電驅離心式機泵的新型調速方案探討

李春艷 張紅兵 王靜玲 李圣軍

1. 中國石油工程建設有限公司西南分公司, 四川 成都 610041;2. 國家石油天然氣管網集團有限公司, 北京 100101;3. 沈陽鼓風機集團透平機械股份有限公司, 遼寧 沈陽 110869

0 前言

大量電驅離心式機泵要在變工況狀態下長期穩定運行,必須通過調節轉速的方式使離心式機泵在整個轉速范圍內保持高效運行,因此提高軸系的傳動效率至關重要。目前調速方案多為機械調速方案或變頻調速方案,但存在效率不高或安裝環境要求較高、有一定電磁輻射等問題,如:液力耦合器是一種機械調速、液力傳動調速方案,可靠性高但熱損耗大;液力調速行星齒輪方案在液力耦合器基礎上減少了液力傳動量,將液力傳動損失盡可能降到最低,可靠性高但低轉速時的效率沒有得到太多改善;全容量變頻器是工程上較為常用的變頻調速方案(具體又可分為高速變頻調速電機直連和低速變頻調速電機配增速齒輪箱的調速方案),整體工作效率高,但電子元器件較多,需要獨立的恒溫恒濕安裝空間,占地較大，并有一定電磁輻射等問題[1-4]。因此,有必要探討新型調速方案。

本文基于液力耦合器方案、液力調速行星齒輪方案和高壓變頻系統方案常用調速方案的不足之處,介紹通過優勢互補方式形成的新型調速方案——機電一體化調速裝置，通過在電廠鍋爐給水泵、飛機發動機試驗臺等多領域的成功應用,比較得出其在優化系統構成、提升整體工作效率方面的優勢,對于后續油氣管道行業優化調速方案、實現節能降耗目的具有借鑒意義。

1 常見調速方案比較

電驅離心式機泵常見的機械調速方案有液力耦合器調速方案和液力調速行星齒輪調速方案;電氣調速方案有磁力耦合調速方案和高壓變頻系統調速方案。磁力耦合調速方案傳遞功率有限,本文不作過多介紹。3種常見調速方案的綜合比較(以進口方案、低速電機配齒輪箱的配置為例)[5-11]見表1。

表1 3種常用調速方案綜合比較表

由表1可見，傳統機械調速和電氣調速方案各有優缺點,為進一步優化大功率電驅離心式機泵類設備的調速性能,有必要研究一種新型調速方案——機電一體化調速裝置。它集成了機械調速和變頻調速的優點,實現了高效傳遞、高可靠性運行與低維護成本。

2 新型調速方案的結構和工作原理

機電一體化調速裝置主要由定速輸入軸(輸入太陽輪)、增速調速一體的行星齒輪及支架、變速輸出軸(輸出太陽輪)、疊加電機、變頻器、變壓器及控制單元等組成,主要用于驅動大功率離心式機泵。機電一體化調速裝置基于功率分流原理,保證大部分功率不參與調速而是直接剛性傳遞,調節功率由1臺或2臺低壓小功率變頻疊加電機實現。當機泵在較高轉速范圍工作時,疊加電機作為電動機向行星齒輪輸出功率;當機泵在較低轉速范圍工作時,疊加電機作為發電機,回收一部分能量,反饋給電網作為工廠用電。典型的機電一體化調速裝置構成見圖1[12-13]。

圖1 典型的機電一體化調速裝置構成示意圖Fig.1 Schematic of a typical speed mechatronics engineering system

3 新型調速方案的主要特點

3.1 工作模式

機電一體化調速裝置有發電機模式、0轉速模式和電動機模式3種工作模式,見圖2。

a)發電機模式a)Generator mode

設計時,將疊加電機轉速為0作為臨界點,此時壓縮機轉速通常為最高轉速的75%～80%左右。

發電機模式,即調速范圍在最低轉速與臨界點之間。此過程中主電機功率一部分通過主軸傳遞給被驅動設備,一部分傳遞給疊加電機,疊加電機反轉變成發電機,從而將部分功率轉換成電能,回饋到電網,供就近設備使用。

0轉速模式,即疊加電機轉速為0,行星齒輪轉速為0,行星齒輪不再變速,只有固定速比的增速功能。此時,被驅動設備在固定轉速下運行。

電動機模式,即調速范圍為臨界點與最高轉速之間。疊加電機與主電機一起傳遞功率后,疊加到被驅動設備。

3.2 啟動方式

電驅離心式機泵系統啟動時,先開啟調速裝置的疊加電機,機泵可以靜止不動;接著,機泵加速到最低轉速,待主電機旋轉到一定轉速時,再開啟主電機。這種啟動方式下啟動電流降低到額定電流的2～3倍左右,轉動慣量減小,主電機的啟動負載降低,可大大改善主電機的啟動性能。而如果直接啟動主電機,通常啟動電流是額定電流的5～6倍[14-15]。

