彭向伟1 罗玉涛²
（1.濮阳市卓奥石油科技有限公司 河南濮阳 457000；
2.华电重工股份有限公司 北京 100071）
摘要：自2007年开始，我国就成为了全球第二大能源生产国和消费国，2018年，能源生产量达37亿吨标准煤，能源消费总量46.2亿吨标准煤，其中非化石能源占比14.3%。我国能源利用的现状则是化石能源占主导，能源利用率低，资源浪费严重，环境污染严重，能源资源的匮乏和日益增长的消费已经严重影响到我国经济社会的可持续发展，近年来，国家越来越重视发展节能型经济，并大力发展可再生能源。传统净化水厂多通过调节清水泵数量和回流阀调节两种方式调节用水量和供水量的平衡，不论采用哪种调节方式，均会产生“盈余而亏不足”，导致部分水或电的损失，造成能源的浪费。本文通过对清水泵磁力调速节能改造技术的经济性进行分析，探讨节能新思路。
关键词：能源浪费；节能经济；清水泵磁力调速；技术改造；探讨
一、清水泵磁力调速节能改造必要性分析
某净化水厂每天水用量在13000m³∽30000m³，相当于需求流量在400m³/h ∽1400m³/h，设有6台离心水泵，单台清水泵可最大实现供水600m³/h。当用水量低于600m³/h，开启1台清水泵，通过回流阀回流盈余的供给水；当用水量高于600m³/h，需要开启多台清水泵，同样通过回流阀回流盈余的供给水。
图1.清水泵调节供水量示意图
采用调节清水泵数量和回流阀回流的调节方式实现供水量，会造成较大部分能源的浪费，达不到节能的目的，不能响应国家提倡的节能号召。通过改造实现清水供水量的自动调节功能，可以在上位机实时监控和调整所需流量，既可避免人工的准确性，又能降低操作人员的劳动量。
采用新型磁力调速技术，不但可以实现节能的目的，还能提高现场自动化水平；同时可以降低系统振动，减少系统机械部件磨损，延长设备使用寿命。
二、清水泵磁力调速节能改造技术方案
1、改造目标
1）通过调节清水泵转速，实现节能的目的。
2）通过增加PLC控制系统，关闭回流阀，实现用水量和供水量的自动调节。
3）将电机与水泵的连接由硬连接变为软连接，实现降低系统振动磨损，延长设备使用寿命。
2、改造内容
对清水泵进行磁力调速节能改造，包括以下改造内容：
1）将2台（或1台）清水泵与电机的联轴部分改为磁力联轴节，增添电动执行机构来调节主动导体转子和从动导磁转子的耦合面积，从而调节水泵转速。
2）通过采集管道压力信号，经PLC控制器，根据用水情况带动电动执行机构相应动作；同时压力、温度等信号上传至上位机，实现在线监测。
3、改造方案
对清水泵进行磁力调速节能技术改造主要分为两部分进行：现场磁力调速器装置安装调试和控制部分改造。
1）现场磁力调速装置安装调试
对净化水清水泵进行永磁调速器改造时，电机位置不变，在现有电机台板前方焊接小钢架，用以固定电动执行器支架，然后将永磁调速器加装到电机与水泵之间即可。整个改造过程如下。
（1）系统现状。如图2所示。
（2）将现有联轴器拆下，电机吊移基础。
（3）对电机台板进行改造：在现有台板前方焊接小钢架，用来安装执行器支架。如图3所示。
（4）将永磁调速器从动端安装到水泵轴上。如图4所示。
（5）将永磁调速器主动端安装到电机轴上。如图5所示。
（6）将电动机连同永磁调速器主动端吊装到改造后的电机台板上，调整好永磁调速器主动端与从动端之间的耦合间隙，固定电机。如图6所示。
（7）安装上执行器支架及电动执行器。如图7所示。
图2.
