砂浆泵调速器在电厂灰浆泵系统中的应用及分析

1 灰浆泵系统简介
中石化某热电厂的除灰系统分为干除灰和水力除灰两种方式。水力除灰系统有三台离心灰浆泵, 系统布置如图1所示。其中：1#，3#灰浆泵配置相同，电机型号：JS136-4；功率：220kW；供电电压：6kV；额定输出转速：1480rpm；渣浆泵型号：ZM150-H-95；额定流量：290m3/h。2#灰浆泵，电机型号：JS148-6/310；功率：310kW；供电电压：6kV；额定输出转速：987rpm；渣浆泵型号：150Z-95。
灰浆泵系统原设计采用两投一备运行方式。干出灰系统投用后采用一投一备运行方式,实际运行中存在以下问题：
 灰浆池进出灰浆量严重不平衡，通过人工观察决定开停电机，导致高压电机启停频繁，系统故障率高。
 灰浆泵系统自动化程度低，运行可靠性低。
 往灰浆池中注入回水，浪费电能和水资源。
 现场环境恶劣，湿度大，粉尘含量高。
 灰渣泵磨损大，曾发生过堵转事故。
 现场空间狭小，不适宜采用高压变频器。
通过反复论证，最后放弃高压变频器而采用南京艾凌节能公司提供的永磁调速器对该灰浆泵系统进行技术改造。|||
2 永磁调速技术原理
永磁调速器的结构如图2所示，主要由两部分组成，一部分是安装在负载侧的磁转子，另一部分安装在动力机侧的铜转子，铜转子与动力机转速一致，在运行过程中保持不变。其工作原理如图3所示，铜转子和磁转子可以自由地独立旋转，当铜转子旋转时，铜转子与磁转子产生相对运动，交变磁场通过气隙在铜转子上产生涡流，同时涡流产生感应磁场与永磁场相互作用，从而带动磁转子沿着与铜转子相同的方向旋转，结果是在负载侧输出轴上产生扭矩，从而带动负载做旋转运动。通过调节永磁体和铜导体之间的气隙就可以控制传递扭矩的大小，从而获得可调整的、可控制的、可以重复的负载转速，实现负载转速的调节。|||
3 永磁调速器与高压变频器的比较
高压变频器采用复杂的电路拓扑将数以万计的电力电子元器件串并联，实现对高压电机的输入频率和输入电压改变从而实现电机的转速变化，属于电气调速。而永磁调速器采用高强度的磁转子与铜转子相互作用，实现电机与负载没有机械联结，通过调节气隙的大小实现负载调速，电机转速不变，负载调速，属于机械调速。参考表1。
序号 内容 高压变频器 永磁调速器
1 基本原理 电气调速 机械调速
2 可靠性 低 高
3 是否环保 否（污染电网、产生电磁辐射） 是（不污染电网、不产生电磁辐射）
4 使用寿命 短（5-10年） 长（10-20年）
5 节能效果 高 与变频相当
6 环境要求 高
（温度、湿度、粉尘要求高） 低
（可适合各种恶劣环境）
5 维护 要求高费用贵。
即使某个器件故障都将更换整个功率单元 免维护
6 隔振效果 不隔振 隔振好
7 易损件 电力电容等 无
8 结构 复杂 简单
9 体积 大 小
10 电机散热 变差，需要强制散热 散热没有影响
表1 高压变频器与永磁调速器比较|||
4 永磁调速改造实施
对1＃灰浆泵永磁调速改造现场照片见图4，工艺布置图见图5。永磁调速器安装在电机和泵轴端之间，伺服机接受控制系统根据浆池水位发出的指令，调节永磁调速器的磁转子与铜转子之间的气隙大小，实现对泵轴转速进行调节。

