永磁調(diào)速技術(shù)在熱網(wǎng)循環(huán)泵的成功應(yīng)用

于小會(huì)

（大唐戶縣第二熱電廠，陜西西安710302）

0 引言

因設(shè)備運(yùn)行工藝或節(jié)能目的需調(diào)速的設(shè)備很多，變頻技術(shù)廣泛應(yīng)用于風(fēng)機(jī)或泵類(lèi)設(shè)備，但變頻器對(duì)運(yùn)行環(huán)境要求高，且電子元器件壽命短等，因而長(zhǎng)期運(yùn)行可靠性將大大降低，現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)工作量大，維護(hù)費(fèi)用高，不適用于環(huán)境惡劣的工業(yè)場(chǎng)所，需要一種全新的技術(shù)替代變頻器實(shí)現(xiàn)調(diào)速或節(jié)能。

1 技術(shù)改造背景

戶縣第二熱電廠供熱首站工程建設(shè)兩臺(tái)熱網(wǎng)循環(huán)泵，功率為280 kW的6 kV高壓電動(dòng)機(jī)一用一備，因工藝要求，需對(duì)熱網(wǎng)循環(huán)泵進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，并實(shí)現(xiàn)節(jié)能目的。

原設(shè)計(jì)為高壓變頻器調(diào)速，考慮到變頻器系統(tǒng)復(fù)雜，電子元器件多，相對(duì)故障率高，后期維護(hù)量大，占地面積大，設(shè)計(jì)壽命10年左右，實(shí)際壽命與后期維護(hù)及工作環(huán)境溫度有很大關(guān)系。供熱首站環(huán)境溫度較高，需安裝空調(diào)降溫，增加了后期維護(hù)工作量和二次能耗。

近年來(lái)，一種新型調(diào)速技術(shù)——永磁調(diào)速技術(shù)逐漸成熟，本技術(shù)的最大優(yōu)點(diǎn)在于適應(yīng)相對(duì)惡劣的工作環(huán)境，且屬于免維護(hù)產(chǎn)品，占地少，故障維修方便，但目前在電力行業(yè)應(yīng)用較少。

2 永磁調(diào)研情況簡(jiǎn)介

2.1 永磁調(diào)速簡(jiǎn)介

如圖1所示，永磁調(diào)速器安裝在電機(jī)和負(fù)載之間，傳遞扭矩，通過(guò)永磁調(diào)速器的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)體轉(zhuǎn)子與永磁轉(zhuǎn)子之間磁場(chǎng)耦合面積的改變，從而實(shí)現(xiàn)負(fù)載轉(zhuǎn)速變化。耦合面積大，通過(guò)永磁調(diào)速器傳遞的扭矩就大，負(fù)載轉(zhuǎn)速高；耦合面積小，通過(guò)永磁調(diào)速器傳遞的扭矩就小，負(fù)載轉(zhuǎn)速低。

圖1 永磁調(diào)速系統(tǒng)拓?fù)鋱D

磁力耦合器也稱磁力聯(lián)軸器、永磁傳動(dòng)裝置。永磁渦流傳動(dòng)裝置主要由銅轉(zhuǎn)子、永磁轉(zhuǎn)子和控制器三部分組成。一般銅轉(zhuǎn)子與電機(jī)軸連接，永磁轉(zhuǎn)子與工作負(fù)載的軸連接，銅轉(zhuǎn)子和永磁轉(zhuǎn)子之間有空氣間隙（稱為氣隙），沒(méi)有傳遞扭矩的機(jī)械連接。這樣，電機(jī)和工作負(fù)載之間就形成了軟（磁）連接，通過(guò)調(diào)節(jié)氣隙來(lái)實(shí)現(xiàn)工作機(jī)軸扭矩、轉(zhuǎn)速的變化。因氣隙調(diào)節(jié)方式的不同，永磁渦流傳動(dòng)裝置分為標(biāo)準(zhǔn)型、延遲型、限矩型、調(diào)速型等不同類(lèi)型。該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)機(jī)和負(fù)載之間無(wú)接觸式連接，十分有效地解決了旋轉(zhuǎn)負(fù)載系統(tǒng)的對(duì)中、軟啟動(dòng)、調(diào)速節(jié)能、減振等問(wèn)題。

