第２６卷第６期 ２０１１年１１月 岳 阳 职 业 技 术 学 院 学 报 ＪｏＵＲＮＡＬ ０Ｆ ＹＵＥＹＡＮＧ ＶＯＣＡＴＩＯＮＡＬ １１已Ｃ洲ＩＣＡＬ ＣＯＵ正ＧＥ ｖｏ１．２６ Ｎｏ．６ ＮＯＶ．２０１１ 磁力耦合技术在原油长输机泵上的运用 陶 灿 王 全 （巴陵石化公司供销部， 湖南岳阳４１４０１４） 摘 要：本文针对原油长输系统流量调节过程中机泵能耗高的现状。在原油长输机泵上研究应用磁 力耦合技术，成功实施永磁调速驱动器技术改造，同时具备耦合驱动与调速功能，提高了原油输送系统整 体运行的安全性与效率，为该技术的推广应用、拓展节能创效的空间奠定了基础。 关键词：磁力耦合技术；原油长榆机泵；运用 中图分类号：ＴＥ ８３２ 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７２—７３８Ｘ（２０１ １）０６—００７６—０５ 据统计．电机系统用电量约占全国用电量的 ６０％，适合调速节能的电机设备又约占６０％。因此， 应用调速节能对耗电大的设备改造，降低企业用电 成本。可提高企业经营上的利润空间和市场竞争力。 大部分的设备尤其是一些中高压大功率设备，绝大 部分时间都不是满负荷运行，设备运行的自动化程 度较低。在这些设备和系统中，存在着相当大的容量 富裕和能量浪费。有很大空间进行节能调速改造。 ６０００吨，年耗电２７５万度，电费１４２万元，电耗高， 占整个码头能耗的近１／２（见表１）。长输机泵与长 输管线的安稳运行直接关系到原油的安全及时供 应。付油调节能力与机泵运行效率直接影响到原油 运作的效率与效益。 码头原油长输通常采用机泵一用两备或两用 一备。受原油到驳、装置生产的影响，原油长输流量 需要调节与优化。当需大流量输送时，使用Ｐ２—１０５ 原油泵，或Ｐ２—１０３与Ｐ２—１０４原油泵联运。需小流 １ 码头原油长输系统情况介绍 １．１ 原油输送系统情况简述 量输送时．单独采用Ｐ２—１０３或Ｐ２—１０４原油泵运 行。当仍需更低流量输送时，则采用控制泵出口阀 门或“开八停三”进行间断性输送。 巴陵石化分公司炼洫装置所需原油全部由供 销部码头站负责水运进厂，卸驳进罐后用大功率长 输泵输送至厂区，长输管线长约１８ｋｍ，年输送量 １８０万ｔ。输送系统主要由两台１万ｍ 原油罐、 ６台原油卸驳螺杆泵、３台原油长输离心泵、２台原 长输泵现实际运行参数受环境温度、原油油种、 油温、储罐液位等诸多因素的影响。气温低、油温 低、密度大、粘度大、液位低，机泵出口压力升高，流 量下降，机泵效率随之下降。同时，压力波动对机泵 与长输管线影响较大（见表２）。 油调和离心泵组成。其中，３台原油长输离心泵常 年连续运转，配６ｋＶ高压电机，平均日付油量达 表１ ３台原油长输离心泵技术参数明细表 收稿日期：２０ｌｌ一１１－０１ 作者简介：陶灿（１９７８一），女，湖南湘阴人，安全责任工程师。研究方向：热能动力工程。 第６期 陶灿王全：磁力耦合技术在原油长输机泵上的运用 ７７ 表２原油长输泵现运行参数明细表 大，造成流量或压力冲击，容易对管道、阀门造成损 坏。由于启动过程扭矩变化大，使得电机和泵的轴 承、密封承受很大的径向和轴向冲击，增加了轴承 和密封的磨损，使维修频度增加，维护成本提高。三 是系统安全稳定性差。当流量降低，阀位开度减小 时，机泵运转处于效率差磨损高的位置，调整阀前 １．２现有原油输送系统存在的问题 后压差增加，工作安全特性变坏，压力损失严重，系 统的安全稳定性差。同时，长期的部分阀门开度，加 １．２．１ ３台原油长输机泵常处于较低效率运行，泵 出Ｅｌ阀门开度很小．开大则电机将过流保护或者机 泵掉压。机泵处于低效区运行，电耗浪费严重。 １．２．２原油输送周转能力有限。在原油压驳期间， １３付油量６０００ｔ不能满足需要，常造成“等罐卸驳” 的情况，需要加大单台机泵付油能力。 １．２－３原油长输管线长约１８ｋｍ，管道经过开放区 域，穿越农田、公路、铁路及村户，一旦管线泄漏，后 果不堪设想。因此，需要将长输原油管道恒定在较 低压力范围内，降低管损，增强长输管线的安全稳 定性。目前装置还无法满足要求。 １．２．４ 电机采用全压启动．启动冲击对机械密封破 坏很大，每年需更换机封２Ｏ套左右，影响到原油连 续输送，同时加大了轴承、轴套、折流盘、平衡鼓等机 泵部件的磨损，增加了检修材料费用与劳动强度。 １．２．５ 因付油量受卸驳、炼油装置收油以及混输情 况需要经常调整，三台机泵切换频繁，加上冬季原油 泵过水也需要频繁启停，机泵及电机运行损耗较大。 ２机泵流量调节常用方法对比与分析 机泵流量调节常采用阀节流、液力驱动、变频 器、磁力耦合等方法。 阀节流系统采用阀门开度调节流量，属传统 的、习惯性的调节方式。也就是目前原油输送系统 利用的调节方式。存在３个方面的弊端：一是效率 低，资源浪费。由于设计上存在余量考虑，电机输出 都高于实际需要的３０％以上，流量余量在１０％以 上。为满足实际工况要求，在负载端采用阀门对流 量或压力进行调节。阀门调整流量或压力，动能转 化为势能，即无用功、出口压力高，管损严重，系统 效率低，能耗高。二是带载启动危害多。带载启动 时，启动电流超出额定工作电流的几倍甚至几十 倍，使得变压器、配电设备短期严重过载，电机在启 动过程中线圈严重发热，造成线圈提前老化，缩短 电机使用寿命。同时，在启动过程中机泵加速度很 速阀体自身磨损，导致阀门控制特性变差，系统设 备寿命缩短，维护量大。 液力驱动通常用于高功率高速系统，缓冲启 动，应用范围较广。但存在能源效率低、震动大、维 护要求高、受空间限制，易产生环境污染等问题。属 于低效调速方式，精度低、线性度差、响应慢、启动 电流大、调速范围有限，高速丢转约５％一１０％，低速 转差损耗大，最高可达额定功率的３０％以上。同时 装置外型大，不适合改造，容易漏液产生环境污染， 维护复杂，费用高，不能满足提高装置整体自动化 水平的需要。 变频调速是目前应用比较普遍和相对先进的 技术。其采用电力电子技术来实现对电机的速度进 行调节，可以有效根据实际工况来自动控制，实现 较高效率的节能效果。但是工作时产生谐波，电子 组件多且老化快，对环境要求高且高压环境下故障 率高，安全性差，需要专业人员维护，维护费用高， 设备使用年限短。例如，谐波会使电缆、电气元件过 热，使机械产生共振，并干扰仪表信号。采用变频器 之后会产生轴电压的问题，一般滚珠或滚柱轴承能 承受的轴电压是１００ｍＶ，轴瓦式轴承则是２００ｍＶ， 采用变频器之后会使轴电压升高到２０～２５Ｖ。这使 得滚珠或滚柱与轴承内环间产生“电弧焊”的效应 而损伤轴承内环，有时滚珠与滚柱也受损。变频器 的故障率随温度升高而成指数的上升，使用寿命随 温度升高而成指数的下降。环境温度升高１０℃，变 频器使用寿命减半。因此散热问题很重要。要将上 述所产生的热量带走，变频器必需的冷却系统所消 耗的电力约为被应用的设备所需消耗电力的约 ｌＯ％。也就是说，若是以功率２００ｋＷ运转，则所需 的空调耗能约２０ｋＷ左右。 磁力耦合（ＰＭＤ）技术是通过导磁体和永磁体 之间的气隙实现由电动机到负载的扭矩传输。该技 ７８ 岳 阳 职 业 技 术 学 院 学 报 第２６卷 术实现了电动机和负载侧没有机械联接。其工作原理是一端稀有金属氧化物硼铁钕永磁体和另一端感应 磁场相互作用产生扭矩，通过调节永磁体和导磁体之间的气隙就可以控制传递的扭矩，从而实现负载速度 调节。该驱动方式解决了旋转负载系统的对中、软启动、减振、调速、谐波干扰及过载保护等问题，并且使磁 力驱动的传动效率大大提高，可达到９８．５％。 磁力耦合器（以ＡＳＤ永磁调速驱动器为代表）与液力驱动器（ＨＣ）、变频器（ＶＦＤ）的综合比较，见表３。 表３ ＡＳＤ与各种调速装置综合对比表 从上述对比可看出，永磁调速驱动器的效率高、安全性强、适应性好的综合特点，根据码头生产实际， 适用于码头原油长输机泵，达到安全高效、节能创效的目的。 ３磁力耦合调速原理 ３．１ 磁力耦合技术的基本理论是愣次定律（Ｌｅｎｚ’Ｓ Ｌａｗ） 当磁铁棒Ｎ极接近导体板时．在导体上会产生一Ｎ极磁场来抵抗磁棒Ｎ极接近的．在导体板上之磁 场由一逆时针方向的感应电流（涡电流）所产生，此现象称为愣次定律。同理当磁铁棒Ｎ极平行于导体方向 板移动时，在导体板上会产生抵抗磁铁棒Ｎ极前进的磁场、在导体板上会产生两个磁场方向相反的磁场， 在磁铁棒Ｎ极前进的前方产生Ｎ极磁场抵抗磁铁棒前进，磁铁棒Ｎ极前进的后方产生Ｓ极磁场抵抗磁铁 棒前进。而且当磁铁棒愈靠近导体板时，导体板上抵抗磁铁棒相对运动的力量愈大。 第６期 陶灿王全：磁力耦合技术在原油长输机泵上的运用 ７９ ３．２磁力耦合工作原理 磁力耦合调速驱动是通过铜导体和永磁体之间的气隙实现由电机到负载的转矩传输。