图4 灰浆泵永磁调速应用现场|||
5 改造效果及分析
 灰浆泵系统通过永磁调速改造达到了预期的目的，已通过了11个月的0故障稳定运行。
5.1解决了灰浆池中灰浆量进出不平衡问题
改造后系统可以根据灰浆量的大小，自动调整转速。实现灰浆的进出自动平衡，不需要人为干预，避免对高压电机进行频繁启停，延长电机、灰浆泵以及高压开关的寿命，同时将显著地延长了轴承和密封件的寿命。
5.2节能数据及分析
根据系统工况进行灰浆泵的转速调整，节约了大量的电能。表2是1#灰浆泵调速运行时，电机电流实测数值，图6是节电率和转速比之间的关系图。由表2和图6可以看出，采用永磁调速器后能否节能与调节的空间有关系，当灰浆泵的转速为满转速的48%（720rpm）时，电机电流为6.5A，节电率为71.7%，而当灰浆泵的转速为满转速的96%（1440rpm）时，节电率仅为6.5%。据现场运行统计：灰浆泵转速在900rpm左右的时间约占15%；1200rpm左右的时间约占40%；1300rpm左右的时间约占35%；1440rpm左右的时间约占10%。由此可计算出节电率如下：
节电率=58.7%×15%+32.6%×40%+23.9%×35%+6.5%×10%=30.86%。
由于1#灰浆泵的转速可以根据灰浆池中的液位自动调整，避免了因满足一台灰浆泵定速运行所需要的水量，将回用水打入灰浆池循环泵送的现象，因此节省了大量的回水。
测试序号 1 2 3 4 5 6 7 8
n泵(rpm) 720 900 1000 1200 1300 1400 1440 1470
I电机(A) 6.5 9.5 11.5 15.5 17.5 20.5 21.5 23
转速比(％) 48 60 67 80 87 93 96 98
节电率(％) 71.7 58.7 50.0 32.6 23.9 10.8 6.5 0
表2： 实测电流与转速对应数据
 
图6  转速比与节电率关系图
5.3振动数据及分析。
表3是1#灰浆泵调速运行时各轴承处的振动振幅实测值，测点序号8是1#灰浆泵永磁调速改造之前各轴承处振动振幅实测值。由于用永磁调速器取代了原来的刚性联轴器，将原来的一个长轴系统变长了两个互不相连的两个短轴系统，这样灰浆泵侧的振动就不会传递到高压电机侧，反之依然，同时可以大大减少了长轴系统对振动的放大效应。永磁调速器可允许电机轴和泵轴之间的安装对中误差为5mm，可有效地排除因对中不好造成的振动。表3中实测数据表明，改造后，1#灰浆泵振动幅值比改造前大幅度降低，振动幅度仅为改造前的15-40%，振动降低60-85%。

测试
序号 泵转速 电机轴承1 电机轴承2 泵轴承1 泵轴承2
  水平 轴向 垂直 水平 垂直 水平 垂直 水平 垂直
1 720 9 6 7 8 7 5 5 5 5
2 900 8 5 6 6 4 5 4 5 3
3 1000 8 6 5 5 4 5 4 6 4
4 1200 8 6 7 7 4 11 5 8 6
5 1300 9 6 6 6 4 10 6 10 5
6 1400 10 6 7 8 5 10 10 13 7
7 1440 10 5 7 7 5 20 8 15 8
8 1470 25 24 12 62 33 48 17 38 5
表3  各转速下各轴承对应振动数据（单位μm）
 
图7 振动曲线对比
5.4 软启动分析。
由于永磁调速器使电机和泵轴没有机械联接，系统启动时相当于电机空载启动，有效地降低电机的启动电流、解决水锤和气穴现象。电机和灰浆泵可以有选择启动和停止，大大提高系统启停性能。
5.5 电磁泄漏分析
单位：mG(毫高斯)
防护罩表面距离 0（m） 0.5（m）
 东 西 南 北 东 西 南 北
改造前 5.8 26 23 20 2.2 320 6.3 4.6
停机 0.6 0.5 0.4 0.6 0.4 0.4 0.4 0.6
改造后 22 90 30 24 5 380 6 9
防护罩表面距离 1（m） 2（m）
 东 西 南 北 东 西 南 北
改造前 3 100 4.9 8.6 0.6 3 1.5 2.6
停机 0.4 0.4 0.3 0.5 0.3 0.4 0.3 0.5
改造后 2.3 50 2 4 1.3 6 1 30
表4 永磁调速器改造前后磁场强度测量数据
通过表4可以看出，当电机停运时，周围的磁场强度均在0.6mG以下；在永磁调速改造前，运行高压电机，在高压电机周围产生一定的磁场，其中电机出口磁场强度最强达到320mG；永磁调速改造后，磁场强度变化不大，从而可以看出永磁调速器产生的电磁干扰远小于运行中的电机产生的电磁场。|||
6 结论
通过上述分析，与变频器相比，永磁调速器结构简单可靠，不产生谐波、不产生电磁干扰的绿色节能产品，具有更好的隔振效果、能够很好地适应湿度大、粉尘含量高的灰浆泵环境，笔者坚信在不久的将来必将迎来永磁调速器在各行各业的更广范围应用.

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