肖玉华

（中海油能源发展采油服务公司 天津 300452）

引言

为实现节能减排、国家重点节能技术的推广及现场安全生产的需要，开展海上设备的技术革新研究，对泵的传动部分进行革新，解决海上旋转机械的意外停机、振动发热过大造成的设备故障损坏，以及减少轴承、密封、联轴器等零部件因磨损而频繁更换带来的额外工作强度。降低旋转负载系统在安装中对中、启动困难、减振、调节速度以及过载保护等技术问题，现在调速解决方案有永磁磁力耦合、变频器、液力耦合等技术。永磁耦合驱动的传动效率可达到98.5%以上，该技术现已在我国多行业获得了应用。

1 永磁磁力耦合器原理

PMD是永磁磁力耦合调速器的简称，调速器的驱动是通过铜导体和永磁体之间的气隙实现由电动机到负载的扭矩的输送。该技术实现了在电动机和被负载之间没有常规的机械连接。其原理是一边用永磁体和另一端用导电感应磁场相互作用产生转矩，通过调节永磁体和导体之间的间隙用以控制传递的转矩，从而实现另一端负载速度调节。

PMD主要由三部分组成，一是导体转子由铜板组成、二是永磁转子以及可以调节两部分距离的控制器。导体转子固定在电动机轴上，另一个永磁转子固定在负载的转轴上，导体转子和永磁转子之间有间隙（称为间隙）。两个转子互不接触使电动机和负载由原来的硬（机械）连接转变为软（磁）连接，通过调节永磁体和导体之间的距离即实现负载与电机之间的扭矩转化，从而实现负载转速变化。通过调整距离可以获得可持续调整的、可控制的、重复性很强的的负载。

因为这种扭矩输出是通过磁体和导体之间的相对运动产生。PMD的输出转速始终都比电机的转速小，实际应用中，在电动机满负荷运行时，耦合器的转速小于电机的转速1%～4%之间，我们称之为滑差。

靠磁力传动联轴器的结构有两种:平行非接触式磁传动联轴器和同轴非接触式磁传动联轴器。磁体以轴向布置磁体,耦合磁极成轴向配置的叫平行非接触式磁传动联轴器。磁体以径向布置磁体,耦合磁极成径向配置的叫同轴非接触式磁传动联轴器,见图1、图2所示。

永磁磁力耦合联轴器调速的特点：

（1）与变频器调速的方式相比成本较低。

（2）因没有直接接触的物体，磨损小所以维护工作量小，几乎为免维护产品，维护费用极低。

（3）在实际安装中较硬连接的联轴器可以容忍较大的安装对中误差，大大简化了安装调试过程及难度。

（4）具有过载保护功能，消除了系统因过载而导致的设备损坏及故障的现象，提高了电机驱动系统的可靠性。

（5）除控制器的支撑轴承外其他部件的理论设计寿命可达到30年，可靠性非常高。

图1 平行非接触式磁传动联轴器

图2 同轴非接触式磁传动联轴器

（6）控制扭矩输出可以调节两个磁力板之间的间隙，利用反馈控制可以达到高精度的过程控制。

（7）因传动靠磁力所以启动时只有速度变大后驱动力才能达到预定的效果，所以具有带缓冲的软启动/软制动（刹车）。

（8）具有较强的节能效果，理论上可以达到20%--45%左右。

（9）由于电机和泵之间无接触，不会产生振动干扰，其减震效果较硬连接联轴器的好。

（10）磁耦合联轴器结构简单，能适应各种恶劣环境，不产生污染物，对环境友好，不像变频器会产生谐波。

PMD控制器有两种控制方式，永磁调速器可分为手动调速型和电控调速型。手动调速型永磁调速器的磁场调节机构为机械式，电控调速型永磁调速器的磁场调节机构含有电子操控的控制单元。

电控调速型永磁调速器自反馈控制通过处理各种信号实现对负载进行调速，包括流量、位移、压力、传动速度等其它过程控制信号。对现有设备进行改造时非常方便，不需要对现有电动机和供电电源进行任何改动，只需购买永磁调速其及少量的改造工程。安装PMD以后，整个系统不产生谐波干扰。在通常情况下，如果关闭或者拆除现有的过程控制硬件设备。负载都可以在最优化的速度范围内运行，增加电机的效率，从而减少运行维护成本。