機電一體化調速裝置相比主電機直接在線啟動的優勢有:軸系轉動慣量非常低,便于主電機/傳動系統啟動;啟動電流低,能降低主電機熱應力;降低電機啟動時的熱耗,提高了電機啟動效率;在大多數電力條件允許的情況下,不需要額外增加啟動裝置。

3.3 工作效率

調速裝置的整體工作效率要考慮到整體系統組成的功率損失,包括主電機、疊加電機、變頻器和齒輪組等。由于變頻器功率僅占總功率的20%,因變頻器產生的能耗大大降低。主電機的傳動為剛性傳遞,功率損耗低,因此最終疊加的效率較高。故機電一體化調速裝置的運營成本低、經濟性好,同時可間接減少場站的CO2排放。

機電一體化調速裝置的整體工作效率估算見圖3,實際工作效率與實際的運行工況點、工況點在調速范圍內的分布有關,各制造商齒輪組的結構設計不同,也會導致不同產品的總效率不同。

圖3 機電一體化調速裝置的整體工作效率估算圖Fig.3 The overall efficiency of the speed mechatronics engineering

此外,發電機模式時,疊加電機的損耗會更低,此時部分功率轉換成電能回饋給了電網。因此,在發電機模式時整體工作效率較其它調速方案的整體工作效率更高。

3.4 安全可靠性

機電一體化調速裝置主要設備是行星齒輪組[16-18],其可靠性好,在節能降耗的同時能夠大幅降低系統故障率,設備主體的使用壽命長達30 a。

機電一體化調速裝置的核心是使用四象限小功率變頻系統來驅動疊加電機,由疊加電機連接行星齒輪組的行星架來傳遞20%功率。得益于較小的傳遞功率和較低的電壓系統,配置的小功率變頻系統在技術成熟度方面顯著優于大功率高壓變頻系統,結構尺寸僅有大功率高壓變頻系統的1/5左右。系統簡化帶來故障點大幅減少,從設計源頭上大幅提高了可靠性。

機電一體化調速裝置的主要特點見表2。

表2 機電一體化調速裝置的主要特點表

4 與其它調速方案的對比案例

某200×104t/a汽油加氫裝置的調速方案采用了機電一體化調速裝置,其選型參數為額定功率6 359 kW,調速范圍7 555～12 205 r/min (65%～105%)內的效率在 91.5%以上,見表3。

表3 某200×104 t/a汽油加氫裝置機電一體化調速裝置選型參數表

效率是機電一體化調速裝置與其他調速方案(如液力調速行星齒輪方案)相比的核心優勢。與液力調速行星齒輪相比,效率曲線對比見圖4。

圖4 某200×104 t/a汽油加氫裝置機電一體化調速裝置與液力調速行星齒輪的調速范圍—效率對比圖Fig.4 Speed range-efficiency comparison between a mechatronicsengineering speed regulating device and a hydraulic planetarygear in a 200×104 t/a gasoline hydrogenation unit

因效率提高而節省的能耗比較見表4,整體調速范圍內機電一體化調速裝置每年可以減少CO2排放1 373 t,主要調速范圍內每年減少CO2排放 1 412 t。

表4 某200×104 t/a汽油加氫裝置在不同調速范圍下的經濟效益和減少的碳排放表

全容量變頻器調速方案通常不會提供各個工況點的選型參數,故沒有實際數據可參考。其與機電一體化調速裝置的區別主要在于變頻器的容量不同,100%容量比20%容量的能耗損失更大;且機電一體化調速裝置在發電機模式下可以反饋部分功率至電網,所以整體工作效率高于全容量變頻器調速方案的整體工作效率。此外,機電一體化調速裝置的低壓變頻器比高壓變頻器的穩定性更高,因此整體來看,機電一體化調速裝置較全容量變頻器調速方案性能更優。

5 實際應用情況

機電一體化調速裝置用于定轉速輸入、變轉速輸出的離心設備速度調節，可在很多場合得以應用,無論是新建設備,還是系統改造，無論是海上平臺、船舶,還是火電廠、煉油廠,化工廠、凈化廠,都有其適應的工況和系統。

5.1 電廠鍋爐給水泵的應用

圖5 SETCON在改造鍋爐給水泵裝置上的應用照片Fig.5 Application of SETCON in retrofit of boiler feed water pump