该技术实现 了在驱动（电动机）和被驱动（负载）侧没有机械链接。其工作原理是一端稀土氧化物永磁体和另一端感 应磁场相互作用产生转矩，通过调节永磁体和铜导体之间的气隙就可以控制传递的转矩，从而实现负载 速度调节。 磁力耦合调速驱动器主要由铜转子、永磁转子和控制器三部分组成。铜转子固定在电动机轴上，永磁 转子固定在负载转轴上，铜转子和永磁转子之间有间隙（称为气隙）。这样电动机和负载由原来的硬（机械） 连接转变为软（磁）连接，通过调节永磁体和铜导体之间的气隙就可实现负载轴上的输出转矩变化，从而实 现负载转速变化。通过调整气隙可以获得可调整的、可控制的、可以重复的负载转速。 ４磁力耦合技术在原油长输泵上的运用及经济效益分析 ２０１０年，供销部首次将磁力耦合技术应用于原油长输Ｐ一１０３机泵上。 ４．１工业试验情况 ２０１０年６月份，Ｐ２—１０３原油泵运行参数见表４。 表４改造前原油泵运行参数 ２０１０年８月１３日一９月１３日进行工业试验，Ｐ２—１０３原油泵共运行１５２小时，共输送原油２．４万ｔ。取 样记录运行参数见表５。 表５改造后原油泵运行参数 ４．２经济效益测算 ４．２．１节电率计算 ４．２．１．１改造前Ｐ２—１０３原油泵平均流量Ｑ为１ １８．２ｔ／ｈ，电机电流２８２Ａ，实际输出功率为： Ｐ＝、／丁ＵＩ ＣＯＳ＊＝Ｉ．７３２ｘ６（ｋＶ）ｘ２８．２（Ａ）ｘ０．９＝２６３．７５ｋＷ。 其中：Ｐ一电机输出功率ｋＷ；Ｕ一电压Ｖ；Ｉ一电流Ａ； ＣＯＳ‘Ｌ电机的平均功率因数，因安装补偿器，实际为９０％。 ８０ 岳 阳 职 业 技 术 学 院 学 报 第２６卷 输送每吨原油电耗为： 输送的蒸汽消耗。按全年接卸６００条驳，每驳缩短 加温时间０．５小时，蒸汽流量每小时４ｔ，码头蒸汽 Ｎ＝Ｐ ｌｈ／Ｑ＝２６３．７５ １／１１５＝２．２３ｌｋＷｈ ４．２．１．２改造后Ｐ２—１０３原油泵平均流量Ｑ 为 １６５．３ｔ／ｈ，电机电流２６Ａ，实际输出功率为： Ｐ１＝、／３ ＵＩＣＯＳ￣Ｉ．７３２×６（ｋＶ）×２６（Ａ）×０．９＝２４３ｋＷ； 输送每吨原油电耗为： 成本３５０元／ｔ计算，每年可节约蒸汽消耗： ６００＊０．５＊４＊３５０＝４２万元。 上述３项每年共计创效１２３万元。 ５ 结语 Ｎｔ＝Ｐ１＊ｌｈ／Ｑｌ＝２４３ １／１６５．３＝１．４７ｋＷｈ ４．２．１．３对比改造前后吨油电耗下降比率即节电率： （Ｎ－Ｎ１）／Ｎ＝（２．２３１—１．４７）／２．２３１＝３４．１ｌ％ 永磁耦合调速驱动技术在原油长输机泵上的 应用，不仅降低了机泵的电耗成本与维护成本，同 时还有效地增加了付油调节能力，缓解了原油运作 与到驳、中转罐存的矛盾，并有效保护了长输管线， 提高了原油输送系统整体运行的安全性与效率，提 高了综合效益。在原油长输系统中应用该技术具有 很大的参考意义，值得进一步在其他长输离心泵或 结论：当压力设定２．０Ｍｐａ时，付油流量平均达 １６５．３ｔ／ｈ，磁盘温度在６０％以内，平均转速为２５７７ｒ／ｍｉｎ， 节电率为３４．１ ｌ％。 ４．２．２经济效益计算 ４．２．２．１节电 大功率风机上推广应用，是节能增效、降低综合成 本的有效途径。 码头年输送原油１８０万ｔ，按Ｐ２—１０３原油泵输 送计算：改造前输送每吨原油电耗为２．２３ｌＫＷｈ，年 耗电２０８万元；改造后为１．４７ｋＷｈ，年耗电１３７万 元；节电创效：２０８—１３７＝７１万元。 ４．２．２．２降低设备维护成本 参考文献： 【１］赵克中．磁耦合传动装置的理论与设计［Ｍ】．北京：化学工业 出版社．２００９． 每年机泵维护成本降低５万元，平均每年降低 长输管线检测、维护费用５万元，合计ｌＯ万元。 ４．２．２．３降低蒸汽消耗 ［２］刘俊亭．磁力耦合式传动产生涡流热损耗输出功率的研究ｆＪ］． 石油和化工设备．２００５（６）：１２—１５． 【３】刘建瑞．化工泵磁力耦合传动的设计［Ｊ］．流体机械，２００１ （１２）：３６－３７． 【４】许永兴．一个基于场分析的永磁耦合系统的磁力计算方法［Ｊ］． 磁性材料及器件．１９９２（４）：１６—１９． ［５】郭永亮．达拉特电厂３３０ＭＷ机组低加疏水调速系统应用 研究［Ｄ］．保定：华北电力大学（河北），２０１０． ［６】郑李利，周建华．永磁圆盘形耦合电机设计分析［Ｊ］．微特电 机，２０１１（１）：１２—１５． 