(qū)動(dòng)調(diào)速機(jī)構(gòu)運(yùn)行，改變裝置內(nèi)部銅盤與磁盤之間氣隙進(jìn)而改變離心泵與永磁裝置工作點(diǎn)，即可滿足負(fù)載對(duì)不同輸出扭矩的需求，達(dá)到調(diào)速目的。

圖4 永磁調(diào)速裝置基本原理圖

2.2 離心泵永磁渦流調(diào)速系統(tǒng)節(jié)能計(jì)算

根據(jù)永磁渦流調(diào)速原理可知，傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速不變，通過氣隙的改變來調(diào)節(jié)泵的轉(zhuǎn)速，依據(jù)上述泵的相似定律，通過永磁調(diào)速來調(diào)節(jié)流量時(shí)電機(jī)實(shí)際輸出功率，計(jì)算如下：

式中：P1、P2為調(diào)節(jié)前、后泵軸功率；n1、n2為調(diào)節(jié)前、后泵轉(zhuǎn)速；nd為電機(jī)轉(zhuǎn)速；Pd1、Pd2為調(diào)節(jié)前、后電機(jī)輸出功率；η為磁力偶合器機(jī)械效率。

根據(jù)相似定律可得：

以永磁調(diào)速前離心泵處于額定狀態(tài)為基準(zhǔn)，即n1=n，P1=P，可得永磁調(diào)速后電機(jī)輸出功率：

式中：P為泵額定軸功率；n為泵額定轉(zhuǎn)速；η1為永磁調(diào)速裝置額定轉(zhuǎn)速比；η·η1為永磁調(diào)速裝置額定傳遞效率，取95%～97%；n2靜壓差為零時(shí)由公式（1）計(jì)算，靜壓差非零時(shí)由公式（2）計(jì)算。

閥門調(diào)節(jié)時(shí)電機(jī)輸出功率計(jì)算如下：

式中：Pf為閥門調(diào)節(jié)電機(jī)輸出功率；If為閥門調(diào)節(jié)電機(jī)運(yùn)行電流；I為電機(jī)額定運(yùn)行電流；Pd為電機(jī)額定功率。

依據(jù)公式（6）（7）對(duì)比永磁調(diào)速與閥門調(diào)節(jié)電機(jī)實(shí)際輸出功率，可得理論節(jié)能率：

依據(jù)上述計(jì)算公式可以理論推算出應(yīng)用永磁調(diào)速技術(shù)對(duì)泵進(jìn)行調(diào)節(jié)相對(duì)閥門調(diào)節(jié)的節(jié)能率，計(jì)算時(shí)需結(jié)合應(yīng)用具體工況及離心泵運(yùn)行特性。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

為驗(yàn)證離心泵永磁渦流調(diào)速系統(tǒng)相對(duì)于閥門調(diào)節(jié)的節(jié)能效果以及文章所提出的計(jì)算方法，將電機(jī)（額定功率11kW，額定轉(zhuǎn)速1485rpm，額定電流22.4A）、永磁調(diào)速裝置、離心式清水泵（額定軸功率7.5kW，額定流量40m3/h，揚(yáng)程26m，轉(zhuǎn)速1450rpm）、電動(dòng)閥門、流量計(jì)及相關(guān)檢測裝置組裝到一起，設(shè)計(jì)水箱等輸水管路用于模擬供水管網(wǎng)，供水系統(tǒng)中存在靜壓差，試驗(yàn)平臺(tái)搭建示意如圖5所示。

圖5 離心泵永磁調(diào)速系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)

試驗(yàn)臺(tái)能夠模擬兩種工況。（1）閥門調(diào)節(jié)工況：永磁調(diào)速裝置處于額定運(yùn)行狀態(tài)（100%開度），利用閥門調(diào)節(jié)至所需流量；（2）永磁調(diào)速調(diào)節(jié)工況：閥門全開，利用電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)永磁裝置內(nèi)部氣隙來調(diào)節(jié)離心泵轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)至所需流量。電動(dòng)閥門、流量計(jì)、電動(dòng)執(zhí)行器及轉(zhuǎn)速傳感器與PLC控制系統(tǒng)連接，實(shí)現(xiàn)兩種工況條件下流量的閉環(huán)控制。

分別選取3種流量調(diào)節(jié)工況點(diǎn)，對(duì)閥門及永磁調(diào)速兩種調(diào)節(jié)方式進(jìn)行對(duì)比，由于存在靜壓差，根據(jù)廠家提供離心泵管網(wǎng)特性曲線結(jié)合實(shí)際調(diào)節(jié)流量，繪制相似拋物線找出相似工況點(diǎn)，結(jié)合離心泵額定軸功率及額定流量，依據(jù)公式（2）（6）（7）（8）計(jì)算永磁調(diào)速后電機(jī)輸出功率得出理論節(jié)能率，通過采集電機(jī)實(shí)際運(yùn)行電流，對(duì)比理論與實(shí)際節(jié)能率，如表1所示。

表1 閥門與永磁調(diào)節(jié)節(jié)能率對(duì)比

經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)多工況點(diǎn)采集數(shù)據(jù)，永磁調(diào)速相對(duì)于閥門調(diào)節(jié)平均節(jié)能率可達(dá)30%左右，流量調(diào)節(jié)空間越大節(jié)能效果愈加顯著。按照文章所提出計(jì)算方法計(jì)算，理論節(jié)電率與實(shí)際相差在14%以內(nèi)，偏差較小。需要特別注意的是，如果忽略離心泵運(yùn)行時(shí)存在的靜壓差來節(jié)能計(jì)算時(shí)，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際相差很大，節(jié)能計(jì)算沒有參考價(jià)值，節(jié)能計(jì)算必須結(jié)合實(shí)際工況及泵性能特性曲線進(jìn)行計(jì)算。

4 結(jié)束語

文章結(jié)合離心泵及永磁渦流調(diào)速特性，分析是否存在靜壓差前提條件下，提出離心泵永磁渦流調(diào)速系統(tǒng)節(jié)能計(jì)算方法，并與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，得出結(jié)論：（1）永磁渦流技術(shù)相對(duì)于閥門調(diào)節(jié)方式節(jié)能效果顯著，能夠替代傳統(tǒng)變頻及液力調(diào)速方式成為一種新形式離心泵節(jié)能方案；（2）基于永磁渦流技術(shù)的離心泵調(diào)速系統(tǒng)節(jié)能計(jì)算應(yīng)結(jié)合工況，不能單純依靠比例定律計(jì)算，依據(jù)文章提出節(jié)能計(jì)算方法所得理論節(jié)能率與試驗(yàn)數(shù)據(jù)偏差較小，計(jì)算方法可靠，能夠?yàn)殡x心泵用永磁渦流調(diào)速系統(tǒng)選型及節(jié)能計(jì)算提供理論支持。