茂名石化供水泵房永磁调速改造方案南京艾凌.docx
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茂名石化供水泵房永磁调速改造方案南京艾凌
中石化茂名石化采用
永磁调速器
节能改造技术方案
（供水泵）
国家科技部2010年度《科技型中小企业技术创新基金》立项
立项代码：
10C26213201089
南京艾凌节能技术有限公司
2011年5月
1概述
永磁驱动技术近年来国际上开发的一项突破性新技术，是专门针对水泵、风机类离心式负载调速节能的适用技术。
它具有高效节能、高可靠性、无刚性连接传递扭矩、可在恶劣环境下应用、极大减少整体系统振动、减少系统维护和延长系统使用寿命等特点。
尤其是其不产生高次谐波且低速下不造成电机发热的优良调速特性更使其成为水泵及泵类设备节能技术改造的首选。
本方案所涉及的茂名石化供水泵房供水泵适合采用永磁调速技术进行节能改造。
待改设备选用大功率永磁调速器型号为水冷型永磁调速器AL-WH-1000。
2待改设备情况
本次改造应用于茂名石化供水泵房供水泵，其参数如下：
电机
负载：
铭牌数据
铭牌数据
型号
Y450-69-6
型号
24SA-10B
额定转速
987rpm
额定转速
990rpm
额定功率
630KW
轴功率
545.94KW
额定电压
6000V
流量
3084m3/h
额定电流
72.5A
扬程
57.8m
生产厂家
长沙电机厂
生产厂家
长沙水泵厂
运行数据
电机运行电流
60A
入口压力
5KG
实际流量
2100m3/h
出口压力
4.2KG
运行情况描述
1、本系统供水泵房供水泵是通过阀门来调节水量的，阀门调节方式造成大量的能耗损失。
2、现有系统电机和水泵的连接方式为刚性联轴器连接，对中要求高，安装不方便，且易引起振动问题。
3、通过切割叶轮已使其中一台水泵流量变小。
3永磁调速器介绍
3.1结构及原理
第二代永磁调速器由导体转子、永磁转子和调节器三部分组成。
永磁转子在导体转子内，两者无连接，其间由空气隙分开，并随各自安装的旋转轴独立转动；调节器调节永磁转子与导体转子在轴线方向的相对位置，以改变导体转子与永磁转子之间的啮合面积，实现改变导体转子与永磁转子之间传递转矩的大小。
导体转子安装在输入轴上，永磁转子安装在输出轴上，当导体转子转动时，导体转子与永磁转子产生相对运动，永磁场在导体转子上产生涡流，同时涡流又产生感应磁场与永磁场相互作用，从而带动永磁转子沿与导体转子相同的方向转动，结果是将输入轴的转矩传递到输出轴上；输出转矩的大小与啮合面积相关，啮合面积越大，扭矩越大，反之亦然。
永磁转子在调节器作用下，沿轴向往返移动时，永磁转子与导体转子之间的啮合面积发生变化。
啮合面积大，传递的扭矩大，负载转速高；啮合面积小，传递的扭矩小，负载转速低；啮合面积为零，传递扭矩为零，永磁转子与导体转子完全脱开，永磁转子转速为零，负载转速也为零。
永磁调速器结构及原理
啮合面从大到小，负载转速由98%到0转速
调速原理，改变啮合面积
3.2技术特点
Ø调速节能。
可以根据现场的实际运行工况，通过调节永磁调速器永磁转子与导体转子之间的啮合面积实现负载调速，达到满足工艺的同时进行经济运行的目的。
调速范围：
0-98%无级调速。
Ø空载启动。
在启动时，将永磁调速器的导体转子与永磁转子之间的磁场啮合面积变得最小，从而将电机与负载完全脱开，实现零负载启动；电机启动后，再慢慢增加导体转子与永磁转子之间的作用面积，使负载逐渐加速，因此整个启动过程平稳，冲击小。
具有空载启动/空载停机功能特点，可以有效地降低电机的启动电流、解决水锤和气穴现象。
电机和泵可以有选择启动和停止，大大提高系统启停性能。
Ø简单可靠、维护少。
可靠性高，使用寿命长，设计寿命达25-30年。
设备结构简单，较电子类设备故障率低，维护成本少。
Ø隔振。
大大降低了刚性联轴器的振动放大传递。
永磁调速器取代了原来的刚性联轴器，使电机和负载没有机械联接，这样泵侧的振动就不会传递到电机侧，电机侧的振动也不会传到泵侧。
同时也割断了振动在传递过程中的放大效应，因此可以消除刚性联轴器的振动放大效应，降低系统的振动。
可以排除因对中误差大造成的振动。
