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主机降速运行,永磁调速节能技术带来新模式!

发布时间:2016-08-02


船舶主机冷却水泵节能,永磁调速技能技术

目前,国际航运市场低迷,受燃油价格、低航速经济性、碳排放等因素的影响,为了降低船舶运行总成本,许多在运船舶普遍采用主机(产品库 求购 供应)降速的运行方式,但主机降速运行,意味着主机冷却水泵冷却水需求量降低,势必对冷却水泵电机进行降速节能。而如何实现船舶主机冷却水泵的降速节能目标,是摆在各船东眼前的一道重要课题。

首先,让我们先来了解一下船舶主机的冷却水泵(离心式海水泵、淡水泵),船舶主机冷却水泵通常以电机作为原动机,它是船舶上耗能较多的设备。冷却水泵在工作中往往根据需要随时调节排量,

这就需要对冷却水泵的工况点进行调节。

一、船舶主机冷却水泵的工况点调节方式现状分析

1.旁通调节法

设置旁通管路与主管路并联工作,用改变旁通阀(产品库 求购 供应)门的开度来改变旁通管路的流量,以调节泵的主管路排量。

2.节流调节法

冷却水泵定速运行时,改变排出阀门的开度,以改变泵的工况点,实现调节泵的排量的目的。

3.变速调节法(变频调节较多)

采用可变速的原动机,改变泵的特性,实现排量和压头的调节,从而控制船舶主机冷却水泵的流量。

上述三种调节方法中,前两种方法有相当多的能量损失在旁通管路和排出阀开度减小后的节流损失上,其经济性较差。而变速调节法,不仅具有较宽的调节范围,同时节省了功率,使泵的运行效率保持很高。

二、变频调节技术在船舶主机冷却水泵节能调速中存在的问题分析

以第三种调节方法为例,结合目前各船舶主机冷却水泵原动机配置现状,已经加装了变频装置的主机冷却水泵,采用变频降频的方式降低主机冷却水泵驱动电机的运行转速,从而降低冷却水的需求量,但存在以下问题:

1.电磁谐波干扰大

变频器(产品库 求购 供应)在工作时往往产生很多的干扰电磁波,这些电磁波如果不采取适当的防范措施,将会影响仪表(产品库 求购 供应)和仪器的正常工作,而且对无线电通导设备的工作会有干扰。

2.环境温度和工作温度要求高

变频器内部的功率电力电子元件要求有合适的工作温度,一般要求为55℃ 以下,在变频器逆变电路中,如果温度超过了某一个限定的值的话,就会立即导致IGBT功率管的损坏,而且由于船舶环境复杂,湿气严重,潮湿闷热,水汽容易凝结,雷雨,粉尘,油污,金属碎屑等等的进入也会导致非绝缘型电路板的烧毁,虽然船舶用变频器相比较工业用变频器的防护等级有所提高,并且在电器元件涂特殊的漆,但仍然不能完全应对船舶对船用变频器的要求

3.振动与冲击对变频控制影响大

变频器控制柜如受到机械振动或冲击时,往往会引起电气接触不良,影响电路的正常工作,船舶常因风浪而受到振冲或冲击,所以船用变频器控制柜必须应有一定的机械强度。安装时要远离振动源和冲击源,还需应用抗震橡皮垫进行固定。

4.接地要求

变频器正确接地是提高系统灵敏度、抑制噪声的重要手段,变频器接地端子接地电阻越小越好,要求要与动力设备的接地点要分开,不能共地。输入信号线的屏蔽层应接至变频器接地端子E(G)上。

而未加装变频及其他调速装置的主机冷却水泵,由于主机降低运行速度,冷却水需求量降低,因为主机冷却水泵未加装任何调速装置,这就意味着冷却水泵会在满负荷情况下运行,这种工作状态存在严重的不节能,而且是目前大多数在运船舶面临的现实问题。

那我们不禁要问,有没有一种调速节能技术,既可以实现变频调速的所有功能,还没有这么严苛的环境、安装要求?

