故障排除案例分享：一起磁力泵试车问题与解决对策介绍

1 背景

某化工装置硫酸泵故障率居高不下，属于一个行业性难题。介质为90%浓硫酸+10%浓硝酸，温度110℃左右，十余年间历经多次选型改进，运行状况虽有改善却仍不理想，本次将其改造为某进口品牌磁力泵，为降低改造成本，配套的电气设备全部利旧并经外方工程师签字确认，其中电机由原设计4极132KW改为现有的2极132KW。于2022年1月安装后现场带料试车，运行中泵的转速尚未达到设计值时电机已达到额定电流，转速无法继续提升，流量不能满足装置生产需求。

表1 设计数据与试车数据

2 原因分析

外方工程师坚持认为泵能力不达标是现场变频器设置有错误，经多次检查却未发现任何问题。

该泵出厂前做过性能试验，从试车记录看各项指标数据均满足设计文件要求，初步排除泵本体在设计、制造方面存在问题的可能。性能实验配用的电机和控制系统是试验台专用设备，因此判断现场电气设备存在问题的可能性比较大。

根据离心泵与电机的工作原理特性，分析逻辑如下：

由变频器“输出频率与其输出电压成正比”特性：

U₁/U₂=n₁/n₂             

可知

2970/1657=380/U      

U₂=212.1(V)

即，1657rpm转速下对应的电机输入电压为212.1V。

因此，电机试车时的实际输出功率：

P=1.732×U×I×COSф×η

=1.732×212.1×252×0.91×0.95/1000

=80.03(KW)

故，132KW 2极电机在1657rpm时实际输出功率为80.03KW，与泵设计工作点需求的轴功率109KW差距较大。

再根据公式：

T=9550×P÷n（T转矩，P功率，n转速） 

=9550×80.03÷1657=461.23Nm

可知，试车时电机的实际输出转矩为461.23Nm

而该泵额定工作点的需求转矩：

T₀= 9550×109÷1779=585.13Nm

T< T₀

因此，电机输出扭矩不足的判断是正确的，这也直接导致了泵转速不足，进而造成流量不足。

3 解决思路

电机输出转矩不足的问题，主要有以下三个解决途径。

3.1 电机极对数不变，提高额定功率

利用电机同转速下功率与转矩成正比的特性，

根据设计文件：1779rpm时泵的轴功率109KW，计算2970rpm时的电机输出功率P₂。

因变频器输出电压与输出频率正比，电机额定电流与转速无关，又

P=1.732×U×I×COSф

得

 P₁/P₂= U₁/U₂=n₁/n₂

∴ 额定转速下的电机输出功率

P₂=109×2970÷1779=181.97 (KW)

按电机效率95%计，同时考虑配套电机功率裕度1.05系数，可知电机的额定功率不应小于195KW。查《电机选型手册》，选用2极200KW电机较为合适。

3.2 电机额定功率不变，增加极对数

利用“电机同功率下转速与转矩成反比”特性，根据现场实际情况可以选择4极电机，理论上其转矩比同功率2极电机大1倍，但由于其同步转速低于泵的设计转速，需要超频运行。

“电机超频运转时处于恒功率状态”，这是变频器的又一个特性。此时的输出转矩与转速成反比，按4极电机额定转速1476rpm计，则其额定转矩与泵设计转速下的扭矩对应关系如下：

T₃/1779=585.13/1476

T₃=705.25（Nm）

按电机效率95%计，同时考虑配套电机功率裕度1.05系数，可知电机转矩应不低于779.49Nm。查《电机选型手册》，4极电机系列中额定转矩应选840.3Nm，对应的电机功率是132KW，这与厂家原设计数据也是一致的。

有一点需值得特别注意，离心泵的转矩与转速平方成正比，即

T₁/T₂=（n₁/n₂）²

电机超速运行状态下的转矩与离心泵需求的扭矩对应关系如图1所示：

图1 变频电机输出扭矩与离心泵需求扭矩与转速关系图

由图可知，在额定转速以内，电机转矩与泵转矩的差值逐渐缩小，但进入额定转速后，电机与泵的转矩差值急剧减小。所以，要实现电机较宽的调速范围，其功率裕度足够大才可以。

3.3 电机保持不变，切割泵叶轮直径

根据离心泵相似定律

n₁/n₂=D₂/D₁     

可知，叶轮直径切割后，其需求的转矩会等比例降低。为保持泵的设计工艺参数不变，泵的转速需按照直径切割等比例相应增加。此时变频器对电机的加载电压升高，使电机的输出功率增加（额定电流保持不变）。该方案对电气设备不做任何改变，只需调高电机转速即可。

由于该泵为进口设备且新安装，在未征得外方确认的情况下擅自改变叶轮直径有一定商务风险，暂不做改动。同时其叶轮为钢衬PTFE结构，直径切割也可能造成不可逆的伤害。

4 改造与效果

根据上述分析，首选改为4极132KW电机方案，但是公司仓库找出的电机并非变频专用电机，存在一定运行风险。综合考虑生产急需及现有资源，最终选择了2极160KW的某品牌变频电机替换现有2极132KW的某品牌电机。由于两台电机的中心高、轴颈等尺寸均一致，只需后脚处增加支撑即可，施工较为容易。

表2 更换电机后的试车结果

新电机更换后，在转速略高于设计值的情况下，实测该泵的流量与扬程仍有10%左右的缺口，经计算轴功率97.5KW，也是低于设计值的，分析可能存在计量偏差或管路系统压降偏大等问题。

改造至今已有3个多月，设备运行稳定，经生产装置确认泵的流量和扬程可以满足生产要求。

由于现有电机的负载率达到98%，夏季有运行过热的风险，且该泵实际能力仍低于设计要求，因此建议采购4极160KW、60Hz或2极200KW的变频电机，择机进行更换。

5 结论

这次硫酸泵试车问题表明，外方工程师在替代电机的参数确认上出现了错误，给出的解释和建议也与现场实际情况不符。该故障案例分析存在一定技术难度，难在机械和电气专业间相互交叉纠缠，其核心在于电机的输出扭矩和泵的需求扭矩分别在不同转速下的交点确认，如单独从某一专业角度去分析是找不到根本原因的。这也提醒我们，解决系统性复杂问题只做专业内学习可能是不够的。