永磁调速技术在除磷泵组上的应用.doc

. . . . . 济钢技术创新计划项目可行性研究报告 项目名称: 永磁调速技术在除磷泵组上的应用 承担单位：技术中心 主持单位：技术中心 编写单位：能源动力厂济钢股份公司技术中心制订 2008 年5 月 10 日一、国内相关产品与技术发展水平、现状永磁调速技术于20世纪90年代，因其结构简单，可靠性高和维修、更换容易，总体性能远高于变频调速器和液力耦合器，首先被美国用于核潜艇等军事领域并一直对中国技术封锁。2008年这项技术及产品首批应用于浙能集团嘉兴电厂和山东海化企业自备电厂。其中浙能集团嘉兴电厂1台300千瓦电机高压水泵永磁调速设备已经运行并通过验收，山东海化企业自备电厂6台1400千瓦电机风机永磁调速设备将于2008年10月投入运行。一、永磁调速器工作原理：安装在电机与负载（如风机、水泵等离心负载）之间的铜盘与磁盘之间的磁场可以把电机一侧的力矩传递给负载，这就是永磁驱动的基本原理。永磁驱动器在超高压水泵中已得到广泛应用。调节铜盘和磁盘之间气隙的间距，就可以控制所传的力矩的大小，从而实现调速，这就是永磁调速的基本原理。图一、永磁驱动及调速器原理图图二、永磁调速器剖面图电机负载磁铁电机负载电机全速后, 调整气隙负载加速铜盘磁铁电机负载调整气隙达到负载需要转速铜盘磁铁铜盘启动时气隙很大电机转负载不转, 电机空载启动图三、永磁调速器调速过程示意图二、永磁调速器与变频调速的比较：1、与变频调速器相同，调速和节能是两者的基本功能。在负载负荷变化范围为70-97%范围，永磁调速和变频调速器的调速性能和节能效果相当。2、当负载负荷变化范围大于70-97% 转速范围以后，永磁调速器的优势大大显露出来。 一方面，变频调速器有降速极限限制，理想调速范围为70%-97%；另一方面，通常变频调速器变频到35赫兹以下后，一般电机自身损耗增加，无功功率加大，必须增加额外的风机对电机降温，增加电机的故障概率。而永磁调速器适应负载变化范围宽达0到100，期间电机转速几乎不变，对电机应用无任何影响。 3、永磁调速器除调速和节能外，还具备以下七项优点：1）、在调速设备中的可靠性最高：变频调速器的平均无故障运行时间(MTBF)通常为10年，而永磁调速器的平均无故障运行时间(MTBF)长达25年。调速型液力耦合器的MTBF比变频调速器长，比永磁调速器短。变频调速器中的高电压大容量电容器、高电压大功率可控硅都是公认的易损元件，并且价格昂贵。2）、在调速设备中的危害最少：不会象变频调速器一样容易造成谐波干扰和轴承刻槽，也不会象调速型液力耦合器一样容易造成漏液污染。3）、容忍轴不对准：由于永磁调速器的铜盘与永磁铁盘之间采用非刚性连接，最大允许轴校准公差5.08毫米，允许轴夹角公差0.5度。4）、减少振动和噪音：由于永磁调速器与电机连接的铜盘和与负载连接的永磁盘之间有间隙，所以可以大大减少电机/负载间的机械振动，最多可降低电机/负载系统振动80。永磁调速器减震效果将大大超过我们普遍采用的对轮方式，这将对延长电机使用寿命，减少电机维修、维护费用起到重大作用。5）、改善电机/负载运行特性：缓冲启动，减缓堵转及负载冲击。在电动机启动或负载发生突然变化甚至堵转时，永磁调速器可利用其两对磁极之间的滑差及调节其之间的气隙来保护电动机/负载，延长电动机/负载使用寿命。6）、具有运行于恶劣环境的能力：相对于变频调速器，永磁调速器运行环境要求很低。7）、最低的总成本：更容易安装、更低的维护成本、延长电机/负载使用寿命、节约空间；并由于永磁调速器的调速范围大，0%100%，可在更大的负载转速范围内实现节能作用。 二、立项必要性能源动力厂厚板中心泵房高压除鳞供水泵组，是为厚板板坯料轧制后，用高压水除去表面氧化细鳞而设置的工艺泵组。该泵组为三台泵，开二备一运行，每台电机功率为55千瓦。供水最高压力大于0.6Mpa，最小流量50立方米每小时，最小压力0.4Mpa，最大流量270立方米每小时。该泵组工作特点为间歇供水，以配合除鳞高压水的喷射是间断式工作，而为保证随时提供高压水源需要该泵组以全开模式工作。该泵组水压变化示意图如下：非用水阶段时间水压0.4MPa0.5MPa0.6MPa水锤等冲击憋泵、汽化、电能浪费用水阶段图一、高压除鳞供水泵水压变化示意图该运行方式存在如下缺陷：1、泵组的运行方式转换频繁，每小时变换达数十次，总体实际工作利用率约为50%。