传统的联轴器需要很精确的对中，对中误差需要小于0.05mm，一般需要激光对中。
而永磁调速器可容忍较大的安装对中误差，最大可达2mm。
同时在运行过程中，电机和负载之间的动态同轴度也允许较大的范围，不会产生振动。
Ø允许2mm对中误差，不产生附加载荷。
可适应轴向窜动量达10mm的电机拖动系统。
Ø适应各种恶劣工况：
电网电压波动较大，谐波含量较高，易燃、易爆，潮湿，粉尘含量高，高温、低温等场所；不产生任何污染物。
Ø大大延长轴承和密封件的寿命。
由于电机和负载之间没有机械链接，没有磨损，降低了系统的振动幅度，延长电机和负载，特别是轴承和密封件的寿命。
Ø具有过载保护功能，提高了整个电机驱动系统的可靠性。
由于电机与泵之间没有机械链接，当泵过载或者堵转时，调速型永磁调速器可自动的将电机对泵体的力矩传递完全断开，此时电机空载运行，泵停转，可以完全消除泵系统因过载而导致的系统损害和巨大损失。
Ø安装简单，维护工作量少。
安装简单，不需要对电机和负载做任何改变。
安装时，只需用永磁调速器替换原来联轴器即可，现场安装调试方便。
3.3大功率永磁调速器结构
大功率永磁调速器结构图
4永磁调速系统集成
通常永磁调速系统由永磁调速器、电动执行器、转速变送器、温度变送器、控制信号源、就地显示控制箱、远程控制系统、电缆等设备集成。
永磁调速器安装在电机和负载之间，传递扭矩，通过永磁调速器的调节机构实现导体转子与永磁转子之间的磁场啮合面积改变，从而实现负载转速变化。
啮合面积大，通过永磁调速器传递的扭矩就大，负载转速高；啮合面积小，通过永磁调速器传递的扭矩就小，负载转速低。
电动执行器提供动力使得啮合面积随着电动执行机构的指令变化而变化，电动执行机构接受控制中心（根据不同的情况，可以是PLC控制，也可以是DCS控制）的指令，电动执行器根据控制中心的指令进行动作，并将结果反馈给控制中心。
控制信号源则为工艺需要的控制对象，对于泵系统而言可能是管网压力、流量、或者液位，而对于水泵而言则可能是压力、流量等其它工艺需要的一些参数，因此控制信号源可能为压力信号、流量信号、液位信号等等。
通常而言信号为4-20mA的电流信号。
就地显示控制箱提供就地显示功能，并提供系统信号的上传下达的通道，方便工作人员到现场巡检。
5永磁调速器节能原理及量化分析
5.1节能原理
Ø阀门调节方式耗能情况：
根据风机、水泵系统设计原则，为了保证负荷最大时风机或水泵系统满足输出要求，通常需要按系统的最大输出能力配备风机水泵系统。
而真正实用中，绝大多数情况下并非需要系统在满负荷下使用，而是根据负载的实际需要，通过流量控制元件如阀门或风门挡板等实现流量或压力的调节，以满足生产过程的需要。
最典型的控制流量或压力的方法是使用阀门或风门挡板。
此时，风机或水泵系统的效率＝电机效率×调节流量或转速或压力控制原件的效率×风机或水泵效率×输送管道的效率。
如果其它效率恒定的情况下，系统效率取决于调节流量或转速或压力控制设备的效率。
由于阀门或风门挡板是通过调节开度来实现输出流量或压力的调节，电机和负载的转速并未发生变化，根据相似定律，输入功率并不会因为阀门开度变化而变化。
当阀门或风门挡板开度<100%或调节器非直通型，流体经过阀门或风门挡板都会造成非常大的能量损失，同时在阀门或风门挡板两端产生很大的压差，特别是在风机或水泵的输出端的压力增高，使得风机或水泵的运转点偏离最佳效率点，因此，阀门开度减小时，电机输入功率不会显着减小，很多能量因此浪费掉。
Ø采用永磁调速改造的系统耗能情况：
从流体力学的原理得知，使用感应电机驱动的离心式负载，轴功率P与流量Q，扬程H的关系为：
离心式负载特性曲线
其中：
Horsepower：
轴功率曲线、Speed：
转速及流量曲线、Torque：
压力曲线
如图所示：
当电机的转速由n1变化到n2时,Q、H、P与转速的关系如下:
（1）
（2）
=
（3）
可见流量Q和电机的转速n是成正比关系的，而扬程与转速的二次方成正比，所需的轴功率P与转速的立方成正比关系。
所以当需要80％的额定流量时，通过调节电机的转速至额定转速的80％，此时系统的扬程仅为原来的64%，此时所需功率将仅为原来的51.2％，即：
离心式负载调速性能表
转速
（%）
流量
（%）
压力
（%）
轴功率
