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

賀運(yùn)初，潘樹(shù)林，王 滿

（1.湖南眾合節(jié)能環(huán)保有限公司，湖南長(zhǎng)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(jī)節(jié)能中的應(yīng)用

賀運(yùn)初1，潘樹(shù)林2，王 滿2

（1.湖南眾合節(jié)能環(huán)保有限公司，湖南長(zhǎng)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(duì)于變頻調(diào)速的優(yōu)勢(shì)。通過(guò)泵與風(fēng)機(jī)永磁調(diào)速的應(yīng)用實(shí)例，對(duì)永磁調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)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(wú)伴生危害等優(yōu)點(diǎn)。

永磁調(diào)速器；節(jié)能；原理；效果；計(jì)算；應(yīng)用；泵；風(fēng)機(jī)

0 概 述

泵與風(fēng)機(jī)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有重要地位，泵的電能消耗占全國(guó)電能消耗總量的21%以上，風(fēng)機(jī)的電力消耗占全國(guó)發(fā)電總量的10%以上［1］。設(shè)計(jì)時(shí)，因選用的泵與風(fēng)機(jī)裕量過(guò)大，或者無(wú)相匹配的泵與風(fēng)機(jī)，而選用了性能參數(shù)較高的泵與風(fēng)機(jī)。在實(shí)際運(yùn)行中負(fù)荷的變化較大，設(shè)計(jì)時(shí)只能按最大需求選用泵與風(fēng)機(jī)的參數(shù)。因此，在系統(tǒng)工況下，泵與風(fēng)機(jī)性能不匹配的現(xiàn)象十分突出，泵與風(fēng)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間偏離高效區(qū)運(yùn)行。僅采用節(jié)流或回流的方法，對(duì)泵或風(fēng)機(jī)的流量、壓力等進(jìn)行調(diào)節(jié)，均會(huì)造成系統(tǒng)的能量損失。例如，火力發(fā)電廠設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程規(guī)定：采用三分倉(cāng)空氣預(yù)熱器正壓直吹式制粉系統(tǒng)的冷一次風(fēng)機(jī)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(jì)算溫度”進(jìn)行確定。風(fēng)機(jī)的壓頭裕量宜為30%［2］。采用調(diào)速裝置對(duì)泵或風(fēng)機(jī)的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，可以改善系統(tǒng)的匹配狀態(tài)及運(yùn)行彈性，從而使設(shè)備運(yùn)行在最佳工況下。永磁傳動(dòng)技術(shù)是指在外力的作用下，利用傳動(dòng)部件中主、從動(dòng)永磁場(chǎng)所產(chǎn)生的耦合力（包括吸引力和排斥力），實(shí)現(xiàn)力或轉(zhuǎn)矩（功率）無(wú)接觸傳遞的一種新興的傳動(dòng)技術(shù)［3］。永磁調(diào)速技術(shù)屬于永磁傳動(dòng)技術(shù)的一個(gè)分支，可以進(jìn)行在線無(wú)級(jí)平滑調(diào)速?！秶?guó)家重點(diǎn)節(jié)能技術(shù)推廣目錄（第五批）》推薦了永磁調(diào)速技術(shù)?！豆I(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(jī)、泵類電機(jī)系統(tǒng)調(diào)節(jié)方式，逐步淘汰閘板、閥門(mén)等機(jī)械節(jié)流調(diào)節(jié)方式，提高電機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)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(jī)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(jī)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(dú)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(dòng)負(fù)載之前，空載啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)。旋轉(zhuǎn)的電機(jī)軸帶動(dòng)導(dǎo)體轉(zhuǎn)子在永磁轉(zhuǎn)子的強(qiáng)磁場(chǎng)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(chǎng)，與永磁轉(zhuǎn)子的強(qiáng)磁場(chǎng)相互作用形成磁轉(zhuǎn)矩，從而帶動(dòng)永磁轉(zhuǎn)子沿著與導(dǎo)體轉(zhuǎn)子相同方向旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)速恒定不變的情況下，實(shí)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(dòng)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(shí)負(fù)載的流量、揚(yáng)程（全壓）、軸功率；

Q2、H2、P2分別是轉(zhuǎn)速為n2時(shí)負(fù)載的流量、揚(yáng)程（全壓）、軸功率。

2.2 有靜揚(yáng)程系統(tǒng)比例定律的數(shù)學(xué)修正

靜揚(yáng)程即泵或風(fēng)機(jī)系統(tǒng)在管網(wǎng)性能曲線中流量為零時(shí)的揚(yáng)程（全壓）。對(duì)于水泵，靜揚(yáng)程為水泵提升液體的位置高度（即位置勢(shì)能）Z與水泵管道進(jìn)出的壓力差（p1-p2）/γ之和［4］。對(duì)于風(fēng)機(jī)，在管道輸送氣體時(shí)，若管道入口壓力為大氣壓，氣體通過(guò)風(fēng)機(jī)后仍排入大氣，或者風(fēng)機(jī)前后2個(gè)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(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)的拋物線［1］，即靜揚(yáng)程為零。