造成大量电能浪费。2、在非用水阶段，泵组憋泵运行，导致水压超过0.6MPa，严重时甚至使叶轮用水汽化，造成停泵事故。3、在用水阶段结束时，关闭阀门产生的水锤也对水泵造成破坏性冲击。4、由于轧机轧制工艺的规律性差，无法实现程序控制开停机。5、冲击性负荷对电气设备造成了加速老化。由于该泵组工况恶劣，泵组损坏严重，威胁正常生产，根据近期的点检、检修、维护统计分析，平均15-20天就要对水泵和电机的轴承更换一次，水泵的各种易损备件一年内要更换2-3次以上，极其浪费人力物力。为解决这一问题，曾采用变频调速技术。但是由于该泵出力变化范围大，从5到100，远远大于变频调速器的适用范围（70%-95%）。此前，曾两次使用变频技术尝试解决此类水泵问题，但都以失败告终：一、由于水泵出力变化范围非常大，流量经常从50m3/h在5秒之间升至540m3/h左右，用不了几分钟用降下来，如此反复运行。在非用水阶段，即使把变频调速器频率降到最低，仍然使水泵出力过高而保持与未加变频调速器以前同样高的高水压状态，丝毫没有降压节能效果。二、水泵出力范围变化不大时，变频调速器有显著恒压效果，但是，伴随变频调速器把电机的转速调低，导致电机自身散热效率下降，不得不增加一个专门的风机为电机强制风冷。新增加的风机频繁发生故障，甚至反复更换和维修后，仍然事故频繁，最终导致使用变频调速器后的系统无故障运行时间远小于没有使用变频调速器时的系统无故障运行时间。该泵组运行现状，不光造成了电能的浪费，设备维修、更换成本高，更严重的是极易造成突发事故影响安全生产。解决这个问题迫在眉睫。三、实施方案1、借2008年高压除鳞供水泵设备升级改造机会（计划10月份更换一台132KW泵组），对3台泵中的一台进行永磁调速改造，将电机基础向远离水泵方向延长500毫米，用于在水泵和电机之间安装永磁调速器。2、控制技术：恒压控制方式。在水泵出水端新安装一个压力传感器，压力传感器把水压数据传送给永磁调速器专用PLC单元，PLC把上述数据转换为控制永磁调速器调速的信号后传送给永磁调速器，从而实现恒压控制。永磁调速器的控制响应速度为10%每秒，能够满足工艺用水需求。3安全设计：首先，选取该泵组的主要原因是其改造后为开一备二，有非常充分的备份，比其它开一备一，开二备一泵组的冗余度高。其次，该泵组的空余空间比其它泵组大，有充分富裕的安装空间，对其它泵组的影响最小。再次，用于永磁调速器控制信号采样的压力传感器和PLC为新增设备，不与原设备共用，保证原监测系统不受新装设备影响。最后，为充分保证安全生产，还将专门制作一长轴，用于在永磁调速器未到货前或永磁调速器安装后发生意外故障时连接水泵和电机，充分保证设备冗余度，充分保证正常生产。长轴与水泵、电机采用对轮连接方式，方便泵站人员快速装卸。出于同样的设计思想，永磁调速器与水泵、电机也将采用对轮连接方式。四、进度与完成期限永磁调速技术开发项目，预计需要6个月时间完成，主要包括：1现场调研： 2008年6月2基本和详细设计审查： 2008年7月3设备采购： 2008年7月年10月4冷却装置现场安装、调试： 2008年10月5功能考核： 2008年10月12月6项目验收： 2009年1月。五、技术经济指标项目实施完毕后达到以下控制目标：1、实现恒压供水，总体功耗降低20%。2、检修周期延长至1年。3、杜绝该泵组设备事故。 六、项目资金预算及使用合理性永磁调速项目，总投资金额约47.3万元： 1、调速器设备费：38万元2、控制设备费：8万元含：PLC、压力传感器、变送器、软件开发、现场操作箱。3、控制回路材料费（控制电缆）：2万元4、施工费：1万元5、备用长轴：3000元七、效益分析 直接经济效益：4943201、 节能20%，则增加效益：94320元132KW 50%(利用率) 40%（电机憋泵能耗70%-空载能耗30%）=26.2KW26.2KW 24小时300天0.5元/KWh=94320元 节省检修费用20次2万=40万元2、间接效益该项目实施后，提高系统稳定性，降低对轧钢生产影响的影响。同时我厂有大批同类运行工况的泵组，为下一步的改造提高成功经验 。经验成熟后，可在更大功率机组使用，节能效果将非常显著。八、项目承担及协作单位项目的承担单位