（%）
节电率
（%）
备注
100
100
100
100
0
在实际运行中，由于转速下降会引起其机泵系统效率下降，加上调速装置效率的影响，实际节电率小于表中所列数值。
90
90
81
72.9
27.1
80
80
64
51.2
48.8
70
70
49
34.4
65.6
60
60
36
21.6
78.4
50
50
25
12.5
87.5
从泵的运行曲线来分析采用永磁调速后的节能效果：
图3离心式负载的运行曲线
当所需流量从Q1减小到Q2时，如果采用调节阀门的办法，管网阻力将会增加，管网特性曲线上移，系统的运行工况点从A点变到新的运行工况点B运行，所需轴功率P2与面积H2×Q2成正比；如果采用调速控制方式，泵转速由n1下降到n2，其管网特性并不发生改变，但泵的特性曲线将下移，因此其运行工况点由A点移至C点。
此时所需轴功率P3与面积HB×Q2成正比。
从理论上分析，所节约的轴功率Delt（P）与（H2-HB）×（C-B）的面积成正比。
在实际运行中，系统能够调节的空间通常是在考虑流量满足的同时还必须考虑系统的扬程能不能满足要求。
通过实践的统计，离心式水泵泵类负载通过调速控制可节能20％～50％。
5.2节能量化分析
（1）、改造前电能年消耗量
:
------------
（1）
其中：
——改造前总耗电量，
。
——全年平均运行时间，
；
——单一负荷下工频运行功率，
；
——这种负荷下的全年运行时间比例；
——电机电压，kV；
——电机电流，A；
——单一负荷下运行功率因数，小于额定功率因数。
（2）、改造后电能年消耗量
:
-----------
（2）
其中：
——改造后总耗电量，
。
——全年平均运行时间，
；
——改造后电机消耗功率，kW；
——泵额定轴功率。
——这种负荷下的全年运行时间比例；
——为转速比，
——为改造后的流量。
——为改造后的压力。
——为综合效率（包括永磁调速器效率、泵和电机效率下降比率）计算时保守一点取值为0.90。
量化分析如下：
改造前：
水泵运行功率：
kW
年耗电量：
万度
其中:
运行数据按照现场采集数据计算，年平均运行时间为300天，系统运行功率因数取0.85。
改造后：
水泵运行功率：
其中：
取较大值，得到最低节电率。
节电率：
年节电量为:
（530.0-422.1）*24*300=777,600度
（其中，按照年运行时间300天计算）
年节约电费为=777,600*0.71=552,096.00元（约为55.2万元人民币）。
（其中电费按0.71元/度计算）
如果考虑到减少了系统的振动，减少了系统的维护工作量，延长了轴承和密封件的寿命等因素，效益远大于上述数据。
6永磁调速器改造内容
6.1改造内容
为了更好地满足现场运行和节能的需要，将电机和泵之间的联轴器改为由我公司生产的永磁调速器（型号为：
AL-WH-1000）。
通过就地PLC控制或者通过DCS实现自动控制。
6.1.1基础加长
本次所需要电机和负载之间的最短轴间距为1650mm，根据现场实际测量，需将电机向后移。
6.1.2自动控制系统构成。
包括：
永磁调速器、调节器、电动执行机构、温度传感器、冷却系统、就地显示柜、远程控制中心。
6.1.3设备安装及现场所需条件。
整个系统的安装和调试将由我公司派专家到现场指导。
现场所需要条件：
1电源：
380V交流电源，功率1.5kW；24V直流电源（可选）。
2控制面板位置（或接入DCS）
3起重设备
6.2设备清单
序号
设备名称
型号
生产厂家
数量
1
永磁调速器
南京艾凌
1
2
智能电动执行机构
1
3
红外测温变送器
1
4
非接触式速度传感器
1
5
就地显示柜
6
冷却系统
7
PLC控制柜（接DCS则无）
6.3冷却系统
Ø冷却水要求:
（参考值）
1）水质要求
溶砂量:
500-2500ppm
碱性物质:
250ppm以下
悬浮砂砾:
8ppm以下
导电度:
800-3800μ奥姆/公分
SiO2含量:
40ppm以下
碳酸钙（CaCO3）含量:
0.2ppm以下
酸碱度（PH）:
8.3-10.0（@25℃）
2）水量/水压 AL-WH-1000:
8m3/h,0.4MPa
3）水温 ≤28度
Ø冷却系统实施方案：