2 永磁无损耦合调速驱动关键技术在海上设施的应用

中海油海上设施的各种离心泵大部分采油硬链接的联轴器，传统的扭矩传递方式是将主动轴和从动轴互相连接起来，使两根轴一同旋转，常规联轴器如图3所示。

图3 海上设施常规联轴器

海上设施面临的一些问题该技术在理论上都能有解决的方案，主要需要解决的问题如下：

（1）解决常规联轴器安装复杂，运行中对中误差变化，振动变大。

永磁耦合器的容差大，输入转矩与输出转矩比较接近（滑差在1%～4%之间），所以电动机满足负载所需要的转矩即可。PMD传输能量和控制速度的能力受电动机轴和负载轴之间由于安装对中而产生的角度或偏移的影响较小。未很好的对中而产生的震动不会相互干扰，电机和负载没有机械连接，电动机的震动不会引起或影响负载震动，使整个系统的震动问题得到有效控制及减小。

在旋转机械的故障中，超过50%是由不对中所引起的。不对中会导致：机器意外停机，或振动过大，或轴承、密封、联轴器和皮带等零部件因相互干扰和影响发生磨损而频繁更换。

常规联轴器：开口容差：0.05mm/100mm永磁耦合器的容差：错位容差：1～2mm开口容差：0.5～1mm/100mm

错位容差0.05mm

相对常规联轴器其容差度提高非常大，给中海油多数的舱底穿墙泵轴的改造和新建项目带来了极大的优势，中海油有一半的FPSO在设计时将具有危险油气液体的输送泵设置成泵舱和机舱两部分（见图4、图5），电机驱动端放置在安全区域的机舱，泵体放置在危险区域的泵舱，机舱和泵舱之间用穿墙轴承连接并隔离，由于加长了驱动轴并安装两个不同的舱室，且泵与电机的底座不是同体加固，及其容易造成安装阶段的对中不佳，或在使用过程中船体及底座变形使泵与电机的运转状况变得恶劣，引起泵轴不同心而发生各种故障。

图4 舱底泵穿墙示意图

图5 穿墙密封及轴承安装偏差示意

（2）解决大功率电机起动时对平台电网的冲击。

电机系统的启动问题一直是困惑用户的问题，尤其大功率是大功率（大于300KW的电机），在渤海海域的平台上最大的电机达到1600KW之巨，在中海油的海上设施的配电系统容量有限其影响更大，因为大功率电机在启动时，基本上可以看作是满负荷启动，电机在启动瞬间，启动电流超出电机正常额定工作电流的十几～几十倍，使得本身海上配置的变压器、配电设备短期严重过载，造成电压跌落(“黑电”现象)甚至启动失败，严重时还可能烧毁电机。大功率电机启动过程短的持续几秒，长的达到几十秒，电机线圈严重发热，长期如此势必造成电机线圈提前老化，缩短电机使用寿命。使用永磁耦合器在启动时将负载与电机脱离，电机空载启动，正常运转后联轴器自动耦合将转速适应负载的需要，从而减少对电网的冲击。

（3）谐波增加对发电机效率的影响。

中海油海上平台通常电网的容量较小，无功功率的增加会增加海上发电机组的发电功率满足不了日常需求，就要启动备用发电机组满足正常的生产之需，而变频器的广泛应用是增加谐波的重要因素，电气设备对电网造成的总谐波电压超过5%，需要加装高成本的有源谐波滤波器，从而增加用电设备的成本，在平台建造投入的成本也会增加。

电动机负载是由线圈组成的感性负载，而永磁调速器为机械式调速装置，与交流电的性能无关，在永磁调速器调速过程中不会造成电流谐波，电机的功率因素取决于电机，这种功率因素问题仅利用配电系统中的电容补偿柜就可以实现。

（4）海上恶劣的条件对调速器可靠性的影响。

永磁调速器主要由铜盘和永磁盘两部分元件构成，永磁材料在恶劣的环境温度下可以保持强磁场特性，地球上的极限环境温度在±100℃范围内波动，永磁调速器可以在这种环境温度范围内正常工作。而像变频器一类的电子装备，为了降低设备故障率，必须保证温度和湿度恒定在某个范围，需要专门房间房间来安置，达到防爆、防静电、恒温等条件，增加了使用、维护等成本，增加了电能消耗、谐波等不利因素。

永磁调速器是机械式的、无摩擦传递扭矩的装置，除执行机构使用较弱的控制电能在危险场合需要采用防爆结构外，主功率部分是不会产生火花及静电，因而在易燃易爆环境下使用较为安全。适合于油田、油轮、煤矿、化工、矿井、高浓度粉尘工厂等。

由于永磁调速器为机械式调速装置，几乎与电力无关，当电压波动、电力谐波、闪变、跌落、短时间断电、浪涌、雷击等，这些因素对类似变频器的调速装置往往是致命的。采用永磁调速器不会因为电网质量造成设备设施的损坏。因此，无论电机系统的电压等级及工作频率为多少，采用永磁调速器进行调速是非常适宜的。永磁调速器对电机转速的要求比较敏感，一般在相同功率下，电机转速越低，永磁调速器尺寸相对会增加。

