茹宸浩

（山西潞安煤基合成油有限公司，山西 長治 046100）

引言

中國作為世界能源消耗大國，能耗占比達到世界20%以上，溫室氣體排放量同樣位居前列。其中，我國化工行業(yè)溫室氣體碳排放量占全國碳排放總量的12%左右，比重較大，所以節(jié)能降耗工作刻不容緩。眾所周知，電機、機泵設備作為重要的工業(yè)耗能設備，在化工行業(yè)運行生產(chǎn)過程中發(fā)揮著巨大的作用，比如用于鍋爐系統(tǒng)、循環(huán)水系統(tǒng)、氣化系統(tǒng)等方面，這些設備普遍處于長期運行狀態(tài)，并且經(jīng)常在低負荷和變負荷情況下運行，造成運行效率偏低，造成能耗偏大。所以尋找高效電機、提高機泵運行效率，可有效降低企業(yè)綜合能源消費量，為企業(yè)提質(zhì)增效發(fā)揮重要作用。

1 電機、機泵節(jié)能技術(shù)原理與技術(shù)特性分析

1.1 針對電動機自身進行提效

電機自身包含5 種損耗[1]，即定子繞組、轉(zhuǎn)子繞組、鐵芯、風摩和雜散損耗。通過更換磁性槽楔、縮短有效氣隙長度，使用低損耗、高磁感的冷軋無取向電工鋼替代高損耗熱軋電工鋼，增加定子和轉(zhuǎn)子的有效材料用量，改進線圈結(jié)構(gòu)，增加銅線截面，減小銅損，提高制造精度，降低雜質(zhì)損耗，改善通風結(jié)構(gòu)、改進風扇結(jié)構(gòu)，減少風扇尺寸等措施減少通風系統(tǒng)損耗，來降低電動機自身損耗。

目前，中國各企業(yè)所用電機以Y 系列為主，經(jīng)統(tǒng)計核算，電動機功率為6.3 kW～375 kW 范圍時，YE4系列電機對比YE2 系列電機，效率提升1.5%～3.9%左右；相比YE3 系列電機，效率提升1.1%左右。

1.2 針對負載工況與額定工況不匹配情況進行提效

1.2.1 變頻調(diào)速[2]

根據(jù)電機轉(zhuǎn)速與工作電源輸入頻率成正比的關(guān)系，相關(guān)公式如式（1）：

式中：n、f、s、p 分別表示轉(zhuǎn)速、輸入頻率、電機轉(zhuǎn)差率、電機磁極對數(shù)，通過改變電動機工作電源頻率達到改變電機轉(zhuǎn)速的目的。

變頻調(diào)速可用于高壓、低壓電機系統(tǒng)改造。通過檢測電機電壓于電流相位差，實時調(diào)節(jié)電壓，使電動機負載與實時負載精確匹配。主要適用于負荷變化較大且速度恒定需頻繁調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的場所。

理論上，流量與轉(zhuǎn)速成正比，而功率與流量的三次方成比例。當流量需要改變時，用改變封門或閥門的開度進行控制，效率很低，若采用變頻調(diào)速，當流量減小時，所需功率近似按流量的三次方大幅度下降。

1.2.2 永磁耦合調(diào)速器調(diào)速

由永磁轉(zhuǎn)子、繞組轉(zhuǎn)子以及控制系統(tǒng)組成的非接觸永磁傳動技術(shù)。通過控制繞組中感應電流的大小，實現(xiàn)調(diào)速、離合及軟起的功能，并將轉(zhuǎn)差功率轉(zhuǎn)變成電能引出反饋再利用，徹底解決了其他轉(zhuǎn)差類調(diào)速設備的溫升問題，高效節(jié)能。使用永磁耦合調(diào)速器技術(shù)，系統(tǒng)節(jié)電率明顯高于變頻調(diào)速器，更高于液力耦合調(diào)速器、渦流永磁調(diào)速器，并且可靠性高，無機械動作、非接觸沒有摩擦和磨損的離合器功能，可長時間以超低轉(zhuǎn)速（包括零轉(zhuǎn)速）大轉(zhuǎn)矩（額定轉(zhuǎn)矩以下）無級調(diào)速、調(diào)轉(zhuǎn)矩運行。

1.2.3 調(diào)壓調(diào)速

調(diào)壓調(diào)速[3]即通過調(diào)節(jié)通入異步電動機的三相交流電壓大小來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的方法。因異步電動機的拖動轉(zhuǎn)矩與供電電壓的平方成正比，因此降低供電電壓，拖動轉(zhuǎn)矩就減小，電機就會降到較低的運行速度。此技術(shù)可用于高壓、低壓電機改造。電動機內(nèi)部損耗主要有銅損和鐵耗。電動機在輕載運行時，適當降低電壓可有效降低銅損和鐵耗，從而提高電動機的運行效率。