改造前，由于付油能力不足。常造成原油油驳 等待滞留，待卸原油的热损失增大，同时也造成原 油罐存时间延长，从而使卸驳加温时间延长，增加 蒸汽消耗。 改造后，由于付油能力提高，加快了原油油驳 周转，缩短了油驳待卸与罐存时间，减少了卸驳与 （责任编校：马余平） Ｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎ ｏｎ ｔｈｅ Ｕｓｅ ｏｆ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｃｏｕｐｌｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｎ Ｌｏｎｇ Ｄｉｓｔａｎｃｅ Ｏｉｌ Ｐｕｍｏ ＴＡ ０ Ｃａｎ ＷＡ ＮＧ Ｏｕａｎ （Ｓｕｐｐｌｙ ａｎｄ Ｍａｒｋｅｔｉｎｇ Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ，Ｂａｌｉｎｇ Ｐｅｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｏｍｐａｎｙ，Ｙｕｅｙａｎｇ，Ｈｕｎａｎ ４１４０１４） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏ ｔｈｅ ｓｉｔｕａｔｉｏｎ ｏｆ ｈｉｇｈ ｅｎｅｒｇｙ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ ｏｆ ｍａｃｈｉｎｅ ｐｕｍｐ ｉｎ ｔｈｅ ｆｌｏｗ ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｌｏｎｇ ｄｉｓｔａｎｃｅ ｏｉｌ ｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅ ａｒｔｉｃｌｅ ｒｅｓｅａｒｅｈｅｓ ｏｎ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｎ ｌｏｎｇ ｄｉｓｔａｎｃｅ ｏｉｌ ｐｕｍｐ ａｎｄ ｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｓ ｔｈｅ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｒｅｆｏｒｍ ｏｎ ｔｈｅ ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ｓｐｅｅｄ ｄｒｉｖｅｓ， ｗｈｉｃｈ ｍａｄｅ ｔｈｅ ｍａｃｈｉｎｅ ｐｕｍｐ ｈａｓ ｂｏｔｈ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｄｒｉｖｅ ａｎｄ ｓｐｅｅｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｆｕｎｃｔｉｏｎ．Ｔｈｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｃａｎ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｓａｆｅｔｙ ａｎｄ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｏｆ ｃｒｕｄｅ ｏｉｌ ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ，ａｎｄ ｌａｙ ｔｈｅ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｉｔｓ ｐｏｐｕｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ，ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｅｎｅｒｇｙ ｓａｖｉｎｇ ａｎｄ ｅｘｐａｎｄｉｎｇ ｓｐａｃｅ Ｋｅｙ ｗｏｒｄ：ｍａｇｎｅｔｉｃ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；ｌｏｎｇ ｄｉｓｔａｎｃｅ ｏｉｌ ｐｕｍｐ；ｕｔｉｌｉｚｅ