永磁調(diào)速器是通過(guò)導(dǎo)體和永磁體之間的氣隙實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)到負(fù)載的轉(zhuǎn)矩傳輸?shù)难b置，可實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)和負(fù)載間無(wú)機(jī)械連接式的傳動(dòng)，其工作原理是：當(dāng)兩者之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體組件切割磁力線，在導(dǎo)體中產(chǎn)生渦電流，渦電流進(jìn)而產(chǎn)生反感磁場(chǎng)，與永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)交互作用，從而實(shí)現(xiàn)兩者之間的扭矩傳遞。調(diào)速機(jī)構(gòu)在運(yùn)行過(guò)程中可調(diào)節(jié)永磁組件和導(dǎo)體組件的相對(duì)位置，改變兩者之間耦合的有效部分，從而改變兩者之間傳遞的扭矩。

電動(dòng)執(zhí)行器提供動(dòng)力使得耦合面積隨著電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的指令變化而變化，電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)接受控制中心的指令進(jìn)行動(dòng)作，并將結(jié)果反饋給控制中心。

控制信號(hào)為工藝需要的控制對(duì)象，對(duì)于水泵系統(tǒng)而言是管網(wǎng)壓力、流量，通過(guò)變送器轉(zhuǎn)化為4～20 mA的電流信號(hào)。

2.2 永磁與變頻技術(shù)對(duì)比

永磁與變頻技術(shù)對(duì)比在設(shè)備可靠性、運(yùn)行維護(hù)等方面的性能比較如表1所示。

2.3 可靠性

對(duì)于新技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，首先考慮的是設(shè)備可靠性。從設(shè)備原理可知，變頻器由上萬(wàn)個(gè)元器件組成，故障率必然高于永磁調(diào)速器，永磁調(diào)速已有多臺(tái)設(shè)備運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，運(yùn)行情況良好，用戶評(píng)價(jià)較高，能保證現(xiàn)場(chǎng)使用要求。雖其調(diào)速精度略差，但完全可以滿足水泵循環(huán)泵這樣的設(shè)備需要。

2.4 經(jīng)濟(jì)性

永磁調(diào)速原理決定其無(wú)法提高電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)，所以永磁調(diào)速器的節(jié)能效率略低于變頻器，但仍具有優(yōu)良的節(jié)能效果，因永磁設(shè)備壽命約三倍于變頻器，且熱網(wǎng)循環(huán)泵年運(yùn)行時(shí)間僅4個(gè)月，故節(jié)能效果差異可忽略不計(jì)，加之無(wú)二次耗能、后期維護(hù)及升級(jí)換代，投資費(fèi)用僅為中高檔變頻器的一半，總體經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于變頻器。

2.5 適用性

因機(jī)械結(jié)構(gòu)原因，永磁調(diào)速器不適用于調(diào)速精度過(guò)高的系統(tǒng)設(shè)備，對(duì)于小功率設(shè)備經(jīng)濟(jì)型較差，對(duì)于大型電動(dòng)機(jī)因目前技術(shù)原因仍不能滿足要求。對(duì)于1 000 kW以上的永磁調(diào)速器需要進(jìn)行水冷卻方能滿足散熱要求，對(duì)于1 000 kW以下的采取自然風(fēng)冷即可，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維護(hù)方便，特別適用于安裝變頻器無(wú)合適空間的改造工程項(xiàng)目，只需在原有設(shè)備基礎(chǔ)上略做改動(dòng)即可，甚至不需要改動(dòng)基礎(chǔ)即可完成安裝。

表1 永磁與變頻技術(shù)對(duì)比

3 方案確定

經(jīng)多方了解咨詢，遂修改原設(shè)計(jì)方案，將原兩臺(tái)變頻調(diào)速方案改為一臺(tái)變頻調(diào)速、一臺(tái)永磁調(diào)速方案，最終大膽修改設(shè)計(jì)為兩臺(tái)永磁調(diào)速方案，取消變頻器，將原定的變頻高壓電動(dòng)機(jī)改為普通工頻電動(dòng)機(jī)，因此電動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇系統(tǒng)也得到了簡(jiǎn)化，電纜長(zhǎng)度也因此縮短，原設(shè)計(jì)的高壓變頻器室改做他用。

在了解到永磁設(shè)備的故障可能性及修復(fù)過(guò)程后，為確保不因永磁調(diào)速器故障導(dǎo)致城市供熱受到影響，遂要求永磁調(diào)速器廠家提供一套聯(lián)軸器，作為永磁調(diào)速器故障后的緊急備用，可使用聯(lián)軸器將電動(dòng)機(jī)和泵連接起來(lái)，由磁耦合改為機(jī)械連接，滿足緊急備用需求。

4 現(xiàn)場(chǎng)安裝試運(yùn)

設(shè)備到貨后，在廠家的指導(dǎo)下完成安裝，檢查各轉(zhuǎn)動(dòng)部位間隙正常，調(diào)速執(zhí)行器接線正確，溫度等信號(hào)反饋至DCS信號(hào)檢查正確，電動(dòng)機(jī)各種電氣試驗(yàn)及泵體檢查正常，系統(tǒng)充水完畢，具備試運(yùn)條件。