接下来,让我们一起再来了解一下永磁调速节能技术。

三、永磁调速节能技术分析

1.永磁调速技术概况

大部分离心式水泵、风机(产品库 求购 供应)的额定参数大于实际需求,而且水泵、风机常年处于恒速运行状态,通常都是以阀门或风门挡板调节所需流量与压力, 大量能量耗损于阀门或风门所增加的阻力上, 极不经济更不合乎国家节能检排的号召.

永磁驱动技术近年来国际上开发的一项突破性新技术,是专门针对风机、泵类离心负载调速节能的适用技术。是在永磁新材料技术、永磁传动技术、机械制造、设计水平飞速发展而来的新传动技术,它具有高效节能、高可靠性、无刚性连接传递扭矩、可在恶劣环境下应用、极大减少整体系统振动、减少系统维护和延长系统使用寿命等特点。尤其是其不产生高次谐波且低速下不造成电机发热的优良调速特性更使其成为风机及泵类设备节能技术改造的首选。

2.永磁调速系统构成与工作原理

永磁调速器是透过气隙传递转矩的革命性传动设备,电机与负载设备转轴之间无需机械连结, 电机旋转时带动导磁盘在装有强力稀土磁铁的磁盘所产生的强磁场中切割(产品库 求购 供应)磁力线,因而在导磁盘中产生涡电流,该涡电流在导磁盘上产生反感磁场,拉动导磁盘与磁盘的相对运动,从而实现了电机与负载之间的转矩传输。

永磁调速器由四个部件组成:

永磁转子:镶有永磁体(强力稀土磁铁)的铝盘,与负载轴连接

导磁转子:导磁体盘(铜或铝), 与电机轴连接

气隙执行机构:调整磁盘与导磁盘之间气隙的机构

转轴连接壳与紧缩盘:以专利紧缩盘装置与电机及负载轴连结

主机降速运行,永磁调速节能技术带来新模式!

永磁调速器结构图

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融德机电工程设备有限公司永磁调速器实物图

3.永磁调速与变频调速技术应用分析对比

a. 对船舶原电网影响

变频调速:变频调速是将输入电压通过变频器输入整流器变为高压直流电压,之后通过能改变频率的逆变器变换成频率可变的高压交流电来驱动电机运行的,是变频率的调速技术。因为变频器输入端直接连接到电网,对电网电压更为敏感,船舶航行电压变化、电流变化、雷击浪涌、海况复杂等,直接影响变频器电子设备的可靠性,容易造成变频器的绝缘击穿、控制器件的损坏等,因此其安全性最低,极大地降低了原系统的可靠性,为提高可靠性,还需要额外安装避雷装置。

永磁调速:永磁调速设备为精密的纯机械的设备,采用的负载滑差调速技术。无复杂调速控制设备及系统,不需要接入原船舶控制电网,因此对电网电压不敏感,且不影响船舶原电网系统的可靠性。

b. 对船舶主机冷却水原系统电机、安装方式的改造要求

变频调速:由于变频器的输出电压是由许多方波叠加而成的正弦波,存在着很大的谐波分量,高次谐波电流很大,容易导致电机过热(因为趋肤效应),因此严格说来,电机应该使用绝缘等级为H级的变频电机,才能保证原有电机的设计寿命,一般现有改造忽略了变频器对电机寿命的影响而直接采用现有电机,是非常不合理的。如果船舶主机冷却水原驱动电机尚未采用变频电机,则需要额外采购变频电机。

永磁调速:因为该设备由船舶原冷却水泵主电机驱动,对冷却水泵驱动电机无特殊要求。安装方式灵活,可立式、卧式安装。

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立式安装方式

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卧式安装方式

c. 对船舶环境要求

变频调速:变频器为复杂的电力电子装置,其控制回路采用可控硅或IGBT实现电流调节,半导体元件通常要求在0~55℃环境下工作,同时对环境湿度也有要求,一般为相对湿度60~90%,因此,必须为调速设备提供专用房间并安装空调(产品库 求购 供应)。