系统现状图 图3.焊接钢架示意图 图4.永磁调速器从动端安装示意图
图5.永磁调速器主动端安装示意图 图6.电机安装示意图 图7.电机安装示意图
至此，永磁调速器主体安装完成，为电动执行器接上电源线及信号线，整个净化水清水泵永磁调速器改造完成。
2）控制部分改造
（1）现用控制部分
目前清水泵系统是通过检测管道压力，依靠回流阀来调节多余的供水。当管道压力小于0.44MPa，操作人员根据用水情况，人工增加清水泵运行的数量；设计为管道压力等于或大于0.60MPa，回流阀自动开启。根据现场实际情况，当等于或大于0.60MPa，回流阀就会自动开启，多余的供水经回流管道回流至清水罐。
（2）改造后控制部分
改造后的控制系统所检测的信号远传至控制室的上位机，新增PLC做为核心控制设备，主控信号为压力信号，同时采集流量、温度信号为辅助信号。选取压力控制信号为0.45MPa，当管道压力小于0.45MPa，报警；PLC系统通过对采集到的信号分析，自动调节电动执行机构，从而调节水泵转速调节供水量，同时操作人员可根据实际用水情况，人工增加清水泵运行数量，达到所需供水要求；当管道压力大于0.60MPa，PLC系统通过对采集到的信号分析，自动调节电动执行机构，从而调节水泵转速调节供水量，既能满足现场供水要求，又不会有多余的供水回流至清水罐，实现了节能效果。控制系统改造后仍保留原有操作功能。原控制系统中的回流阀及回流管道可做备用。
磁力调速控制系统示意图如下：
图8：磁力调速控制系统示意图
三、清水泵磁力调速节能改造经济性分析
系统参数：电机额定功率：132kW；电机额定转速：1485r/min；电机额定电流：235.7A；
电机运行电流：200A；
负载类型：清水泵；负载额定功率：108.9kW；负载额定转速：1470r/min；负载额定流量：600m³/h；负载实际流量：450m³/h；负载实际压力：0.5Mpa；负载压力控制范围：0.44Mpa～0.65Mpa；
永磁调速器参数：调速范围：30%-97%；滑差：2%～4%；传递效率：96%-98%；气隙范围：3mm-5mm；耦合调节范围：0mm∽60mm；安装精度：≤0.5mm
环境要求：环境温度：-20℃∽+55℃；海拔高度：不限；平均相对湿度：不限；雷雨天气：不限；能够在有大量粉尘、易燃易爆的环境中使用。
一台清水泵运行情况
清水泵系统运行一台，以工频运行。管网压力超过0.6MPa时，通过溢流泄压，系统中实际压力为0.5Mpa，工艺目标压力为0.44Mpa～0.65Mpa。另外此工况下电机实际运行电流为200A。
改造前：
根据调查，清水泵运行时电机电流为200A，计算出改造前电机耗能：
改造后：
经过磁力调速改造，清水泵回流阀关闭。由于系统工艺对出水压力要求为0.44Mpa～0.60Mpa，也就是本水泵的供水压力在此范围内均满足系统要求，通过增加PLC控制系统，可以设定系统的压力目标值为0.45Mpa（水泵进口压力以清水塔最低水位9.9m估计），以此目标计算水泵永磁改造后的节能情况。
根据离心水泵的扬程相似定律，得：
改造前后水泵未发生变化，，，由此得出，
知，，，可得知
根据离心水泵功率相似定律，得：
改造前后水泵未改变，介质未变，故，，，。
所以
由此得知：
考虑到水泵效率，取0.75；则改造后电机耗能为
节约电功率为
节电率为：
以上是对单台清水泵运行节能空间进行的估算，考虑到磁力调速器效率以及其他部分的能耗估计，清水泵改造后节能空间预估20%。
两台清水泵运行情况
原则上当生产生活用水需求超过600m3/h，需开启两台改造水泵，组成供水并联系统。此时，开启改造的两台磁力调速泵，通过调节保持水泵出口压力匹配。
两台磁力调速水泵运行，根据调查，运行电流在200A。节能计算方面需考虑两台泵出后压力匹配细微差别所造成的能量损失，预估为2%。此时节能空间估计为
考虑到磁力调速器效率以及其他部分的能耗估计，两台清水泵改造后节能空间预估20%。
根据节能空间计算，改造后，单台清水泵可节约电能24.55kW，一年运行下来可节约215058kWh电能；按工业用电平均0.6元/千瓦时，一年可节约直接经济效益12.9万。两台泵一年可节约经济效益25.8万元。对两台清水泵进行磁力调速节能技术改造，共需投资56.94万元（见工程预算表），投资回收期期约26个约，年投资回报率45%。若按使用期20年计算，每年直接节约收益25.8万元，20年共516万元收益，投资回报率为906%。
四、结束语：
综上所述，磁力调速节能技术改造优势明显，通过改造清水泵预计可节能20%；将普通的机械联轴节改为磁力联轴节，很大程度的降低系统振动，减少系统部件的磨损，延长设备使用寿命；实现电机空载启动，避免电机带载启动产生的不良影响，保护电机，值得大力推广。
参考文献：
[1] 大连恒宝耦合器有限公司.磁力耦合器[DB/OL] [2011-05-11]http：//www.ciliouheqi.com/
[2] 大连恒宝耦合器有限公司.永磁磁力耦合器简介与应用领域简介[DB/OL] [2011-05-11]http：//www.ciliouheqi.com/date/20110511/d219lal
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[4] 刘有芳.永磁调速器在水泵系统中的应用及节能分析.德州职业技术学院（机械工程），2011（8）
论文作者:彭向伟1,罗玉涛²
论文发表刊物:《河南电力》2018年19期
论文发表时间:2019/4/15
标签：调速器论文; 永磁论文; 磁力论文; 节能论文; 清水泵论文; 水泵论文; 电机论文; 《河南电力》2018年19期论文;