繞組永磁調速技術在“流量微調節(jié)”系統(tǒng)中的應用

王發(fā)慶 田桂萍 劉 浪 劉 偉 黃 強＊ 黃 海

（1、華能荊門熱電有限責任公司，湖北 荊門 448000 2、江蘇磁谷科技股份有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212009）

水泵流量與轉速成正比，揚程與轉速的平方成正比，軸功率與轉速三次方成正比[1]，通常調速運行時節(jié)能效果比較明顯。工業(yè)實踐中，調速改造的投資回收期不到一年的例子也不鮮見。

并不是所有的水泵都適合調速運行。首先，軸功率的下降與調速的范圍密切相關，調速范圍越大，軸功率下降越多[2]。如果生產工藝要求水泵滿負荷運行，則軸功率為100%，沒有任何調速節(jié)能的空間；其次，調速設備本身有一定的損耗，當設備自身的損耗大于或接近于節(jié)能量時，則調速運行失去了現(xiàn)實意義。

目前市場上常用的調速方式包括原動機（常用設備：變頻器）調速和轉差功率調速（常用設備：液力偶合器和渦流永磁調速器）。變頻器存在開關損耗、導通損耗以及電房空調耗電等，最高可達額定功率5%～8%。液力偶合器和渦流永磁調速器等轉差調速設備損耗更大[3]。如果流量調節(jié)范圍很小，則軸功率下降幅度不足以抵消調速設備的損耗，則調速系統(tǒng)沒有調速節(jié)能的效果；再次，調速設備需要一定的采購成本、運行成本，如果實際節(jié)省的電費不足以抵消這些成本，也沒有調速節(jié)能的經濟價值。

火電廠脫硫系統(tǒng)使用的漿液循環(huán)泵通常流量調節(jié)范圍很小，屬于典型的“流量微調節(jié)”系統(tǒng)。這類設備大多通過配置多臺不同功率等級的漿液循環(huán)泵，通過控制投入的漿液循環(huán)泵數(shù)量或者安裝專門的閥門機構來對需要的漿液進行調節(jié)，能量浪費較為嚴重[4]。

本文在介紹繞組永磁調速技術的基礎上，詳細推導出“流量微調節(jié)”系統(tǒng)中應用變頻調速技術的投資收益情況以及應用繞組永磁調速技術的投資收益情況，總結出相較變頻調速技術，繞組永磁調速技術在“流量微調節(jié)”系統(tǒng)中具有更高的節(jié)電收益和更好的社會效益。

1 繞組永磁調速技術（WPMSRT）原理

圖1 繞組永磁調速技術系統(tǒng)框圖

發(fā)電機利用電磁感應原理將機械能轉換為電能，電動機將電能轉化為機械能，變壓器將一種電壓的電能轉換為另一種電壓的電能。

繞組永磁傳動技術實際上是利用類似于永磁發(fā)電機的電磁感應原理來傳遞扭矩的一種新興永磁傳動技術。繞組永磁調速器包含有一個繞組轉子和一個永磁轉子。當永磁轉子由原動機拖動按照額定轉速旋轉時，繞組轉子與外部電路聯(lián)結形成回路后將感應出電流，感應電流形成的感應電磁場與永磁轉子形成的永磁磁場相互作用傳遞扭矩，帶動繞組轉子以及與之相連的負載旋轉，其本質上是一種轉差調速器[5]。忽略細微的機械損耗，繞組轉子將得到原動機相同的扭矩，而轉速可以任意調節(jié)。繞組轉子與原動機之間的轉差產生轉差功率，其表現(xiàn)形式是繞組上的電功率。該電功率的電壓和頻率與轉差大致成正比，而電流與轉矩大致成正比[6]。此電功率可以回收再利用，達到最佳的節(jié)能效果。

2 高壓變頻器應用于1000kW 流量微調節(jié)漿液循環(huán)泵

高壓變頻器的損耗大致分為可變損耗pc和不變損耗pv。pc主要包括開關器件的導通損耗（與電流大小成正比）、變壓器的銅耗等，而不變損耗則主要包含開關損耗（與開關頻率有關）、變壓器的鐵耗等[7]。