永磁调速:永磁调速装置为精密的纯机械装置,允许在-50~+100℃环境下工作,甚至可以在0~100%相对湿度环境下工作,一般不需要提供任何环境条件。

d. 对电机启动影响

变频调速:变频器可以从0转速启动,但启动过程中负载一直加载,启动时间很长,启动过程中电机处于低转速状态,电机发热厉害,但启动电流较小、管路压力平稳增加,不会造成管路压力突变。

永磁调速:电机启动时,负载可以完全断开,实现零负载启动,当电机转速很快达到全速时,负载平滑启动,启动时间短,电流冲击小且管路压力平稳增加,不会造成管路压力突变。

e. 电力谐波和功率因素的影响

变频调速:变频器直接串联在船舶电网侧与电机之间,且通过整流方式输入,因此在电网中产生很高的、频率范围很广的谐波电流,通常由变频器产生的总谐波电流要超过60%以上;由于谐波电流,经常使得功率因素补偿电容烧毁,熔断器熔断、空气开关跳闸、线路过载。为了防止上述故障,通常需要投资很昂贵的谐波治理设备。

永磁调速:因与电网无关,因此不会产生谐波。

f. 调速的可靠性

变频调速:变频器是由整流滤波电路+变频逆变电路+复杂的控制电子电路组成,特别是其主电路,为了使用低压高频功率器件,不得不采取多级串联变换的功率电路,电路元件数量在数千只,因此其可靠性最低,通常MTBF在10年以下。

永磁调速:永磁调速装置由三个部件组成,铜盘+永铁盘+间隙调节伺服机构,结构十分简单,因此可靠性十分高,一般MTBF可以超过10年。

g. 船舶航行振动对系统故障率的影响

变频器:船舶航行海况瞬息万变,由于变频调速技术没有改变原有风机水泵系统的机械连接方式(刚性直连),船舶航行途中系统的震动、形变、冲击和噪音完全取决于电机与风机或水泵的机械安装精度,也就是轴对准精度,这对安装精度提出了很大的要求。

永磁调速:采用了气隙传递扭矩的方式,冷却水泵和驱动电机无刚性联轴,系统的震动、冲击和噪音相互传递的可能性大大降低,而与安装精度关系很小,在极限情况下,可以降低振动80%;从而极大地减少了机械能耗和磨损,轴对准精度的误差允差很大,安装和维护十分方便快捷。

h. 后期维护维修工作量及难度

变频器:如上述原因,变频调速系统的可靠性相对低且极易受多变的海上工况环境的影响,故障率很高,又因为其技术复杂,故障诊断难度大,维护技术要求高,因此维护时间及MTTR大大增加,维护维修费用高昂,加之还需要原厂技术人员的协助,更使得系统的可用性降低。

永磁调速:纯机械设备,可靠性高,几乎不受船舶海上环境及主机工况的影响,且能极大降低振动,因此故障几率很低,且因技术简单,容易诊断故障,维护技术要求低,因此维护时间很短及MTTR很低,系统的可用性很高。

综上,在船舶主机降速运行的大背景下,节约能源对整个航运业的可持续、健康发展意义重大,结合船舶主机冷却水泵节能改造的实际情况和现实需求,通过对变频调节技术在船舶主机冷却水泵上的应用分析,说明了永磁调速技术在船舶主机冷却水泵的节能改造中具有巨大的优势,我们相信,随着永磁调速技术在煤炭、电力、石油、化工、冶金、船舶等行业的不断应用和技术积累,这一新的节能技术,势必为船舶主机冷却水泵的节能改造带来一种高效、环保、可靠的新模式!

附:永磁调速器在各行业的应用(供参考)

永磁调速技术在船舶等行业的应用

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