1.3 電動機與負載存在“大馬拉小車”情況進行提效

1.3.1 永磁耦合聯(lián)軸器提效

在動力系統(tǒng)中常采用轉(zhuǎn)差類耦合器作為緩沖起動沖擊的手段，但運行過程中始終存在的轉(zhuǎn)差必定造成3%～5%的能量損耗[4]。

超級彈性變形的同步永磁聯(lián)軸器能夠做到?jīng)_擊無損壞，運行不耗能。

1.3.2 電機減容或增容增效

按照實際運行工況，容量需求，重新設計制造，減小或增加電動機容量，按需輸出，達到節(jié)能降耗目的。適用于連續(xù)運行，負荷基本恒定，不調(diào)速，不頻繁啟動場所[5]。

1.4 水泵效率低原因分析總結(jié)

1）知名大廠水泵都是系列化定型產(chǎn)品，每個型號的水泵都要有較寬廣的適用范圍，所以要求在較寬的流量范圍內(nèi)都有較高的效率，要滿足這一點就得犧牲最高效率，就是說設計時首先要保證大范圍的效率平均值，其次才考慮效率峰值。針對此，需要面對特定工況，優(yōu)先保證特定小范圍效率峰值最高。

2）水泵效率和抗氣蝕性能對葉輪某些參數(shù)的要求是互相矛盾的，知名大廠水泵為滿足千差萬別的工況，必須有較好的抗氣蝕性能，就犧牲了效率。面對特定工況，在保證不發(fā)生氣蝕的前提下，增大汽蝕余量設計，提高泵運行效率。

3）為減少水泵在大流量工作時的沖擊損失，普通水泵葉輪都要設計較大沖角，以適應大流量工況，這反而加大了其他工況的沖擊損失。針對此，選擇特定流量范圍，取不大不小正合適的沖角，減少沖擊損失，提高效率。

總之，用高效水泵在高效點工作，降低管路損失尤其是降低或消除節(jié)流損失。

2 高效電機、機泵提效技術(shù)應用

2.1 變頻技術(shù)案例——煤基油公司鍋爐風機電機變頻節(jié)能改造

2.1.1 改造背景

鍋爐風機在設計時是按最大工況來考慮的，在實際使用中有很多時間風機都需要根據(jù)實際工況進行調(diào)節(jié)，傳統(tǒng)的做法是用開關(guān)風門、閥門的方式進行調(diào)節(jié)，這種調(diào)節(jié)方式增大了供風系統(tǒng)的節(jié)流損失，在啟動時還會有啟動沖擊電流，且對系統(tǒng)本身的調(diào)節(jié)也是階段性的，調(diào)節(jié)速度緩慢，減少損失的能力很有限，也使整個系統(tǒng)工作在波動狀態(tài)；而通過在鍋爐風機上加裝變頻調(diào)速器(裝置) 則可一勞永逸地解決好這些問題，可使系統(tǒng)工作狀態(tài)平緩穩(wěn)定，并可通過變頻節(jié)能收回投資。

2.1.2 改造效果

如表1，通過橫向和縱向的對比，鍋爐一二次風機變頻技改后，一次風機大約節(jié)電率為16%，二次風機節(jié)電率為8%；一次風機一天節(jié)約3 582 kWh 電量，二次風機一天節(jié)約960 kWh 電量。

表1 改造前、后對比

2.2 永磁耦合調(diào)速器節(jié)能案例——煤基油公司化學水凝結(jié)水泵

2.2.1 改造時間

2019 年5 月，拆除2#凝結(jié)泵原有連接器，按照永磁套筒磁耦連機器調(diào)速器，并配置了執(zhí)行機構(gòu)控制和測量信號上傳至化學水中控，方便運行人員遠方操作流量，改變以往人工調(diào)節(jié)出口閥門來調(diào)節(jié)流量。

2.2.2 運行比較

因為化學水凝結(jié)水泵有2 臺，1#泵直接聯(lián)接，2#泵套筒磁耦聯(lián)接，經(jīng)過現(xiàn)場確認，2 臺水泵通過流量表在同等負荷下比較即可。

