繞組式永磁調(diào)速系統(tǒng)在化學(xué)雜水泵改造中的運(yùn)用

摘 要：繞組式永磁調(diào)速系統(tǒng)可利用永磁發(fā)電機(jī)的電磁感應(yīng)原理實(shí)現(xiàn)扭矩調(diào)整，從而達(dá)到轉(zhuǎn)差調(diào)速的效果，實(shí)用效益非常顯著?，F(xiàn)主要從廣東省粵電集團(tuán)有限公司沙角C電廠雜水泵改造項(xiàng)目出發(fā)，分析繞組式永磁調(diào)速設(shè)計(jì)的可行性和經(jīng)濟(jì)性;在該基礎(chǔ)上研究雙回路一用一備自動(dòng)調(diào)速的配置方案，確定其節(jié)能效果和運(yùn)行效果，望為化學(xué)雜水泵技改提供有效的參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：化學(xué)雜水泵;繞組式永磁調(diào)速系統(tǒng);配置方案;效益

中圖分類號(hào)：TM921.51? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號(hào)：1671-0797（2022）08-0076-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.08.022

0? ? 引言

生產(chǎn)環(huán)節(jié)所采用的水泵往往需要配置調(diào)速裝置，利用調(diào)速系統(tǒng)控制其在流量調(diào)整時(shí)的無功功率損耗，使水泵能夠安全、高效、經(jīng)濟(jì)、節(jié)能運(yùn)行。尤其是繞組式永磁調(diào)速系統(tǒng)，可調(diào)速范圍廣、控制靈敏、啟動(dòng)沖擊電流小，運(yùn)行可靠性系數(shù)明顯高于常規(guī)調(diào)速系統(tǒng)，將其運(yùn)用到化學(xué)雜水泵改造過程中，不僅可以提升系統(tǒng)的安全效益，還可以減少不必要的能耗損失，適用范圍非常廣泛。

1? ? 項(xiàng)目概況

廣東省粵電集團(tuán)有限公司沙角C電廠化學(xué)預(yù)處理地下泵房內(nèi)3臺(tái)雜水泵，運(yùn)行方式為二用一備，供給全廠雜用系統(tǒng)用水。原設(shè)計(jì)、安裝的雜水泵為進(jìn)口KSB單級(jí)單吸離心泵（型號(hào)：SPK-GMF-100-315），介質(zhì)為清水，流量258 m3/h、揚(yáng)程130 m、轉(zhuǎn)速2 940 r/min、軸功率150 kW。經(jīng)過多年運(yùn)行，現(xiàn)雜水泵改為國產(chǎn)石家莊盛博恒昌渣漿泵成套設(shè)備有限公司生產(chǎn)的LC100-315型水泵，臥式安裝于預(yù)處理地下泵房，空間相對(duì)比較狹窄，水泵進(jìn)口、出口管徑為125/100 mm。水泵技術(shù)參數(shù)與原水泵基本一致。

隨著時(shí)間的推移和技術(shù)的革新，原來的水泵直驅(qū)全速供水模式經(jīng)濟(jì)性越來越差，設(shè)備耗電功率居高不下，嚴(yán)重不符合國家實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和的節(jié)能減排目標(biāo)。為此，公司采用江蘇磁谷科技股份有限公司生產(chǎn)的繞組式永磁調(diào)速系統(tǒng)對(duì)兩臺(tái)現(xiàn)有化學(xué)雜水泵進(jìn)行節(jié)能改造。

2? ? 改造方案

本次改造過程中主要采用雙回路一用一備的繞組式永磁調(diào)速方式代替兩臺(tái)化學(xué)雜水泵直驅(qū)全速供水模式，將其與綜合控制系統(tǒng)連接，根據(jù)流量、壓力、溫度等信號(hào)實(shí)現(xiàn)電磁傳動(dòng)調(diào)控，具體方案如下。

2.1? ? 基本原理

永磁傳動(dòng)是繞組式永磁調(diào)速系統(tǒng)的基本原理，其主要在驅(qū)動(dòng)電機(jī)、繞組式永磁調(diào)速器、變壓器等基礎(chǔ)上，通過電磁感應(yīng)傳遞扭矩、控制轉(zhuǎn)差[1]。該系統(tǒng)中一般包括一個(gè)繞組轉(zhuǎn)子和一個(gè)永磁轉(zhuǎn)子，運(yùn)行時(shí)，繞組回路中有電流時(shí)可產(chǎn)生感應(yīng)電磁場，與永磁轉(zhuǎn)子的電磁場作用后，帶動(dòng)繞組轉(zhuǎn)子及其負(fù)載旋轉(zhuǎn)，傳遞扭矩，如圖1所示。

