尹恒 陳宇

摘? 要：某電廠110kW/1480rpm溫排水升壓泵，實際運行中，由于工藝上對水量的需求遠低于設計值，只能通過關小閥門的方式進行節(jié)流，但此種運行方式，導致大量的能耗浪費在閥門擋板上;同時由于管網(wǎng)曲線改變，使得系統(tǒng)處于非經(jīng)濟運行區(qū)間，設備整體能耗偏高。而且，因現(xiàn)場設備未加任何調(diào)速裝置，目前的馬達直接啟動，水泵全速運行，存在能耗嚴重、啟動電流較大、檢修維護工作量大及比較難啟動等問題。為了解決這些問題，某電廠采用沃弗永磁調(diào)速器替代原有的聯(lián)軸器，把原來的硬聯(lián)接改為非接觸性的軟聯(lián)接，解決安裝對心問題，減少設備振動，提高電機與負載的可靠性，減少設備維護，并能降低負載的轉速，達到降速節(jié)能的目的。采用永調(diào)速改造后，可開環(huán)運行手動調(diào)節(jié)，也可根據(jù)液位進行自動調(diào)節(jié)，避免設備的頻繁啟動，減少補水量，節(jié)能電能。

關鍵詞：永磁調(diào)速器;節(jié)能原理;改造方案

中圖分類號：TM56? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）35-0070-03

Abstract： In the actual operation of the 110kw/1480rpm thermal drainage booster pump in a power plant， because the demand for water in the process is far lower than the design value， it can only be throttled by turning off the valve， but this operation mode leads to a large amount of energy consumption wasted on the valve baffle; at the same time， due to the change of the pipe network curve， the system is in the non-economic operation zone， and the overall energy consumption of the equipment is on the high side. Moreover， because the field equipment does not add any speed regulation device， the current motor starts directly and the water pump runs at full speed， which has some problems， such as serious energy consumption， large starting current， heavy workload of maintenance and difficult to start and so on. In order to solve such problems， a power plant uses W-F permanent magnet governor to replace the original coupling， changing the original hard connection to a non-contact soft connection， solving the problem of installation centering， reducing equipment vibration， and improving the reliability of motor and load， so as to reduce equipment maintenance and the speed of the load to achieve the purpose of speed reduction and energy saving. After the transformation of permanent speed regulation， the open-loop operation can be adjusted manually or automatically according to the liquid level， in order to avoid frequent start-up of equipment， reduce water supply and save electric energy.

Keywords： permanent magnet governor; energy saving principle; transformation scheme

引言

隨著我國經(jīng)濟的飛速發(fā)展和建立環(huán)境友好型、資源節(jié)約型社會目標的提出，越來越多的企業(yè)對機電設備的節(jié)能技術管理越來越重視關注[1-4]。

目前，大功率高壓異步電動機的主要調(diào)速方式有以下3種：液力耦合器調(diào)速、變頻調(diào)速和永磁傳動與調(diào)速器調(diào)速等[5-7]。它們的特點如表1所示。

經(jīng)過各方面的綜合考慮，最后選用了當前最先進可靠的永磁傳動與調(diào)速器調(diào)速方式。

1 系統(tǒng)構成與工作原理

永磁調(diào)速器如圖1所示是對電動機負載轉速的調(diào)節(jié)是通過銅導體和永磁體之間的氣隙實現(xiàn)的，其工作原理是一端稀有金屬氧化物硼鐵釹永磁體和另一端感應磁場相互作用產(chǎn)生轉矩，通過調(diào)節(jié)永磁體和導體之間的氣隙就可以控制傳遞的轉矩，從而實現(xiàn)負載速度調(diào)節(jié)，永磁調(diào)速器的特點如表2所示。

永磁調(diào)速器由三個部件組成;沃弗永磁調(diào)速器由3部分組成：主動轉子-與電機相連;從動轉子-與負載相連;機械調(diào)速機構-調(diào)整氣隙的機構

