电厂泵类设备永磁调速技术的应用研究

电厂泵类设备永磁调速技术的应用研究

徐达前

中国能源建设集团广东省电力设计研究院有限公司，广州 51066

摘要：本文通过介绍永磁调试的特点，与传统电厂变频调速设备在成本、施工、维护、节能等方面进行综合对比，得出永磁调速技术具有重要的推广意义。

关键词：永磁调速、变频调速、凝结水泵

前言

为响应国家2030年“碳达峰”的发展目标，电厂泵类设备作为耗能大户，占据较大的厂用电消耗比例，其节能技术的应用尤为值得关注。泵类节能技术主要是液力耦合调速、变频调速和永磁调速。液力耦合调速的发展已有100 年的时间，技术比较成熟，缺点为调节准确度差、响应慢、维护费用高。变频调速的发展已有50年的时间，其功能越来越全面，调速准确度也越来越高，但也因其电力电子组件多且老化快，柜体占地面积大，对运行环境要求高。永磁调速的开展已有20多年的时间，具有调速比大、可靠性高、稳定性好、振动噪声小、无谐波、占地面积小、环境要求低和寿命长等优点^[1]。故此，永磁调速技术在电厂泵类设备应用中具有积极的推广意义。

1、永磁调速技术

永磁调速技术利用永磁调速驱动器(PMD)，通过磁力耦合实现非机械连接扭矩的传递，通过改变电机与负载之间的转速差来实现调速，具有维护工作量少、设备可靠性高， 且能实现无级平滑调速、自动控制等特点，在国外早已广泛的应用，因此近年来也越来越受到国内用户的重视。

2、永磁调速的基本原理

永磁调速的工作原理为楞次定律。根据楞次定律，当磁铁棒N极垂直接近导体板时，在导体上会产生1个N极磁场来抵抗磁棒N极接近，该抵抗磁场由逆时针方向的感应电流(涡电流)所产生，如图1 (a)所示；同理，当磁铁棒N 极平行于导体板移动时，在导体板上会产生抵抗磁铁棒N极前进的方向相反的2个磁场，在磁铁棒N 极的前方产生N 极磁场、后方产生S 极磁场抵抗磁铁棒前进，如图 1(b)所示；而且当磁铁棒愈靠近导体板时，导体板上抵抗磁铁棒相对运动的力愈大。

图1 楞次定律示意图

永磁调速驱动器主要由铜转子、永磁转子和控制机构3部分组成。铜转子固定在电动机轴上，永磁转子固定在负载转轴(泵或者风机转轴)上，控制机构控制铜导体和永磁体之间的气隙。固定在电动机轴上的铜转子和固定在负载轴上的永磁转子之间存在相对运动，根据电磁感应原理可知：导体在磁力线中移动产生感应涡电流，导体上产生感应磁场，从而产生扭矩，越靠近磁力线越密集，效应越强、扭矩越大；相对运动越快，两者感应同极磁场越强，产生扭矩越大。通过调节永磁体和铜导体之间的气隙就可改变负载轴上输出的转矩，从而实现负载转速变化。永磁磁力耦合调速驱动器如图2所示。

3、永磁调速的工作特点

根据永磁调速工作原理，永磁调速技术具有如下优点：

(1) 永磁调速装置为纯机械构造连接，无需电源，占地要求不高，容易安装，对运行环境要求低，使用寿命长。

(2) 永磁调速装置可以实现无级平滑调速，达到高效节能。采用永磁调速技术，通过调节气隙实现流量和/或压力的连续控制，取代原系统中控制流量和/或压力的调节阀，在电机转速不变的情况下，调节水泵的转速。

(3) 永磁调速装置可以通过调节间隙实现软启动，电机接近空载起动，大幅减低启动过程的冲击电流，延长了电动机和泵的使用寿命。

(4) 永磁调速装置因为采用气隙而不采用硬机械连接来传递扭矩，因而对电机和负载设备的连接精度要求大大降低，对机务连接对中误差容忍度高。因为无硬机械连接，连接精度所造成的机械振动和噪音也大大降低。