繞組式永磁調(diào)速系統(tǒng)安全性及可靠性系數(shù)較高，通過永磁傳動(dòng)減少了元件磨損，可實(shí)現(xiàn)0%～99%范圍內(nèi)調(diào)速，響應(yīng)范圍廣、速度快、沖擊小[2]，在我國電廠化學(xué)雜水泵改造過程中具有非常廣闊的應(yīng)用前景，具體如表1所示。

尤其是在功率損耗方面，繞組式永磁調(diào)速系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)速可以根據(jù)系統(tǒng)需求實(shí)時(shí)調(diào)整。若繞組轉(zhuǎn)子速度與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不同，此時(shí)兩者之間會(huì)存在明顯的轉(zhuǎn)差功率，這類功率能夠被回收再利用，減少了不必要的調(diào)速能耗，實(shí)用價(jià)值顯著。

2.2? ? 技術(shù)方案

針對(duì)廣東省粵電集團(tuán)有限公司沙角C電廠化學(xué)預(yù)處理地下泵房內(nèi)雜水泵的使用情況，繞組式永磁調(diào)速技改時(shí)選用雙回路一用一備自動(dòng)調(diào)速方案，改造過程中主要在繞組式永磁調(diào)速原理基礎(chǔ)上進(jìn)行超廣范圍精準(zhǔn)調(diào)速。其永磁耦合調(diào)速器由與驅(qū)動(dòng)電機(jī)連接的永磁轉(zhuǎn)子和與負(fù)載連接的繞組轉(zhuǎn)子兩部分組成，電阻柜、開關(guān)柜、控制柜等形成綜合控制系統(tǒng)，進(jìn)行流量、壓力、溫度等檢測，并將其傳輸?shù)嚼@組式永磁調(diào)速系統(tǒng)中進(jìn)行PID精準(zhǔn)調(diào)節(jié)，如圖2所示。

上述改造環(huán)節(jié)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)、繞組式永磁調(diào)速器、負(fù)載水泵組成動(dòng)力回路;電阻柜、綜合控制柜、中央控制室DCS、高壓開關(guān)柜組成控制回路。在動(dòng)力回路中，驅(qū)動(dòng)電機(jī)和負(fù)載水泵的軸系通過磁場連接，避免了物理上的直接接觸，使得電機(jī)和水泵的振動(dòng)不會(huì)引發(fā)強(qiáng)烈的共振，提升了廣東省粵電集團(tuán)有限公司沙角C電廠化學(xué)預(yù)處理地下泵房內(nèi)雜水泵運(yùn)行的安全性能和可靠系數(shù)。

正常運(yùn)行時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)繞組式永磁調(diào)速器的內(nèi)永磁轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生的感應(yīng)電流經(jīng)綜合控制柜進(jìn)行整流、斬波控制調(diào)節(jié)電流大小，逆變回饋電流至電機(jī)開關(guān)柜。繞組式永磁調(diào)速器運(yùn)行參數(shù)包括軸承溫度、振動(dòng)、繞組電流、繞組電壓等，都經(jīng)由信號(hào)線上傳給控制柜內(nèi)的PLC和中央控制室的DCS，一旦檢測到異常狀態(tài)，控制柜將視故障的嚴(yán)重程度自動(dòng)切換到電阻柜回路，并最終切換到工頻全速運(yùn)行或者停機(jī)，達(dá)到免于人員手動(dòng)操作的目的。在故障消除之后，也可以自動(dòng)復(fù)位并重啟，從而提高了整個(gè)系統(tǒng)的自動(dòng)化程度。

相比于原直驅(qū)全速運(yùn)行的系統(tǒng)，繞組式永磁調(diào)速系統(tǒng)不但隔離了驅(qū)動(dòng)電機(jī)與負(fù)載水泵，減少了振動(dòng)帶來的傷害，最主要的是還實(shí)現(xiàn)了無級(jí)調(diào)速的目的，高效率地實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的速度調(diào)節(jié)，最大程度地節(jié)約了系統(tǒng)電能。

3? ? 改造實(shí)施情況

2020年9月，公司采用江蘇磁谷科技股份有限公司生產(chǎn)的繞組式永磁調(diào)速系統(tǒng)對(duì)兩臺(tái)化學(xué)雜水泵進(jìn)行節(jié)能改造，拆除原直驅(qū)裝置，在兩臺(tái)化學(xué)雜水泵外側(cè)增加基礎(chǔ)平臺(tái)。同時(shí)，兩端分別鋪設(shè)DN25和DN100走線管，分別用于接入繞組式永磁調(diào)速器和驅(qū)動(dòng)電機(jī)接線，其總體布置如圖3所示。

上述過程中必須依照電廠安全指標(biāo)做好基礎(chǔ)平臺(tái)及接地設(shè)置，必要時(shí)可在原泵站外側(cè)設(shè)置隔離保護(hù)裝置，確保繞組式永磁調(diào)速系統(tǒng)運(yùn)行的安全性、可靠性和穩(wěn)定性。平臺(tái)施工完畢后，可將繞組式永磁調(diào)速器和380 V驅(qū)動(dòng)電機(jī)分別固定在平臺(tái)中，如圖4所示。