運行參數(shù)見表2。

表2 運行參數(shù)表

2.2.3 現(xiàn)場比較

經(jīng)現(xiàn)場了解，如表3，新混床凝液泵一般在100m3/h～150 m3/h 區(qū)間運行，節(jié)能率在25.4%～55.2%。

表3 兩臺水泵同工況對比

2.2.4 節(jié)電率計算

兩泵對比，取120 m3/h 平均流量，節(jié)電率取33%，按照對應1#泵47.5 kW，2 臺泵輪流切換即單泵運行4 000 h 計算：

47.5×4 000×0.5×33%=3.135 萬元。

2.2.5 總結(jié)

套筒式永磁調(diào)速器相比較液耦優(yōu)點：1）不需要大量液體油；2）風機振動偏??；3）不會發(fā)生液體滲漏現(xiàn)象；4）現(xiàn)場噪音小；5）節(jié)省液力耦合器液體油的循環(huán)冷卻水，且不需要油冷器設備，減小占地空間；6）風機轉(zhuǎn)速控制精度高且響應迅速。

2.3 負載工況與額定工況偏差大案例

2.3.1 煤基油公司循環(huán)水泵改造

通過對當前運行工況參數(shù)的采集，并進行分析，徹底掌握整個介質(zhì)流程的管道特性及系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換的過程。準確判斷引起高能耗的各種原因，建立準確的水力數(shù)學模型，找出最佳工況點，提出最佳匹配方案；從降低系統(tǒng)阻力、提高水動力裝置效率、調(diào)整水力平衡三方面入手，消除因系統(tǒng)配置不合理引起的高能耗。

根據(jù)系統(tǒng)動力裝置運行工況分析系統(tǒng)匹配性和運行效率，形成運行特性曲線與管網(wǎng)特性曲線匹配圖。同時，按照優(yōu)化后指標為水系統(tǒng)量身定做高效泵，其中包括定制高效葉輪，提高泵效率。另外，結(jié)合實際運行工況，對循環(huán)水進出口閥門管道和水泵進出口流態(tài)進行調(diào)整優(yōu)化，提升水泵性能。

改造效果：通過技術(shù)革新提高能效，并對設備增設控制裝置，可明顯降低系統(tǒng)水力輸送阻抗，提高循環(huán)系統(tǒng)輸送效率和熱工性能，改善系統(tǒng)運行指標，達到明顯的節(jié)能降耗的目的。技術(shù)優(yōu)化改造后：循環(huán)水系統(tǒng)平均節(jié)能15.7%，每年可節(jié)省用電為722×104kWh。

2.3.2 通過管理路徑是實際功率無限接近額定功率

1）存在多臺泵或風機共同服務一個裝置時，應使泵或風機盡可能的達到額定工況，減少多臺泵或風機輕載運行的情況。

2）控制閥門（包括回流閥）開度，尋找與電機能效匹配度最高的閥門開度，避免大馬拉小車。

3）單臺泵通過增加旁路，可以使得一泵多用，比如水處理車間低壓生產(chǎn)水泵，通過增加旁路，可以同時供給生產(chǎn)水和生活水，達到一泵多用的同時，也可以使得電機能效無限接近于額定能效。某公司廠區(qū)2021 年—2022 年對廠區(qū)尿素循環(huán)水界區(qū)、2#循環(huán)水界區(qū)、化學水界區(qū)、800#、200#、水源地界區(qū)的水泵風機共計18 臺設備進行改造，改造后年可以節(jié)省電能945×104kWh。

2.3.4 調(diào)壓調(diào)速案例

某礦業(yè)公司水泥廠600 t/d 五級旋風預熱器，經(jīng)技改后，設計產(chǎn)量為1 200 t/d 預分解窯，通過更換現(xiàn)有減速器，減少減速器轉(zhuǎn)比，實際產(chǎn)量比設計產(chǎn)量有10%左右的富余產(chǎn)能。

2.4 電動機與泵或風機聯(lián)軸器傳動效率低節(jié)能改造案例—煤基油公司安裝新型永磁耦合聯(lián)軸器

以限矩型液力偶合器作為對比：按1 臺套平均功率160 kW、每年工作4 000 h 進行測算：

1）年節(jié)電費。永磁耦合器傳動效率100%，液耦94%～97%，平均節(jié)電4.5%，每年每臺節(jié)電量160 W×4 000 h×4.5%=28 800 kWh。

（2）油耗。永磁耦合器全壽命期內(nèi)無消耗，每臺液耦平均消耗50 L 液壓油，按20 元/L 計，每年節(jié)約液壓油1 000 元：油耗部分人工維護費，每年每臺按節(jié)約1/4 人工計為15 000 元。

（3）自身使用壽命。永磁耦合器全壽命期內(nèi)無損壞、無維護。