永磁調(diào)速器控制系統(tǒng)流程圖如圖2所示，永磁調(diào)速器WF可響應于過程信號。壓力、流量、液位或其它過程控制信號被控制系統(tǒng)接收和處理，然后提供到WF的執(zhí)行器。該執(zhí)行器調(diào)整氣隙，從而調(diào)整負載速度以滿足控制要求。

流量/壓力/溫度傳感器檢測負載受控制量通過邏輯控制器PLC將檢測量通過PID調(diào)節(jié)，變成4～20mA信號驅動角度執(zhí)行機構，推動WF的氣隙調(diào)節(jié)動作;人機界面用于客戶設定負載輸出量的界面，整個控制系統(tǒng)為全自動，當自動系統(tǒng)故障時，可通過執(zhí)行器手動調(diào)節(jié)氣隙，也可通過人機界面或PLC實現(xiàn)遠程遙控或直接由中央控制系統(tǒng)（DCS）進行遠程遙控。

2 節(jié)能原理

在實際工程建設過程中，通常需要按系統(tǒng)的最大出力來配備風機、水泵系統(tǒng)，從而滿足設備的輸出要求，通過閥門或風門板流量控制元件來實現(xiàn)對流量和壓力調(diào)節(jié)，以滿足生產(chǎn)過程的需要。

風機、水泵系統(tǒng)的效率與電機效率、調(diào)節(jié)流量或轉速或壓力控制設備的效率、風機、水泵效率、輸送管道的效率的乘積成正比。

采用永磁調(diào)速器，可利用對氣隙的調(diào)節(jié)從而達到對流量或壓力的連續(xù)控制目的，在電機轉速不變的情況下，調(diào)節(jié)風機、水泵的轉速。

風機水泵等離心負載符合相似定律：

Q1/Q2=n1/n2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

H1/H2=（n1/n2）2? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

P1/P3=（n1/n2）3? ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

T1/T2=（n1/n2）2? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（4）

電機輸出功率P=T×n? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （5）

所以電機輸出功率P1/P2=（n1/n2）2? ? ? ? ? ?（6）

Q-流量;n-轉速;H-壓力;P-負載功率;T-負載扭矩。

必須指出：節(jié)能效果主要取決于風機水泵系統(tǒng)實際持續(xù)運行的工況。合理的工作點設置是系統(tǒng)節(jié)能設計的基點。

水泵風機在運行時，其運行特性曲線（n：水泵性能曲線;R：管網(wǎng)特性曲線）如圖3所示，其工作點是風機H-Q曲線與管網(wǎng)H-Q曲線的交點。水泵的正常工作點為A，當水量需要從Q1調(diào)到Q2時，采用閥門調(diào)節(jié)時，管網(wǎng)特性曲線由R1改變?yōu)镽2，其工作點A調(diào)至B點，其功率為O-Q2? B-H'2所圍成的面積，其功率變化很小，而其效率卻隨之降低。

采用調(diào)速調(diào)節(jié)時，可按需要調(diào)整電機轉速，改變設備的性能曲線，圖中n1到n2，其工作點A調(diào)至C點，使其參數(shù)滿足工藝要求，其功率為O-Q2 C-H2所圍成的面積，同時其效率曲線也隨之平移，依然工作在高效區(qū)。由于功率隨轉速3次方變化，故節(jié)能效果顯著。

3 項目節(jié)電率測試方法

（1）根據(jù)相關標準《水泵機組與管網(wǎng)系統(tǒng)節(jié)能監(jiān)測》（GBT 15913-2009）中的相關規(guī)定，結算用的電量表要求精度等級為0.5級，并且需要有檢定資質(zhì)的部門出具的檢定合格證書。