1）用户提供满足以上水质要求的冷却水及外部循环系统，我公司提供永磁调速器本体及内部水循环管路。
2）我公司设计独立冷却系统，如大功率永磁调速器结构示意图所示。
（细化于技术协议）
6.4工程施工周期
供货时间，合同生效后3个月。
现场安装调试5天。
6.5产品质量保证
我公司生产的永磁调速器，型号为：
AL-WH-1000。
使用寿命>20年，质保期1年，终身维护。
6.6现场安装及售后服务
产品现场安装调试由由南京艾凌节能技术有限公司技术专家现场指导。
7基础施工方案
7.1基础改造目的
Ø电机和水泵轴之间轴间距尺寸为：
1650mm。
Ø保证电机与水泵中间安装永磁调速器段基础与我公司永磁调速器设备中心高尺寸一致，以满足最终安装要求。
Ø提供冷却水箱安装位置（用户提供冷却系统则无）。
本次基础改造有两种改造方案，每种方案均包含两方面内容：
一、土建施工；二、基础电机底座的制作。
7.2方案一
Ø基础改造方案：
电机和永磁调速器各自采用独立的底座。
1、对现有系统停机，吊走电机，完全刨除现有基础.。
2、重新制作基础。
一次浇注：
刨除现有基础后，保证轴间距为1650mm，重新进行一次浇注。
3、二次浇注。
电机部分基础：
将电机与其原底座连接，进行二次浇注；永磁调速器部分基础：
制作如图所示底座，并与基础一并进行二次浇注，以满足永磁调速器安装要求。
安装要求为：
（1）永磁调速器安装完成后高度与电机中心高一致。
（2）永磁调速器底座中心与电机轴中心对称。
4、二次浇注要求：
电机轴与负载轴对中误差≤0.10mm；
永磁调速器中心高与电机中心高一致；
永磁调速器底座中心与电机轴中心对中误差≤1mm。
5、基础改造完成后，保护好基础，等待设备到现场安装。
6、设备现场安装所需时间：
3-5天
Ø改造完成后效果图：
电机、永磁调速器底座相互独立
Ø永磁调速器底座制作
底座图
如图所示：
1、该底座上的椭圆形槽是与永磁调速器地脚螺栓相连接，并与永磁调速器上椭圆形槽呈十字形，以方便永磁调速器能够在此底座上前后左右移动。
2、在该底座的左右外边缘和前后边缘侧有3对顶丝座，通过拧入调节螺栓可轻松的对永磁调速器前后左右进行调节，方便对中和检修工作。
7.3方案二
Ø基础改造方案：
电机和永磁调速器采用一个底座。
1、对现有系统停机，无需吊走电机，在电机基础后采用植筋方式加长基础，进行一次浇注，加长尺寸为改造所需轴间距尺寸，即1650mm。
2、在一次浇注的同时，基础施工单位进行电机和永磁调速器共用底座的制作，底座图如下图。
3、一次浇注完成后，对基础进行保养。
待设备到达现场前3-5天，吊走电机，敲除电机原二次浇注基础。
4、设备到达现场后，将电机与永磁调速器一并安装于底座上，调整好其两轴对中，并连接电机端与永磁调速器端联轴器。
5、将连接好的电机、永磁调速器、底座一并吊入一次浇注基础上，调节好永磁调速器侧与水泵侧的对中，进行二次浇注。
其对中要求为0.10mm。
6、二次浇注结束后，保养好基础。
并进行水循环及安装调试工作。
Ø改造完成后效果图：
电机、永磁调速器共用一个底座
Ø永磁调速器底座制作
底座图
如图所示：
1、该底座上的椭圆形槽是与永磁调速器及电机的地脚螺栓相连接，并与永磁调速器上椭圆形槽呈十字形，以方便电机能够在支架上前后左右移动。
2、在该底座的左右外边缘和前后边缘侧有6对顶丝座，通过拧入调节螺栓可轻松的对永磁调速器及电机前后左右进行调节，方便对中和检修工作。
7.4两种方案比较
Ø方案一优缺点：
优点：
使用原基础电机底座，只需制作一个永磁调速器底座，方便简捷。
缺点：
土建施工需全部重做，工作量大、需移动电机进行基础改造，停机时间长。
Ø方案二优缺点：
1、优点：
采用植筋方式加长电机尾部基础，无需吊走电机，大大缩短了停机时间；现有基础改造只需敲除电机原二次浇注，工作量小；电机和永磁调速器安装于同一底座上，安装调节方便；改造时不移动电机、停机时间短。
2、缺点：
需制作电机与永磁调速器大底座，底座工作量大。
我公司推荐使用：
方案二。
备注：
此方案仅供参考，具体实施方式仍需和专业基础施工单位协商。
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