電房內(nèi)電阻柜通過下側(cè)新增電纜線槽接入綜合開關(guān)柜，施工方案如圖5所示。

按照安全標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)范，各裝置依次安裝、調(diào)試且試運(yùn)行正常后，于2021年3月正式投入使用。

4? ? 節(jié)能分析和運(yùn)行情況

此次改造所采用的繞組式永磁調(diào)速器，由于可靠性高、效率高等特點(diǎn)，故障停產(chǎn)損失小，能耗費(fèi)少，本改造項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率高達(dá)89%（按電動(dòng)機(jī)的效率為91%，繞組式永磁調(diào)速器的效率為98%綜合計(jì)算）。調(diào)速運(yùn)行后系統(tǒng)功耗大幅降低，創(chuàng)造了非常可觀的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，具體表現(xiàn)如下。

4.1? ? 節(jié)能情況

2021年3月，采用江蘇磁谷科技股份有限公司生產(chǎn)的繞組式永磁調(diào)速系統(tǒng)對(duì)化學(xué)雜水泵進(jìn)行節(jié)能改造，改造前穩(wěn)定記錄48 h用能數(shù)據(jù)如表2所示。

改造后，繞組式永磁調(diào)速系統(tǒng)將轉(zhuǎn)差功率回饋380 V電機(jī)供電端，穩(wěn)定記錄48 h工況和用能數(shù)據(jù)如表3所示。

經(jīng)計(jì)算，在負(fù)載調(diào)速運(yùn)行2 600 r/min時(shí)，繞組式永磁調(diào)速系統(tǒng)相對(duì)全速運(yùn)行節(jié)電41.7%，每小時(shí)節(jié)電59.2 kW·h，按照每年運(yùn)行7 200 h計(jì)算，年節(jié)電426 240 kW·h。

4.2? ? 運(yùn)行情況

在繞組永磁耦合調(diào)速系統(tǒng)中，驅(qū)動(dòng)電機(jī)連接在調(diào)速器驅(qū)動(dòng)軸承上，負(fù)載水泵連接在調(diào)速器負(fù)載軸承上，兩者間沒有直接接觸，僅通過磁場連接，隔絕了各部件間的振動(dòng)傳遞[3]。繞組式永磁調(diào)速系統(tǒng)改造完成投入運(yùn)行接近4個(gè)月，系統(tǒng)運(yùn)行狀況穩(wěn)定，溫升、振動(dòng)數(shù)據(jù)均遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)值，系統(tǒng)運(yùn)行安全可靠。

繞組式永磁調(diào)速系統(tǒng)配備有獨(dú)立的備用電阻調(diào)速系統(tǒng)，當(dāng)調(diào)速系統(tǒng)控制器出故障時(shí)，可以自動(dòng)切換到電阻柜上，并進(jìn)一步進(jìn)入工頻運(yùn)行狀態(tài);當(dāng)故障消除時(shí)，又可以自動(dòng)切換回?zé)o級(jí)調(diào)速電路，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

綜上所述，本項(xiàng)目完成節(jié)能改造后，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、易于維護(hù)，可提高化學(xué)雜水泵供水的靈活性，有效解決水壓過高、水量過大、浪費(fèi)電能的問題。同時(shí)，有效的振動(dòng)隔離，可以延長電機(jī)、水泵軸承的維修周期。因此，系統(tǒng)改造的完成，可以實(shí)現(xiàn)高效節(jié)能、減少污染、清潔生產(chǎn)、降低成本的效果，產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、環(huán)境效益。

5? ? 改造總結(jié)

隨著廣東省粵電集團(tuán)有限公司沙角C電廠化學(xué)雜水泵系統(tǒng)節(jié)能改造的順利完成，水泵運(yùn)行狀況得到了進(jìn)一步優(yōu)化，其原本振動(dòng)偏大的問題得以解決。繞組式永磁調(diào)速系統(tǒng)的改造使用，進(jìn)一步降低了沙角C電廠的用電率，減少了發(fā)電成本，為節(jié)能目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)做出了突出貢獻(xiàn)。這次化學(xué)雜水泵繞組式永磁調(diào)速系統(tǒng)改造工作，從領(lǐng)導(dǎo)組織到專業(yè)技術(shù)、工程施工都配合緊密、進(jìn)展有序，為今后的改造工作立下了一個(gè)標(biāo)桿。

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收稿日期：2022-01-24

作者簡介：熊一帆（1991—），男，湖南湘鄉(xiāng)人，熱能動(dòng)力工程工程師，長期從事熱能動(dòng)力工程相關(guān)工作。