永磁调速技术在污水系统中的应用

　　摘要：分析了污水系统存在问题，并提出了改进方案。阐述了永磁调速技术原理、技术优势及应用效果。结果表明，永磁调速技术可实现了电机与负载之间的转矩传输，改变电机输出功率大小，在污水泵上安装，调节永磁调速驱动器气隙实现对污水泵流量、压力的连续控制，降低污水泵的泵水单耗。
　　关键词：永磁调速，节能降耗
　　某污水站设计规模2.0×104m3/d，站内安装ZXA200-4500B外输泵3台，电机功率132kW，单台排量9600m3/d，该站处理某区西部聚驱采出水和部分某联合站水驱水，处理水量8000m3/d，滤后水除外输至某注水站回注外，部分滤后水靠重力输送至某转油放水站加热回掺井口。该站外输泵每天外输水量7600m3/d，启运1台外输泵，单泵的负荷为79.17%，外输水泵单耗0.21kWh/m3。
　　1存在问题及改造方案
　　由于某污水站的负荷较低，仅为40%，同时，3台外输水泵匹配单一，该站外输水泵单耗高，外输水泵单耗0.21kWh/m3。针对某污水站外输水泵负荷低，能耗高的问题，规划在2#外输水泵安装永磁调速驱动器1套，降低该站外输水能耗，同时对输水系统根据净化水罐液位进行闭环控制，降低岗位工人劳动强度。改造投资39万元。
　　2永磁调速技术
　　2.1技术原理
　　永磁调速技术是永磁调速驱动器透过气缝传递转矩，电机与负载设备转轴之间无需机械连接，电机旋转时带动导磁盘在装有强力稀土磁铁的磁盘所产生的强磁场中切割磁力线，因而在导磁盘中产生涡电流，该涡电流在导磁盘上产生反感磁场，拉动导磁盘与磁盘的相对运动，从而实现电机与负载之间的转矩传输。见图1。在工业水泵上安装，通过调节永磁调速驱动器气隙实现工业水泵流量和/或压力的连续控制[1]。当永磁调速驱动器接到一个压力、流量、液面高度等信号后，就传输到永磁调速驱动器的控制器上，控制器对信号进行识别和转换后，产生一个机械操作指令，来调节导磁体和永磁体之间的间隙大小，从而根据适时的负载输入扭矩的要求，调节永磁调速驱动器输入端的扭矩大小，来最终改变电机输出功率大小，实现对工业水泵输出流量和/或压力的连续控制，实现电机节能和提高电机工作效率。
　　
　　
　　
　　
　　
　　图1永磁调速技术原理图
　　2.2技术优势
　　2.2.1调速范围较宽，自身效率高，节能效果明显
　　根据实际应用，在全速运转时，永磁调速器的工作效率能达到97%以上，而通过永磁调速器调速后的能耗则降低到原来能耗的75%～33%。安装永磁调速器之后，在对系统的总体评估中，总回报提高、节能效果及运行负担的减少都很明显。
　　2.2.2减低振动和容许偏心
　　80%以上的转动设备都是由于振动而出现故障的，大多数的振动都是因为轴心偏移，另外是由于设备的不平衡和共振。振动会破坏密封圈的弹力，升高轴承和设备的温度。永磁耦合技术提供了一种最好的解决振动方法。永磁耦合技术减振的关键在于通过空气间隙传递扭矩，而没有直接的物理连接。空气间隙最小为1/8英寸(3.175mm)。偏心是安装和维修成本的主要原因。一般可允许的偏离为0.05mm甚至更小，需要激光对心。永磁耦合技术允许0.75mm的偏离而且没有振动，直接就可以进行对心安装。
　　2.2.3冲击型负载和堵转自动保护
　　由于电机和负载的轴端没有直接的物理连接，振动不会传递，对于冲击型负载及有堵转可能的过程中具有通过滑差实现缓冲与自动保护功能,故障大大减少。因此可以很简单的解决驱动系统的问题。
　　2.2.4功率质量
　　永磁耦合技术不会受功率质量的影响，在功率质量很差或者在低压期间都可以工作。只要有有效的能量使电机转动，永磁耦合技术就可以工作。同时，永磁耦合技术也不会影响设备的功率质量。不会产生谐波，瞬时高压或者其他与功率质量有关的问题。
　　3现场应用
　　某污水站2#外输水泵，额定排量400m3/h，扬程60m，电机额定转数1475r/min。改造泵于2010年5月18日上午9时开始运转，调试过程中，执行器开度由20％逐步上升到90％，水量由180m3/h上升到400m3/h，电流由78A上升到192A，电机转数由482r/min上升到1377r/min。具体数据见表1。
　　表1某污水站2#外输泵永磁调速器运行数据表
　　时间 执行器开度
　　（％） 水泵转数
　　（r/min） 泵出口压力
　　（MPa） 泵出口阀门
　　开度（％） 泵出口水量
　　（m3/h） 电机电流
　　（A） 调速器温度
　　（℃）
　　9:00 20 482 0.1 100 180 78 32
　　9:05 30 546 0.1 100 202 76 37
　　9:10 40 641 0.1 100 235 81 38
　　9:15 50 751 0.1 100 264 92 48
　　9:20 60 937 0.1 100 309 108 54
　　9:25 70 1210 0.16 100 364 155 48
　　9:30 90 1377 0.19 100 400 192 39
　　4实施效果
　　2#泵试运前，该站运行同型号的3#外输水泵，排量255m3/h，泵出口压力0.67MPa，电流165A，实施后，某站2#外输水泵的泵压由改造前的0.6MPa下降至0.08MPa，改造泵运行平稳，泵压差明显降低，输水单耗由0.21kWh/m3下降至0.09kWh/m3，节电率58.3％，年节电33.55×104kWh，节省电费18.35万元，投资回收期2.13年。见表2。
　　表2某污水站2#污水泵永磁调速器数据对比表
　　 电流(A) 污水量(m3) 污水泵耗(kWh) 泵水单耗(kWh/m3)
　　安装前 180 7659 1600 0.21
　　安装后 80 7531 668 0.09
　　差值 -100 -128 -932 -0.12
　　5结论及认识
　　根据该项目的实施情况，永磁调速技术有很好的节电效果。该项技术可以使污水站根据水量的变化实行调节，该项技术具有以下技术优势。
　　（1）电机和负载的轴端没有直接的物理连接，振动不会传递，对于冲击型负载及有堵转可能的过程中具有通过滑差实现缓冲与自动保护功能,故障大大减少。
　　（2）电机完全在空载下启动,大幅降低启动电流。
　　（3）无谐波污染，不伤害电机，不影响电网功因。
　　（4）容忍对心误差,一般可允许的偏离为0.05mm甚至更小，需要激光对心。永磁耦合技术允许0.75mm的偏离而且没有振动，直接就可以进行对心安装。
　　（5）该项技术在现场应用需要一定的技术条件。改造泵需有连轴器，同时电机末端要有1.5m的安装空间。
　　参考文献：
　　[1]罗英俊，万仁溥.采油技术手册[M].北京：石油工业出版社,2005.