許志成

【摘要】本文介紹了某公司熱電廠為降低廠用電率在鍋爐吸風機上使用水冷式筒形永磁調(diào)速器進行節(jié)能調(diào)速改造，介紹了其磁場工作機理及在鍋爐吸風機上的應用情況，并針對出現(xiàn)的問題，提出了解決方案。

【關鍵詞】廠用電率；節(jié)能降耗；筒形永磁調(diào)速器

引言

熱電廠廠用電率是指年機爐發(fā)電和供熱所需的自用電能消耗量分別與同一時期對應機組發(fā)電量和供熱量的比值，它是衡量發(fā)電機組經(jīng)濟性能的重要經(jīng)濟技術指標之一。目前，我國熱電廠廠用電率一般為8%～10%，而某公司熱電廠經(jīng)過多年努力，廠用電率于2009年平均已降至6.78%，優(yōu)于國內(nèi)大多數(shù)熱電廠。近些年為服從國家環(huán)保政策要求，該公司實施了碧水藍天項目，由于鍋爐裝置進行脫硝除塵后增加了電能消耗，使得熱電廠用電率2014年平均已上升至7.66%，為此，該公司決定使用水冷式筒形永磁調(diào)速器來對鍋爐吸風機（560kW）進行節(jié)能調(diào)速改造以降低熱電廠廠用電率。

1、概述

該熱電廠共有6臺蒸發(fā)量為220t/h的煤粉爐，每臺爐原配有2臺6kV、260kW的吸風機，應國家環(huán)保要求對鍋爐進行脫硝、除塵、脫硫改造后，吸風機功率增大到560kW。在鍋爐脫硝除塵改造時，設計方面考慮到隨著運行時間延長，脫硝催化劑活性下降后預留層要裝新催化劑、除塵器布袋在壽命期內(nèi)的阻力逐漸增加，另外考慮鍋爐漏風、煙溫變化和調(diào)節(jié)需要等情況下要保證吸風機不低于20%壓頭及10%風量的裕量，所以吸風機裕量較大。由于風機的流量與轉(zhuǎn)速成一次方關系，壓力與轉(zhuǎn)速成二次方關系，軸功率與轉(zhuǎn)速的成三次方關系，要使得吸風機在不同工況下始終工作在效率高效區(qū)內(nèi)，就必須采用調(diào)速裝置來控制風機的運行轉(zhuǎn)速，從而達到節(jié)能降耗的目的。某公司熱電廠#4～#6爐吸風機采用國產(chǎn)水冷式筒形永磁調(diào)速器來實現(xiàn)對鍋爐吸風機的調(diào)速、節(jié)能。

2、筒形永磁調(diào)速器的工作原理

永磁調(diào)速器是在永磁耦合器的基礎上加入調(diào)節(jié)機構來實現(xiàn)調(diào)速節(jié)能的一種機械，也可以說是一種依據(jù)電磁理論設計的機械結構。筒形永磁調(diào)速器的結構如圖1所示，該調(diào)速器的工作面為筒形側面，在左邊與電機相連的為筒形銅導體轉(zhuǎn)子，右邊與負載風機相連的為筒形永磁轉(zhuǎn)子，永磁體均勻分布在筒形永磁轉(zhuǎn)子的側面。

圖1 筒形永磁調(diào)速器結構

筒形永磁轉(zhuǎn)子在筒形導體轉(zhuǎn)子內(nèi)，中間約5mm的氣隙分開，并隨各自安裝的旋轉(zhuǎn)軸獨立轉(zhuǎn)動，通過電動執(zhí)行機構調(diào)節(jié)筒形永磁轉(zhuǎn)子在軸線方向的相對位置，以改變筒形永磁轉(zhuǎn)子與筒形導體轉(zhuǎn)子之間的嚙合面積。當電機拖動筒形導體轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時，筒形導體轉(zhuǎn)子與筒形永磁轉(zhuǎn)子產(chǎn)生相對運動，永磁轉(zhuǎn)子建立的永磁場在筒形導體轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生渦流，同時渦流又產(chǎn)生感應磁場與永磁場相互作用，從而帶動筒形永磁轉(zhuǎn)子沿與筒形導體轉(zhuǎn)子相同的方向轉(zhuǎn)動，結果是將電機輸入轉(zhuǎn)矩傳遞到風機輸出軸上；輸出轉(zhuǎn)矩的大小與嚙合面積相關，嚙合面積越大，傳遞的轉(zhuǎn)矩大，永磁轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速越高，反之亦然；當嚙合面積為零，傳遞扭矩為零，筒形永磁轉(zhuǎn)子與筒形導體轉(zhuǎn)子完全脫開，筒形永磁轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為零，即負載轉(zhuǎn)速為零。

3、水冷式筒形永磁調(diào)速器改造情況

永磁調(diào)速器安裝在電機與風機之間，導體轉(zhuǎn)子軸向位置是固定不變的，永磁轉(zhuǎn)子可沿軸向來回移動，由電動執(zhí)行機構進行調(diào)整。電動執(zhí)行機構具備就地操作和遠操功能，當切換到遠操時，電動執(zhí)行機構的調(diào)整受鍋爐DCS系統(tǒng)的控制，其百分比開度顯示的是永磁轉(zhuǎn)子與導體轉(zhuǎn)子的嚙合面積的百分比，與負載風機的轉(zhuǎn)速直接相關。