(5) 永磁调速装置只是一个简单的机械装置，适应各种恶劣环境，不产生谐波，不影响其他电气设备，无电磁波干扰问题。

(6) 永磁调速装置在寿命期内，基本无后续的成本支出，考虑设备购置、运转、保养、维护费用等情况下，将会使得总成本降低。

由于永磁调速技术作为一项新生产品，也有其不足之处：

(1) 适合的工作范围有限，永磁调速只能减速传递扭矩，适配电机功率5～4000kW，传递扭矩范围0～30000Nm。设备扬程越高，永磁调速能适配的电机功率就越小。目前，国内已有应用业绩的凝泵采用永磁调速方案，其最大电机功率只做到了3000kW，能否适用于更高功率的电机，仍有待永磁厂家设计和实验验证。而对于高压给水泵这种扬程高，转速高的水泵，永磁调速就不适用。

(2) 永磁调速产品的核心部件在国外生产，国内只有少数组装工艺，所以产品价格比较昂贵。

(3) 永磁调速采用了负载滑差调速技术，滑差在2%~5%之间，因此在泵低负荷运行时，永磁传动效率降低，而电机转速保持不变，其能耗损失大。

(4) 由于凝泵电机是立式安装，加装永磁调速装置后会将电机抬高约1~2 m，运行时可能会产生强度和振动问题。且永磁调速装置将电机和水泵分开，原凝结水泵的轴系发生了变化，需要重新校核计算水泵的共振频率是否低于工作转速。且采用永磁后，凝泵轴系已断开，以后无法再改用其他调速方式，存在一定的风险。

(5) 正常运行时，导体盘和永磁盘在传递能量的过程中会有热量产生，当导体盘和永磁盘之间的间隙在50% ～ 70%之间，产生的最大热量可达15%。若热量不能及时带走会损坏导体盘或造成永磁盘的消磁，因此要考虑冷却系统的运行可靠性问题。

(6) 当永磁调速设备发生故障时，需要较长退出运行（不象变频可以很快切到工频运行），特别对于重要辅机和无备用辅机，将严重影响机组的安全与稳定。

(7) 永磁调速驱动器的冷却和润滑介质分别为水和油，目前在油、水密封上存在较多问题，使得整体结构变得较为复杂，漏油、漏水、腐蚀等问题无法解决，导致油水混合后油脂乳化，降低冷却效果，甚至损坏轴承。

(8) 高速、高温冷却水对永磁调速驱动器的腐蚀严重。

4、技术性分析

国内电厂多采用变频调速，永磁和变频这两种调速方式在安装、运行和检修维护三方面的对比列表如下：

表1 永磁和变频调速对比表

通过对比可以看出，变频技术在调节精度、响应速度、软启动、和对机组安全性影响等方面有优势，永磁调速技术在安装要求、运行环境、减震、寿命等方面有优势，其余方面相当。

5、经济性分析

以凝结水泵为例，对永磁和变频调速机型经济性对比。

采用2×100%凝结水泵，流量G=480t/h，扬程H=260m。当采用变频器时，分别计算机组负荷率在100%、75%和50%时，每小时凝结水泵的电耗进行对比如下。

表2 变频调速下功率对比表

由于凝结水泵变频技术成熟，设备可靠性相当高，从节省初投资费用的角度出发，一般采用2台泵共用1台变频器的方案。对于永磁调速，需要采用1台泵配1台调速器的方式。采用年最小费用法，维护费用按设备价格3%估算；厂用电按电价0.715元/KW.h考虑。则每年泵组轴功耗为：

W=455.1*3000+289.6*1500+191.8*589=1912670(kW.h）

详细数据见下表。

表3 凝结水泵永磁调速和变频调速经济性对比

由上表3可知，永磁调速和变频调速年费用相当。

结语

通过上述技术经济对比可以得出如下结论：

1）在经济性方面，永磁设备价格较贵，工程初期投资方面永磁调速略高于变频设备。但是永磁调速的运行成本比变频节省，总体来讲，两者费用相当。但随着国产化的持续发展，永磁装置在价格方面将具有一定的优势。

2）在技术方面。永磁调速是近几年才逐步应用的新型节能技术，从2008年进入中国市场，技术比较先进。相比于变频调速技术，虽然永磁调速的传递效率略低于变频调速，但是考虑变频器散热损失之后，永磁调速传动效率相对变频调速有优势，如果机组多运行在低负荷情况下则更为明显；在泵组减震降噪、运行环境要求、软启动、过载保护、对电网谐波影响等方面的性能，永磁要优于变频调速；在泵组安装、调试、运行、检修和使用寿命方面，永磁调速都要比变频简单、方便。

因此，电厂可在循环水泵、凝结水泵和闭式水泵中采用永磁调速技术，提升机组整体节能效果。

参考文献：

【1】姚杰，永磁调速技术节能分析【J】，电气时代，2021(6):58-60