船舶主機降速運行，永磁調速節能技術為船舶主機冷卻水泵節能帶來新模式！

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目前，國際航運市場低迷，受燃油價格、低航速經濟性、碳排放等因素的影響，為了降低船舶運行總成本，許多在運船舶普遍採用主機降速的運行方式，但主機降速運行，意味著主機冷卻水泵冷卻水需求量降低，勢必對冷卻水泵電機進行降速節能。而如何實現船舶主機冷卻水泵的降速節能目標，是擺在各船東眼前的一道重要課題。

首先，讓我們先來了解一下船舶主機的冷卻水泵（離心式海水泵、淡水泵），船舶主機冷卻水泵通常以電機作為原動機，它是船舶上耗能較多的設備。冷卻水泵在工作中往往根據需要隨時調節排量，

這就需要對冷卻水泵的工況點進行調節。

一、船舶主機冷卻水泵的工況點調節方式現狀分析

1.旁通調節法

設置旁通管路與主管路並聯工作，用改變旁通閥門的開度來改變旁通管路的流量，以調節泵的主管路排量。

2.節流調節法

冷卻水泵定速運行時，改變排出閥門的開度，以改變泵的工況點，實現調節泵的排量的目的。

3.變速調節法（變頻調節較多）

採用可變速的原動機，改變泵的特性，實現排量和壓頭的調節，從而控制船舶主機冷卻水泵的流量。

上述三種調節方法中，前兩種方法有相當多的能量損失在旁通管路和排出閥開度減小後的節流損失上，其經濟性較差。而變速調節法，不僅具有較寬的調節範圍，同時節省了功率，使泵的運行效率保持很高。

二、變頻調節技術在船舶主機冷卻水泵節能調速中存在的問題分析

以第三種調節方法為例，結合目前各船舶主機冷卻水泵原動機配置現狀，已經加裝了變頻裝置的主機冷卻水泵，採用變頻降頻的方式降低主機冷卻水泵驅動電機的運行轉速，從而降低冷卻水的需求量，但存在以下問題：

1.電磁諧波干擾大

變頻器在工作時往往產生很多的干擾電磁波，這些電磁波如果不採取適當的防範措施，將會影響儀錶和儀器的正常工作，而且對無線電通導設備的工作會有干擾。

2.環境溫度和工作溫度要求高

變頻器內部的功率電力電子元件要求有合適的工作溫度，一般要求為55℃ 以下，在變頻器逆變電路中，如果溫度超過了某一個限定的值的話，就會立即導致IGBT功率管的損壞，而且由於船舶環境複雜，濕氣嚴重，潮濕悶熱，水汽容易凝結，雷雨，粉塵，油污，金屬碎屑等等的進入也會導致非絕緣型電路板的燒毀，雖然船舶用變頻器相比較工業用變頻器的防護等級有所提高，並且在電器元件塗特殊的漆，但仍然不能完全應對船舶對船用變頻器的要求

3.振動與衝擊對變頻控制影響大

變頻器控制櫃如受到機械振動或衝擊時，往往會引起電氣接觸不良，影響電路的正常工作，船舶常因風浪而受到振沖或衝擊，所以船用變頻器控制櫃必須應有一定的機械強度。安裝時要遠離振動源和衝擊源，還需應用抗震橡皮墊進行固定。

4.接地要求

變頻器正確接地是提高系統靈敏度、抑制雜訊的重要手段，變頻器接地端子接地電阻越小越好，要求要與動力設備的接地點要分開，不能共地。輸入信號線的屏蔽層應接至變頻器接地端子E(G)上。

而未加裝變頻及其他調速裝置的主機冷卻水泵，由於主機降低運行速度，冷卻水需求量降低，因為主機冷卻水泵未加裝任何調速裝置，這就意味著冷卻水泵會在滿負荷情況下運行，這種工作狀態存在嚴重的不節能，而且是目前大多數在運船舶面臨的現實問題

那我們不禁要問，有沒有一種調速節能技術，既可以實現變頻調速的所有功能，還沒有這麼嚴苛的環境、安裝要求？

接下來，讓我們一起再來了解一下永磁調速節能技術。

三、永磁調速節能技術分析

1.永磁調速技術概況

大部分離心式水泵、風機的額定參數大於實際需求，而且水泵、風機常年處於恆速運行狀態，通常都是以閥門或風門擋板調節所需流量與壓力, 大量能量耗損於閥門或風門所增加的阻力上, 極不經濟更不合乎國家節能檢排的號召.