德國Voith公司為廣州南沙華潤電廠2×300 MW給水泵組調速節能改造項目提供了2套機電一體化行星調速裝置VECO-Drive,見圖6。這2套裝置替換了原有的液力調速裝置,對原有基礎做了改動。截至到2020年5月,2套VECO-Drive已累計安全運行超過5 000 h,主電機電流大幅低于改造前,調速系統的實測傳動效率高達97%以上。

圖6 VECO-Drive在改造鍋爐給水泵裝置上的應用照片Fig.6 Application of VECO-Drive in retrofit of boiler feed water pump

中船重工703所下屬哈爾濱廣翰傳動公司開發了廣瀚機電一體化調速裝置,該裝置采用了側向布置20%疊加電機的方案,通過中間傳動齒輪連接到行星支架上,再控制行星輪與太陽輪矢量疊加。

2021年8月,哈爾濱廣翰傳動公司研發的國產首臺套機電一體化調速裝置在塔山600 MW等級燃煤發電機組1B電動給水泵成功投用。以往600 MW等級燃煤發電機組1 B電動給水泵調速傳動使用的是液力耦合器,由于效率低、傳動不穩定而影響整體給水泵的綜合效率。該裝置實現了對液力耦合器設備的1∶1替換,即機電一體化調速裝置按原液力耦合器接口進行定制化設計,保證了新設備的軸向尺寸、接口與原液力耦合器完全一致,給水泵組中的主電機、前置泵等設備位置均無需變動。廣翰機電一體化調速裝置在改造鍋爐給水泵裝置上的應用見圖7。

圖7 廣翰機電一體化調速裝置在改造鍋爐給水泵裝置上的應用照片Fig.7 Application of Guanghan speed mechatronics engineeringregulating device in retrofit of boiler feed water pump

利用該裝置可實現機組全負荷工況下綜合調速傳動效率達91%以上,最高調速傳動效率可達96%以上,大大超越常規液力耦合器的調速傳動效率。

5.2 飛機發動機試驗臺上的應用

德國RENK公司為某飛機發動機試驗臺提供的機電一體化調速裝置Recovar見圖8,該裝置安裝在德國柏林,渦輪機軸功率97 MW,轉速8 625 r/min,調速范圍為額定轉速的70%～100%。自2017年投運以來已經運行了數千小時。

圖8 某飛機發動機試驗臺Recovar照片Fig.8 Photos of Recovar on an aircraft engine test bench

5.3 其它領域的應用

運用同樣的工作原理,德國RENK公司還開發了在石化聚烯烴的擠壓造粒機裝置[19]、水泥磨機和船舶驅動系統[20]里應用的機電一體化調速裝置,并已成功投用,見圖9～11。

圖9 擠壓造粒機SUPREX調速齒輪箱配置圖Fig.9 Configuration diagram of the SUPREX speed regulating gearbox of the extrusion granulator supreme

圖10 水泥磨機10 MW立式行星齒輪箱配置圖Fig.10 10 MW vertical planetary gearbox,integratedmotorand frequency conversion,used for cement mill

圖11 船用主發電機3.5 MW調速齒輪箱配置圖Fig.11 3.5 MW variable speed gearbox,marine main generator,power superposition

6 結論

機電一體化調速裝置這種新型調速方案在傳統變頻調速的基礎上引入了機械調速,即在主電機、變頻器的基礎上增加了疊加電機、行星齒輪組等主要部件,采用先啟動疊加電機再啟動主電機的方式,將啟動電流降低到額定電流的2～3倍左右，改善主電機的啟動性能;通過不同轉速下3種工作模式(發電機模式、0轉速模式和電動機模式)的轉變,極大地提高了系統效率、降低了能耗。

目前國內外均有廠家可提供機電一體化調速裝置,且該裝置已通過一定的工程實踐，其技術可靠性已基本得到驗證。因此，機電一體化調速裝置集成了機械調速方案和變頻調速方案的優點,實現了高效傳遞、高可靠性運行與低維護成本的目的。

在國家碳達峰、碳中和的總體要求下,各行業都在考慮減少碳排放措施,如有些行業在考慮用電機驅動替代汽輪機驅動、燃氣輪機驅動等。因此,對大功率電驅離心式機泵的改造勢在必行,這對系統優化提升、節能降耗等都將提出新的要求。

目前,國內外尚未有油氣管道工程采用機電一體化調速裝置作為電驅離心式機泵調速方案的先例,因此建議在對該新型調速方案進行更詳細的研究和分析論證的基礎上,合理選取電驅離心式機泵項目進行先期試點,進一步積累工程經驗,使機電一體化調速裝置能更好地適應管道工程變工況運行的特點,為油氣管道行業大型離心式機泵的調速方案提供更多選擇。