绕组式永磁调速系统在化学杂水泵改造中的运用
生产环节所采用的水泵往往需要配置调速装置，利用调速系统控制其在流量调整时的无功功率损耗，使水泵能够安全、高效、经济、节能运行。尤其是绕组式永磁调速系统，可调速范围广、控制灵敏、启动冲击电流小，运行可靠性系数明显高于常规调速系统，将其运用到化学杂水泵改造过程中，不仅可以提升系统的安全效益，还可以减少不必要的能耗损失，适用范围非常广泛。
1 项目概况
广东省粤电集团有限公司沙角c电厂化学预处理地下泵房内3台杂水泵，运行方式为二用一备，供给全厂杂用系统用水。原设计、安装的杂水泵为进口ksb单级单吸离心泵（型号：spk-gmf-100-315），介质为清水，流量258 m3/h、扬程130 m、转速2 940 r/min、轴功率150 kw。经过多年运行，现杂水泵改为国产石家庄盛博恒昌渣浆泵成套设备有限公司生产的lc100-315型水泵，卧式安装于预处理地下泵房，空间相对比较狭窄，水泵进口、出口管径为125/100 mm。水泵技术参数与原水泵基本一致。
随着时间的推移和技术的革新，原来的水泵直驱全速供水模式经济性越来越差，设备耗电功率居高不下，严重不符合国家实现碳达峰、碳中和的节能减排目标。为此，公司采用江苏磁谷科技股份有限公司生产的绕组式永磁调速系统对两台现有化学杂水泵进行节能改造。
2 改造方案
本次改造过程中主要采用双回路一用一备的绕组式永磁调速方式代替两台化学杂水泵直驱全速供水模式，将其与综合控制系统连接，根据流量、压力、温度等信号实现电磁传动调控，具体方案如下。
2.1 基本原理
永磁传动是绕组式永磁调速系统的基本原理，其主要在驱动电机、绕组式永磁调速器、变压器等基础上，通过电磁感应传递扭矩、控制转差[1]。该系统中一般包括一个绕组转子和一个永磁转子，运行时，绕组回路中有电流时可产生感应电磁场，与永磁转子的电磁场作用后，带动绕组转子及其负载旋转，传递扭矩，如图1所示。
绕组式永磁调速系统安全性及可靠性系数较高，通过永磁传动减少了元件磨损，可实现0%～99%范围内调速，响应范围广、速度快、冲击小[2]，在我国电厂化学杂水泵改造过程中具有非常广阔的应用前景，具体如表1所示。
尤其是在功率损耗方面，绕组式永磁调速系统中的转速可以根据系统需求实时调整。若绕组转子速度与电动机转速不同，此时两者之间会存在明显的转差功率，这类功率能够被回收再利用，减少了不必要的调速能耗，实用价值显著。
2.2 技术方案
针对广东省粤电集团有限公司沙角c电厂化学预处理地下泵房内杂水泵的使用情况，绕组式永磁调速技改时选用双回路一用一备自动调速方案，改造过程中主要在绕组式永磁调速原理基础上进行超广范围精准调速。其永磁耦合调速器由与驱动电机连接的永磁转子和与负载连接的绕组转子两部分组成，电阻柜、开关柜、控制柜等形成综合控制系统，进行流量、压力、温度等检测，并将其传输到绕组式永磁调速系统中进行pid精准调节，如图2所示。
上述改造环节，驱动电机、绕组式永磁调速器、负载水泵组成动力回路；电阻柜、综合控制柜、中央控制室dcs、高压开关柜组成控制回路。在动力回路中，驱动电机和负载水泵的轴系通过磁场连接，避免了物理上的直接接触，使得电机和水泵的振动不会引发强烈的共振，提升了广东省粤电集团有限公司沙角c电厂化学预处理地下泵房内杂水泵运行的安全性能和可靠系数。
正常运行时，驱动电机带动绕组式永磁调速器的内永磁转子旋转，产生的感应电流经综合控制柜进行整流、斩波控制调节电流大小，逆变回馈电流至电机开关柜。绕组式永磁调速器运行参数包括轴承温度、振动、绕组电流、绕组电压等，都经由信号线上传给控制柜内的plc和中央控制室的dcs，一旦检测到异常状态，控制柜将视故障的严重程度自动切换到电阻柜回路，并最终切换到工频全速运行或者停机，达到免于人员手动操作的目的。在故障消除之后，也可以自动复位并重启，从而提高了整个系统的自动化程度。