（5）节能降耗的要求。

在设备的安装和设计过程中，离心设备及均存在一定的设计余量，而且三相异步电动机相对于离心设备需求的功率也存在一定的设计余量，也就是对于现有的这些离心设备来说，即使全部设备都满负荷运行，这些三相异步电动机也不用达到额定功率运行就能达到足够的供给，需要通过进出口的阀门来调节流量，通过阀门来调节流量存在能耗高的的问题，这就需要通过一定的方式进行节能改造。新型永磁传动技术的出现，改变了传统的电机与设备之间的连结和调速的认识。永磁技术采用磁力非接触传递扭矩，通过调节永磁场在导体转子中的啮合面积来实现转矩及转速的变化，对负载进行无极调速，并使设备运转稳定，极大降低设备故障率。

电机系统的故障主要原因是振动，振动会导致轴承、油封等的加速磨损，也会导致基座、管道接头、紧固件等松动或断裂或破损，振动还会导致产生强烈的噪声，在能耗与故障降低维修成本降低的双效应的共同作用下其节能降耗的效果更加明显。

3 海洋石油对永磁调速的需求分析

中海油在永磁调速器上应用不足的原因有以下几点：

（1）海上油田的电力来源主要是通过自身的发电系统获得，主要的能源来自天然气或者原油，少部分使用柴油，其发电的成本较小，所以对节能的要求相对较小。

（2）海上油田使用的电机功率普遍比较小，采用普通的降压启动能满足实际的需要，功率较大的采用变频器启动能满足要求。

（3）使用永磁调速器需要在建造的初期对整个平台的设计要有一个统筹的考虑，一般永磁调速器的安装空间会占整个泵的1/3～1/2左右，对整个布置会产生影响。

（4）现在正在使用的平台或FPSO在原始设计中未考虑以后的改造需求，泵的空间满足不了改造的要求，天津分公司某平台的一台1600KW的外输泵安装永磁调速器需要将泵或电机外移1.8米的距离，因没有足够的空间而放弃改造至今未能满足使用要求。

（5）海上装置的泵在设计时对结构进行了加强设计，如果进行改造对结构的受力发生改变，需要对结构加强重新设计审核，也是制约改造的因素。

总之，海洋石油海上平台在今后的设计中加入永磁调速器的使用，可以将部分的压力、流量等工艺参数的控制利用永磁调速装置实现，将这些控制纳入DCS系统将可以减少现场控制阀的使用，为减小海上装置的建造成本也是一项不错的选择，特别是陆地处理厂使的是陆地电网的电力，节能的需求对处理厂是比较现实的，应该加以推广。

4 几种常见调速技术比较

海上平台进行生产参数（压力、流量）进行控制的装置主要是调节阀和变频器，他们与、变频调速、永磁调速通过比较，有如下结论：

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结语

通过以上分析永磁调速在传递效率、振动防止、环境条件的适应性、海上电网的谐波控制等方面的优势是显现的，尤在泵组的安装、调试、检修方面，要比其他方式（变频器、液力耦合器）简单、方便，相对于变频器在使用寿命、运行环境适应性、泵组减震降噪、软启动、过载保护、对电网谐波影响等方面的性能，都要有显著的优势；经济方面，永磁设备现阶段都依赖于进口，设备价格昂贵，工程初期投资要高于进口变频设备，如果考虑到设备寿命，永磁调速的初期投资比变频调速的投资低，并且运行成本比变频节省，致力于该产品开发的许多国内的研究机构在进口产品的基础上进行了许多优化和改善，使我国的产品研发和技术引进有了飞速的发展，他们将进口设备的缺陷进行充分的研究并进行开发和创新，已经有了属于自主产权的技术创新产品，在体积上也有很大缩减，其价格也比进口产品低很多，所以总体来讲，永磁调速相比于进口变频调速装置要更经济。

总之，永磁调速是一种技术先进的新型节能调节技术，为电动机的调速节能提供了一种新的选择。目前，该技术在国内应用时间还比较短，随着产品的应用，运行可靠性得到充分证明后，将会有广阔的应用前景。

[1]李东永磁调速技术在电厂锅炉风机中应用能源研究与利用 2013（2）.

[2]赵永恒永磁调速器在石化行业离心式风机中的应用 橡塑技术与装备 2014（10）.

[3]李俊杰永磁调速器在电场中的应用与分析科技传播2013（1）.

[4]吴顺根.永磁调速装置的节能性能试验 上海电力学院学报 2009，25（3）.

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