（2）改造前對先在泵機進線端各自安裝或使用現(xiàn)有表具。符合上述要求的三相有功電度表，對系統(tǒng)的運行電耗進行確認。系統(tǒng)運行能耗以單位時間的功耗作為計量依據(jù)，雙方對改造前系統(tǒng)的單位耗電量進行確認，依據(jù)現(xiàn)場電表及臺賬記錄分別統(tǒng)計系統(tǒng)運行一定周期內(nèi)單臺泵機所消耗的電量總和？撞P和系統(tǒng)運行時間？撞T，按以下公式計算出單臺泵機的單位小時耗電量？姿1，作為改造前的能耗基準值。

泵機規(guī)定時間內(nèi)系統(tǒng)消耗總電量（kWh）;？撞T-系統(tǒng)運行計量的規(guī)定時間（h）;？姿1-系統(tǒng)單位時間的運行能耗（kWh/h）

改造工程完成后，使用原表對系統(tǒng)電耗進行統(tǒng)計，同時通過計時器統(tǒng)計系統(tǒng)運行時間，按上述公式計算出改造后泵機的單位小時耗電量2，從而得出改造前后泵機單位小時的節(jié)能量為：

可以得出系統(tǒng)當期節(jié)能量=？駐？姿1×當期運行時間。

4 改造描述

對于110kW/1480rpm水泵，選用沃弗永磁調(diào)速器WF-TM470空冷型永磁調(diào)速器，取代原有的聯(lián)軸器，安裝于電機和負載之間。

無需復雜的配套設施，只需給定4～20mA信號，調(diào)節(jié)負載的轉速，達到自動調(diào)節(jié)流量、壓力和功耗的目的，相當于一個自控閥門的程序控制即可。既減少了整機的維護，又調(diào)速節(jié)能，而且控制非常簡單可靠。

同時考慮到緊急情況，可現(xiàn)場設置就地操作箱，可就地操作。

安裝改造：

沃弗永磁調(diào)速器的安裝方式簡單，工程量小，它是取代原有的聯(lián)軸器，安裝在電機與負載之間的。為了安裝永磁調(diào)速器，我們只需將電機與負載拆開，拆掉原有的聯(lián)軸器，用永磁調(diào)速器替代即可，改造方案的示意圖如圖4所示。

5 節(jié)能分析

五年投資回報分析：

初始購置及安裝成本高壓變頻器較永磁調(diào)速器高 11.5萬人民幣（若扣除更換電機費用， 則永磁調(diào)速器較高壓變頻器高6.5萬人民幣），操作、運行及維護成本高壓變頻器較永磁調(diào)速器高12.8萬人民幣/年，以每年節(jié)電率 30%計算，每年約節(jié)費36萬，統(tǒng)計首年投入與五年回報數(shù)據(jù)如表3所示。

改造前電機的實際消率：180/198.7*110=99.6kW，在實際運行中，閥門的開度為13%，流量為400t/h。

根據(jù)離心式設備的特性，若只考慮流量，則改造前后的轉速比為0.4，考慮到轉速下降后，壓力隨之改變，若壓力太低，難以保證供水的要求。因此，綜合保守考量，保守計算，此處轉速比取為0.85。

采用沃弗永磁調(diào)速器改造后：

改造后電機功耗=100×0.9^2/0.97=83.5kW

式中：0.97-永磁調(diào)速器效率

100-水泵軸功率

節(jié)能率=（99.6-83.5）/ 99.6=16.2%

6 結論

某電廠采用沃弗永磁調(diào)速器替代原有的聯(lián)軸器，把原來的硬聯(lián)接改為非接觸性的軟聯(lián)接，解決安裝對心問題，減少設備振動，提高電機與負載的可靠性，減少設備維護，并能降低負載的轉速，達到降速節(jié)能的目的。采用永調(diào)速改造后，可開環(huán)運行手動調(diào)節(jié)，也可根據(jù)液位進行自動調(diào)節(jié)，避免設備的頻繁啟動，減少補水量，節(jié)能電能。

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