高壓變頻調速系統(tǒng)的損耗按如下方式進行計算：

電機的輸出功率P3與調速比n 的3 次方成正比，即：P3=1000×n3；

電機的輸入功率P2等于變頻器的輸出功率，當調速范圍很小時，電機效率可以認為是電機的額定效率95%，則：P2=P3/95%；

高壓變頻器典型的額定效率為95%，則總損耗為50kW。假定pv和pc的基值按照25kW 來計算。每個轉速下pv按照轉速的平方成正比計算（可根據(jù)P∝n3，U∝n，P∝I×U，pv∝I 推出，其中P 為變頻器的功率，n 為電機轉速，U 為變頻器電壓，I 為變頻器電流）[2]，即：pv=25×n2；

變頻器的輸入功率P1為：P1=P2+pv+pc；

不調速耗電功率P0為1000kW 電機的輸入功率，即：P0=1000/95%；

相對不調速節(jié)電功率ΔP 為：ΔP=P0-P1；

年節(jié)電ΔE 按照年運行時間0.7 萬小時計算（單位為萬度），即：ΔE=ΔP×0.7；

年節(jié)電費ΔF 按照0.35 元/度電計算，即：ΔF=ΔE×0.35；

年分攤購置成本C1按照12 萬元計算，年運行成本C2按照3 萬元計算（維護工作包括更換模塊、更換控制板）。10 年后變頻器的殘值C3基本上為0。

10 年收益B 為：B=（ΔF-C1-C2）×10+C3。

見表1。

表1 高壓變頻器節(jié)電效益表

3 繞組永磁調速器應用于1000kW 流量微調節(jié)泥漿泵

繞組永磁調速器的損耗類似于永磁電機。為了簡便計算，大致把它的損耗分為pfe和pcu。pcu與負載轉矩大小相關，而pfe與轉速差相關。

調速器的輸出功率P3’與轉速的3 次方成正比，即：P3’=1000×n3；

典型的1000kW 繞組永磁調速器的pfe和pcu基值都為10kW，每個轉速下的pfe為轉速差的1.3 次方[8]，即：pfe=10×（1-n）1.3；

每個轉速下的pcu與轉速的4 次方成正比（由T∝n2，I∝T，pcu∝I2可推出。其中T 為扭矩，I 為電流），即：Pcu=10×n4；

電機的輸出功率（調速器的輸入功率）P2’為：P2’=P3’+pfe+Pcu；

電機的輸入功率（耗電功率）P1’為（電機效率為95%）：P1’=P2’/95%；

不調速耗電功率P0為1000kW 電機的輸入功率，即：P0=1000/95%；

相對全速節(jié)電功率ΔP’=P0-P1’；

年節(jié)電ΔE 按照年運行時間0.7 萬小時計算，即：ΔE’=ΔP’×0.7；

年節(jié)電費ΔF 按照0.35 元/度電計算，即：ΔF’=ΔE’×0.35；

年分攤購置成本C1’按照12 萬元計算，年運行成本C2’按照1 萬元計算（維護工作包括添加潤滑脂、清理碳粉和更換碳刷）。10 年后繞組永磁調速器的殘值C3’至少可保值一半。

10 年收益B 為：B’=（ΔF’-C1’-C2’）×10+C3’。

見表2。

表2 繞組永磁調速器節(jié)電效益表

4 繞組永磁調速器相較高壓變頻器收益對比

根據(jù)本文提供的計算方法，可以看出變頻器在轉速標幺值大于等于0.99 時，節(jié)電量為負數(shù)；大于等于0.97 時，節(jié)能的經濟效益為負數(shù)。但是，如果改為繞組永磁調速，即使速度標幺值為0.99，仍然有節(jié)電的效果。而只要速度標幺值不低于0.98，節(jié)能的經濟效益即為正。同樣調速到0.95，繞組永磁調速的10 年收益比變頻調速多140 萬元以上。這對于我國實現(xiàn)碳達峰和碳中和的節(jié)能目標具有重要的意義。