4.1 調(diào)速執(zhí)行器試運(yùn)

電動(dòng)機(jī)運(yùn)行前空載調(diào)試調(diào)速執(zhí)行器，參數(shù)設(shè)定完畢，DCS給定調(diào)速信號(hào)，執(zhí)行器動(dòng)作，同時(shí)反饋信號(hào)至DCS，執(zhí)行器方向正確，在DCS系統(tǒng)根據(jù)需要將泵出口壓力作為控制量，經(jīng)壓力變送器輸出4～20 mA信號(hào)至DCS，用于反饋控制調(diào)速執(zhí)行器的輸入信號(hào)，最終調(diào)節(jié)永磁耦合面積，達(dá)到調(diào)速目的。

4.2 檢查電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)向

將調(diào)速執(zhí)行器調(diào)節(jié)至零轉(zhuǎn)速，實(shí)際因仍有一定耦合效應(yīng)而會(huì)引起泵慢速跟轉(zhuǎn)，需使用方木、鐵絲對(duì)泵側(cè)永磁轉(zhuǎn)子組件進(jìn)行制動(dòng)，制動(dòng)時(shí)應(yīng)注意確保雙向制動(dòng)，以免制動(dòng)方向錯(cuò)誤而導(dǎo)致機(jī)械傷人。確認(rèn)制動(dòng)牢固后，就地?zé)o關(guān)人員撤離，運(yùn)行人員做好按事故按鈕準(zhǔn)備，專(zhuān)人注意檢查電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)向。確認(rèn)轉(zhuǎn)向正確后恢復(fù)系統(tǒng)。

4.3 設(shè)備試運(yùn)

在永磁轉(zhuǎn)子上貼上事先準(zhǔn)備好的反光貼片，試驗(yàn)測(cè)速儀正常，檢查DCS溫度測(cè)點(diǎn)為室溫，電動(dòng)執(zhí)行器顯示正常。

水系統(tǒng)具備帶負(fù)載試運(yùn)條件后，設(shè)定永磁調(diào)速執(zhí)行器轉(zhuǎn)速為0，檢查就地狀態(tài)正確無(wú)誤，DCS啟動(dòng)循環(huán)泵運(yùn)行，調(diào)節(jié)永磁調(diào)速執(zhí)行器，加大耦合面積，泵轉(zhuǎn)速愈來(lái)愈高，就地檢查轉(zhuǎn)速及壓力正常，運(yùn)行穩(wěn)定后，DCS顯示永磁轉(zhuǎn)子溫度約100℃左右。測(cè)量電動(dòng)機(jī)、泵體、永磁調(diào)速器各部件振動(dòng)均在正常范圍。

因系統(tǒng)運(yùn)行需要，最大帶載轉(zhuǎn)速短時(shí)調(diào)節(jié)至45%額定，后穩(wěn)定運(yùn)行至35%額定轉(zhuǎn)速保持運(yùn)行，運(yùn)行調(diào)速試驗(yàn)僅到45%，故沒(méi)有全面記錄試運(yùn)測(cè)試數(shù)據(jù)。

5 改造后運(yùn)行效果

電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)間短（2 s），接近空載啟動(dòng)，熱網(wǎng)循環(huán)泵運(yùn)行流量及水壓在多次實(shí)驗(yàn)性調(diào)節(jié)時(shí)跟蹤穩(wěn)定，如圖2所示。

圖2 改造后運(yùn)行曲線

經(jīng)過(guò)一個(gè)采暖季的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行驗(yàn)證，運(yùn)行調(diào)節(jié)穩(wěn)定可靠，使用效果良好，整個(gè)系統(tǒng)免維護(hù)，且設(shè)備可靠性提高。

6 結(jié)語(yǔ)

永磁調(diào)速器在熱網(wǎng)首站高壓電動(dòng)機(jī)熱網(wǎng)循環(huán)泵上的應(yīng)用在陜西尚屬首次，填補(bǔ)了高壓電動(dòng)機(jī)永磁調(diào)速技術(shù)應(yīng)用的空白，可作為對(duì)調(diào)速精度要求不是很高的高低壓電動(dòng)機(jī)進(jìn)行負(fù)載調(diào)速工程的應(yīng)用借鑒，尤其適用于惡劣環(huán)境調(diào)速應(yīng)用或后期改造工程。

[1]青島斯普瑞能源科技有限公司.永磁調(diào)速器使用說(shuō)明書(shū)[Z].