當(dāng)水泵管道系統(tǒng)的靜揚(yáng)程為零時(shí)，管道性能曲線是一條通過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)的拋物線，改變泵的轉(zhuǎn)速會(huì)得到不同的泵性能曲線。在不同轉(zhuǎn)速下，泵的運(yùn)行工況點(diǎn)是相似工況點(diǎn)，可直接用比例定律計(jì)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(yáng)程，管道水頭損失不再為零，管道性能曲線已不再是通過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)的拋物線，轉(zhuǎn)速變化前后的工況點(diǎn)不再是相似工況點(diǎn)，流量、揚(yáng)程與轉(zhuǎn)速的關(guān)系不符合比例定律，不能簡(jiǎn)單地套用比例定律來(lái)計(jì)算流量調(diào)節(jié)所需的轉(zhuǎn)速和節(jié)能效果，而需采用對(duì)比例定律進(jìn)行數(shù)學(xué)修正后的公式來(lái)計(jì)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(jī)、水泵在滿足幾何相似、運(yùn)動(dòng)相似、

式（5）、式（6）中：Ha—水泵管道系統(tǒng)的靜揚(yáng)程，m；

Hso—泵關(guān)死點(diǎn)的揚(yáng)程，m。（額定轉(zhuǎn)速下泵性能曲線中流量為零時(shí)的揚(yáng)程）

2.3 泵與風(fēng)機(jī)的調(diào)速節(jié)能原理

在大部分運(yùn)行時(shí)間里，系統(tǒng)的實(shí)際需求流量小于風(fēng)機(jī)、水泵的最大設(shè)計(jì)流量。由比例定律可知，調(diào)速泵或風(fēng)機(jī)的運(yùn)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(diǎn)，在流量降至Q1時(shí)，A1為使用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的工況點(diǎn)，A′為使用節(jié)流調(diào)節(jié)的工況點(diǎn)，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(jī)輸出功率

圖3水泵系統(tǒng)的Q-H曲線

當(dāng)電機(jī)與負(fù)載剛性聯(lián)接時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速等于負(fù)載轉(zhuǎn)速即n1，電機(jī)輸出功率N1等于負(fù)載軸功率P1。在電機(jī)與負(fù)載之間設(shè)置永磁調(diào)速器時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)矩等于負(fù)載轉(zhuǎn)矩，電機(jī)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(dòng)效率、電機(jī)轉(zhuǎn)矩、負(fù)載轉(zhuǎn)矩；

N1、N2分別是負(fù)載轉(zhuǎn)速為n1、n2時(shí)的電機(jī)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(jī)永磁調(diào)速系統(tǒng)在統(tǒng)計(jì)報(bào)告期內(nèi)的綜合節(jié)能率；

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

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

m為統(tǒng)計(jì)報(bào)告期內(nèi)包含泵或風(fēng)機(jī)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(jī)的工程裝置在第i種工況的運(yùn)行時(shí)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(jì)，其Nxi值一般取為零。液冷型永磁調(diào)速器的Nxi值約為電機(jī)功率的0.5%，Nxi值占電機(jī)功率的比例與電機(jī)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(jī)、泵的運(yùn)行工況點(diǎn)偏離高效區(qū)，可通過(guò)調(diào)速使運(yùn)行工況點(diǎn)處于高效區(qū)。壓力、流量變化幅度較大，運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)的系統(tǒng)；中、低流量變化類型的風(fēng)機(jī)、泵負(fù)載及全流量間歇類型的風(fēng)機(jī)、泵，在滿足壓力時(shí)，宜符合下列要求：流量變化幅度≥30%、變化工況時(shí)間率≥40%、年運(yùn)行時(shí)間≥3000h；流量變化幅度≥20%、變化工況時(shí)間率≥30%、年運(yùn)行時(shí)間≥4000h；流量變化幅度≥10%、變化工況時(shí)間率≥30%、年運(yùn)行時(shí)間≥5000h［4］。

4.2 設(shè)備方面的條件

電機(jī)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(shí)，一般采用空冷型永磁調(diào)速器。大于400kW時(shí)，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(shí)例

5.1 泵的應(yīng)用實(shí)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(dá)34.11%，每年節(jié)約電費(fèi)71萬(wàn)元，降低設(shè)備維護(hù)費(fèi)用10萬(wàn)元，節(jié)約蒸汽消耗費(fèi)用42萬(wàn)元［6］。某水力除灰系統(tǒng)的1號(hào)灰漿泵，額定功率為220kW，流量為290m3/h，轉(zhuǎn)速為1480 r/min。將電機(jī)與泵之間的剛性聯(lián)軸器改換為永磁調(diào)速器后，實(shí)現(xiàn)了灰漿的進(jìn)出自動(dòng)平衡，不再需要人為干預(yù)，平均節(jié)電率達(dá)30.86%，泵的振動(dòng)幅度，僅為改造前的15%～40%，在距防護(hù)罩表面0.5m處，改造前后磁場(chǎng)強(qiáng)度最高值分別為320mG和380 mG，在距防護(hù)罩表面1m處，改造前后磁場(chǎng)強(qiáng)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(dòng)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(yáng)程為130m，配套電機(jī)功率為1000 kW，電壓為6kV，轉(zhuǎn)速為1485r/min，實(shí)際供水流量約8200m3/h。原系統(tǒng)中，1臺(tái)泵變頻調(diào)速運(yùn)行，3臺(tái)泵工頻定速運(yùn)行，將其中1臺(tái)工頻定速運(yùn)行的泵改為永磁調(diào)速運(yùn)行。改造后，4臺(tái)水泵電機(jī)運(yùn)行總功率，由3828kW降為3372kW，節(jié)電率為11.9%［9］。