永磁驅動技術近年來國際上開發的一項突破性新技術，是專門針對風機、泵類離心負載調速節能的適用技術。是在永磁新材料技術、永磁傳動技術、機械製造、設計水平飛速發展而來的新傳動技術，它具有高效節能、高可靠性、無剛性連接傳遞扭矩、可在惡劣環境下應用、極大減少整體系統振動、減少系統維護和延長系統使用壽命等特點。尤其是其不產生高次諧波且低速下不造成電機發熱的優良調速特性更使其成為風機及泵類設備節能技術改造的首選。

2.永磁調速系統構成與工作原理

永磁調速器是透過氣隙傳遞轉矩的革命性傳動設備,電機與負載設備轉軸之間無需機械連結, 電機旋轉時帶動導磁碟在裝有強力稀土磁鐵的磁碟所產生的強磁場中切割磁力線，因而在導磁碟中產生渦電流,該渦電流在導磁碟上產生反感磁場，拉動導磁碟與磁碟的相對運動，從而實現了電機與負載之間的轉矩傳輸。

永磁調速器由四個部件組成：

永磁轉子:鑲有永磁體(強力稀土磁鐵)的鋁盤,與負載軸連接

導磁轉子:導磁體盤(銅或鋁), 與電機軸連接

氣隙執行機構:調整磁碟與導磁碟之間氣隙的機構

轉軸連接殼與緊縮盤:以專利緊縮盤裝置與電機及負載軸連結

永磁調速器結構圖

永磁調速器實物圖

3.永磁調速與變頻調速技術應用分析對比

a. 對船舶原電網影響

變頻調速：變頻調速是將輸入電壓通過變頻器輸入整流器變為高壓直流電壓，之後通過能改變頻率的逆變器變換成頻率可變的高壓交流電來驅動電機運行的，是變頻率的調速技術。因為變頻器輸入端直接連接到電網，對電網電壓更為敏感，船舶航行電壓變化、電流變化、雷擊浪涌、海況複雜等，直接影響變頻器電子設備的可靠性，容易造成變頻器的絕緣擊穿、控制器件的損壞等，因此其安全性最低，極大地降低了原系統的可靠性，為提高可靠性，還需要額外安裝避雷裝置。

永磁調速：永磁調速設備為精密的純機械的設備，採用的負載滑差調速技術。無複雜調速控制設備及系統，不需要接入原船舶控制電網，因此對電網電壓不敏感，且不影響船舶原電網系統的可靠性。

b. 對船舶主機冷卻水原系統電機、安裝方式的改造要求

變頻調速：由於變頻器的輸出電壓是由許多方波疊加而成的正弦波，存在著很大的諧波分量，高次諧波電流很大，容易導致電機過熱(因為趨膚效應)，因此嚴格說來，電機應該使用絕緣等級為H級的變頻電機，才能保證原有電機的設計壽命，一般現有改造忽略了變頻器對電機壽命的影響而直接採用現有電機，是非常不合理的。如果船舶主機冷卻水原驅動電機尚未採用變頻電機，則需要額外採購變頻電機。

永磁調速：因為該設備由船舶原冷卻水泵主電機驅動，對冷卻水泵驅動電機無特殊要求。安裝方式靈活，可立式、卧式安裝

c. 對船舶環境要求

變頻調速：變頻器為複雜的電力電子裝置，其控制迴路採用可控硅或IGBT實現電流調節，半導體元件通常要求在0~55℃環境下工作，同時對環境濕度也有要求，一般為相對濕度60~90%，因此，必須為調速設備提供專用房間並安裝空調。