相比于原直驱全速运行的系统，绕组式永磁调速系统不但隔离了驱动电机与负载水泵，减少了振动带来的伤害，最主要的是还实现了无级调速的目的，高效率地实现了系统的速度调节，最大程度地节约了系统电能。
3 改造实施情况
2020年9月，公司采用江苏磁谷科技股份有限公司生产的绕组式永磁调速系统对两台化学杂水泵进行节能改造，拆除原直驱装置，在两台化学杂水泵外侧增加基础平台。同时，两端分别铺设dn25和dn100走线管，分别用于接入绕组式永磁调速器和驱动电机接线，其总体布置如图3所示。
上述过程中必须依照电厂安全指标做好基础平台及接地设置，必要时可在原泵站外侧设置隔离保护装置，确保绕组式永磁调速系统运行的安全性、可靠性和稳定性。平台施工完毕后，可将绕组式永磁调速器和380 v驱动电机分别固定在平台中，如图4所示。
电房内电阻柜通过下侧新增电缆线槽接入综合开关柜，施工方案如图5所示。
按照安全标准和技术规范，各装置依次安装、调试且试运行正常后，于2021年3月正式投入使用。
4 节能分析和运行情况
此次改造所采用的绕组式永磁调速器，由于可靠性高、效率高等特点，故障停产损失小，能耗费少，本改造项目驱动系统效率高达89%（按电动机的效率为91%，绕组式永磁调速器的效率为98%综合计算）。调速运行后系统功耗大幅降低，创造了非常可观的经济效益和社会效益，具体表现如下。
4.1 节能情况
2021年3月，采用江苏磁谷科技股份有限公司生产的绕组式永磁调速系统对化学杂水泵进行节能改造，改造前稳定记录48 h用能数据如表2所示。
改造后，绕组式永磁调速系统将转差功率回馈380 v电机供电端，稳定记录48 h工况和用能数据如表3所示。
经计算，在负载调速运行2 600 r/min时，绕组式永磁调速系统相对全速运行节电41.7%，每小时节电59.2 kw·h，按照每年运行7 200 h计算，年节电426 240 kw·h。
4.2 运行情况
在绕组永磁耦合调速系统中，驱动电机连接在调速器驱动轴承上，负载水泵连接在调速器负载轴承上，两者间没有直接接触，仅通过磁场连接，隔绝了各部件间的振动传递[3]。绕组式永磁调速系统改造完成投入运行接近4个月，系统运行状况稳定，温升、振动数据均远低于标准值，系统运行安全可靠。
绕组式永磁调速系统配备有独立的备用电阻调速系统，当调速系统控制器出故障时，可以自动切换到电阻柜上，并进一步进入工频运行状态；当故障消除时，又可以自动切换回无级调速电路，系统运行稳定可靠。
综上所述，本项目完成节能改造后，设备结构简单、易于维护，可提高化学杂水泵供水的灵活性，有效解决水压过高、水量过大、浪费电能的问题。同时，有效的振动隔离，可以延长电机、水泵轴承的维修周期。因此，系统改造的完成，可以实现高效节能、减少污染、清洁生产、降低成本的效果，产生显著的经济、社会、环境效益。
5 改造总结
随着广东省粤电集团有限公司沙角c电厂化学杂水泵系统节能改造的顺利完成，水泵运行状况得到了进一步优化，其原本振动偏大的问题得以解决。绕组式永磁调速系统的改造使用，进一步降低了沙角c电厂的用电率，减少了发电成本，为节能目标的实现做出了突出贡献。这次化学杂水泵绕组式永磁调速系统改造工作，从领导组织到专业技术、工程施工都配合紧密、进展有序，为今后的改造工作立下了一个标杆。
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4.2 运行情况
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