5.2 風(fēng)機(jī)的應(yīng)用實(shí)例

某石化公司的鼓風(fēng)機(jī)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(duì)鼓風(fēng)機(jī)改造后，節(jié)電率達(dá)39.9%，只需1年半就可收回全部投資，且風(fēng)機(jī)振動(dòng)的振幅值由3.2mm降至0.3mm，每月停修時(shí)間由48小時(shí)降為0小時(shí)［10］。某型75t/h燃?xì)馊加湾仩t鼓風(fēng)機(jī)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(jī)與電機(jī)之間增設(shè)永磁調(diào)速器后，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)風(fēng)量的自動(dòng)平衡，平均節(jié)電率達(dá)36.78%，風(fēng)機(jī)軸、電機(jī)軸的振動(dòng)幅度，分別降低了78.9%、60%，系統(tǒng)周?chē)h(huán)境磁場(chǎng)強(qiáng)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(jì)能力為5000m3/h，配套風(fēng)機(jī)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(jī)運(yùn)行1年的節(jié)電率約為15%［12］。某加熱爐助燃風(fēng)機(jī)的額定風(fēng)量為75000m3/h，額定風(fēng)壓為12kPa，配套電機(jī)功率為400kW。采用永磁調(diào)速裝置后，助燃風(fēng)機(jī)的節(jié)能率達(dá)25%，投資回收期只有1年零5個(gè)月［13］。某循環(huán)流化床鍋爐引風(fēng)機(jī)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(jī)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(hào)機(jī)組鍋爐引風(fēng)機(jī)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(jī)的額定功率為220kW。引風(fēng)機(jī)和電機(jī)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(jī)的振幅從0.053mm隆至0.009mm，轉(zhuǎn)速?gòu)?480 r/min降至1058r/min，電機(jī)電流從25A降至14 A，降幅達(dá)44%，噪音由115dB降為75dB，每年還可節(jié)約維修費(fèi)用9萬(wàn)元［15］。

6 結(jié) 語(yǔ)

永磁調(diào)速器利用其主、從動(dòng)永磁場(chǎng)所產(chǎn)生的耦合力，可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的無(wú)接觸傳遞。通過(guò)調(diào)整永磁轉(zhuǎn)子與導(dǎo)體轉(zhuǎn)子之間的氣隙，實(shí)現(xiàn)負(fù)載在線無(wú)級(jí)平滑調(diào)速。永磁調(diào)速器的安裝和維護(hù)簡(jiǎn)單，能適應(yīng)各種惡劣的工況運(yùn)行條件，不會(huì)引起電力諧波、電磁輻射、滾動(dòng)軸承“電弧焊”效應(yīng)、電機(jī)散熱性能下降等伴生危害的發(fā)生。無(wú)易損件，可靠性很高，節(jié)能效果好。

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［13］鄭凱，李宏微，張凱勝.加熱爐助燃風(fēng)機(jī)節(jié)能技術(shù)［J］.冶金設(shè)備管理與維修，2014，32（2）：69-70.

［14］李東，蔣孝春.永磁調(diào)速技術(shù)在電廠鍋爐風(fēng)機(jī)中的應(yīng)用［J］.能源研究與應(yīng)用，2013，25（2）：44-46.

［15］章世斌，蔣慶群，張貴良.永磁驅(qū)動(dòng)調(diào)速技術(shù)在引風(fēng)機(jī)改造中的應(yīng)用［J］.熱力發(fā)電，2014，43（5）：44-46.

簡(jiǎn)訊

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

據(jù)報(bào)道，俄羅斯國(guó)家原子能集團(tuán)公司（Rosatom）科學(xué)技術(shù)委員會(huì)（STC）近日批準(zhǔn)下述兩項(xiàng)專家評(píng)審結(jié)果：SVBR-100小型快堆技術(shù)的詳細(xì)設(shè)計(jì)以及擬采用SVBR-100技術(shù)建設(shè)的試驗(yàn)性發(fā)電機(jī)組（PPPU）設(shè)計(jì)。

PPPU將由俄原與私營(yíng)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(jì)是一種100MW的鉛-鉍冷卻小型模塊快堆。首座原型堆預(yù)計(jì)于2019年投入運(yùn)行。

摘自上海電氣電站設(shè)備有限公司電站輔機(jī)廠技術(shù)部《信息簡(jiǎn)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(yùn)初（1966-），男，畢業(yè)于湘潭大學(xué)化工機(jī)械專業(yè)，碩士，高級(jí)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。