永磁調速：永磁調速裝置為精密的純機械裝置，允許在-50~+100℃環境下工作，甚至可以在0~100%相對濕度環境下工作，一般不需要提供任何環境條件。

d. 對電機啟動影響

變頻調速：變頻器可以從0轉速啟動，但啟動過程中負載一直載入，啟動時間很長，啟動過程中電機處於低轉速狀態，電機發熱厲害，但啟動電流較小、管路壓力平穩增加，不會造成管路壓力突變。

永磁調速：電機啟動時，負載可以完全斷開，實現零負載啟動，當電機轉速很快達到全速時，負載平滑啟動，啟動時間短，電流衝擊小且管路壓力平穩增加，不會造成管路壓力突變。

e. 電力諧波和功率因素的影響

變頻調速：變頻器直接串聯在船舶電網側與電機之間，且通過整流方式輸入，因此在電網中產生很高的、頻率範圍很廣的諧波電流，通常由變頻器產生的總諧波電流要超過60%以上；由於諧波電流，經常使得功率因素補償電容燒毀，熔斷器熔斷、空氣開關跳閘、線路過載。為了防止上述故障，通常需要投資很昂貴的諧波治理設備。

永磁調速：因與電網無關，因此不會產生諧波。

f. 調速的可靠性

變頻調速：變頻器是由整流濾波電路+變頻逆變電路+複雜的控制電子電路組成，特別是其主電路，為了使用低壓高頻功率器件，不得不採取多級串聯變換的功率電路，電路元件數量在數千隻，因此其可靠性最低，通常MTBF在10年以下。

永磁調速：永磁調速裝置由三個部件組成，銅盤+永鐵盤+間隙調節伺服機構，結構十分簡單，因此可靠性十分高，一般MTBF可以超過10年。

g. 船舶航行振動對系統故障率的影響

變頻器：船舶航行海況瞬息萬變，由於變頻調速技術沒有改變原有風機水泵系統的機械連接方式（剛性直連），船舶航行途中系統的震動、形變、衝擊和噪音完全取決於電機與風機或水泵的機械安裝精度，也就是軸對準精度，這對安裝精度提出了很大的要求。

永磁調速：採用了氣隙傳遞扭矩的方式，冷卻水泵和驅動電機無剛性聯軸，系統的震動、衝擊和噪音相互傳遞的可能性大大降低，而與安裝精度關係很小，在極限情況下，可以降低振動80%；從而極大地減少了機械能耗和磨損，軸對準精度的誤差允差很大，安裝和維護十分方便快捷。

h. 後期維護維修工作量及難度

變頻器：如上述原因，變頻調速系統的可靠性相對低且極易受多變的海上工況環境的影響，故障率很高，又因為其技術複雜，故障診斷難度大，維護技術要求高，因此維護時間及MTTR大大增加，維護維修費用高昂，加之還需要原廠技術人員的協助，更使得系統的可用性降低。

永磁調速：純機械設備，可靠性高，幾乎不受船舶海上環境及主機工況的影響，且能極大降低振動，因此故障幾率很低，且因技術簡單，容易診斷故障，維護技術要求低，因此維護時間很短及MTTR很低，系統的可用性很高。

綜上，在船舶主機降速運行的大背景下，節約能源對整個航運業的可持續、健康發展意義重大，結合船舶主機冷卻水泵節能改造的實際情況和現實需求，通過對變頻調節技術在船舶主機冷卻水泵上的應用分析，說明了永磁調速技術在船舶主機冷卻水泵的節能改造中具有巨大的優勢，我們相信，隨著永磁調速技術在煤炭、電力、石油、化工、冶金、船舶等行業的不斷應用和技術積累，這一新的節能技術，勢必為船舶主機冷卻水泵的節能改造帶來一種高效、環保、可靠的新模式！

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