永磁調(diào)速器上傳給鍋爐DCS系統(tǒng)四路AI（4～20mA）信號，分別是轉(zhuǎn)速反饋信號、電動執(zhí)行機構開度反饋信號、導體轉(zhuǎn)子溫度信號、軸承溫度信號等，接受鍋爐DCS系統(tǒng)一路AO（4～20mA）信號，為電動執(zhí)行機構的開度調(diào)整信號，見圖2。

圖2 永磁調(diào)速器控制示意圖

永磁調(diào)速器的導體和軸承的溫度檢測為紅外在線測溫，在DCS系統(tǒng)中設定：80℃預報警，120℃時DCS畫面上彈出“重報警”。

4、永磁調(diào)速器改造運行過程中應注意的問題及解決措施

4.1永磁調(diào)速器的散熱問題

永磁調(diào)速器的旋轉(zhuǎn)銅導體在永磁轉(zhuǎn)子的磁場作用下，在銅導體轉(zhuǎn)子內(nèi)產(chǎn)生渦流。渦流既是永磁調(diào)速器工作的關鍵，也是銅導體轉(zhuǎn)子產(chǎn)生熱量的原因，因為依據(jù)焦耳定律Q=I2Rt，渦流電流越大、時間越長，導體轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的熱量就越大。渦流產(chǎn)生的熱量若不及時散出、冷卻，導體轉(zhuǎn)子溫度就會升高，熱量就會輻射傳導至永磁轉(zhuǎn)子，導致永磁轉(zhuǎn)子溫度升高。永磁轉(zhuǎn)子一般使用永磁材料為釹鐵硼，其磁性能隨著永磁材料溫度的升高而逐漸降低，當溫度升高至320～460℃，釹鐵硼的磁性能就會消失。因此控制導體轉(zhuǎn)子的運行溫度，就是延長永磁調(diào)速器的使用壽命。

根據(jù)現(xiàn)場使用情況來看，首先，永磁調(diào)速器轉(zhuǎn)速必須在30%ne以上。永磁轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速越高，導體轉(zhuǎn)子輻射給永磁轉(zhuǎn)子的熱量散發(fā)就越快，冷卻效果就越好。其次，調(diào)節(jié)水冷式筒形永磁調(diào)速器的冷卻水量。冷卻水量越大，導體轉(zhuǎn)子換熱效果越明顯，但為保證經(jīng)濟性，冷卻水量也不能過大。

4.2永磁調(diào)速器的強磁場問題

永磁轉(zhuǎn)子建立的強磁場也存在許多危害：它能導致心臟起搏器等電子醫(yī)療器械誤動作或復位到工廠設置；鐵金屬粒易吸附在永磁轉(zhuǎn)子上，很難將其分離，但當永磁轉(zhuǎn)子高速轉(zhuǎn)動時可能導致設備振動超標或因離心力大于磁場引力將其發(fā)射出去造成人員、設備傷害事故；磁存儲介質(zhì)暴露在強磁場中可能毀壞數(shù)據(jù)甚至損壞；移動電話等在暴露在強磁場中功能也可能受到影響。

為避免或降低永磁調(diào)速器的強磁場干擾，需要在其周圍設置明顯標識牌或柵欄，提醒存在上述危害。

4.3永磁調(diào)速器的振動問題

筒形永磁調(diào)速器中導體轉(zhuǎn)子與永磁轉(zhuǎn)子之間雖然無機械連接，但是安裝過程中仍需要考慮對中問題，否則因氣隙嚴重不均勻，會產(chǎn)生徑向不平衡力，導致軸承偏載磨損、設備徑向振動超標。

現(xiàn)場解決問題的辦法是控制、調(diào)整導體轉(zhuǎn)子與永磁轉(zhuǎn)子之間的氣隙，允許對中誤差小于0.5mm。

5、永磁調(diào)速器改造節(jié)能分析

熱電廠#4～#6爐吸風機永磁調(diào)速器正式投入運行后，我們以2014年1月15日16：00-16日08：00，#2、#5爐負荷均為220t/h時的各項數(shù)據(jù)對比為例，#2爐（無調(diào)速裝置）兩吸風機電量為6111、6072kWh，#5爐（使用永磁調(diào)速）兩吸風機電量為4808、4703kWh，由上述16小時數(shù)據(jù)對比可得節(jié)能數(shù)據(jù)：

6111+6072-4808-4703=2672 kW·h。

以#5爐全年運行7000h計算，一臺爐一臺永磁調(diào)速器年均節(jié)能：

2672*7000/16/2=584500 kW·h。

#4～#6爐共6臺永磁調(diào)速器全部投入運行后，以2014年熱電廠全年發(fā)電量137739萬kW·h來計算，每年可降低廠用電率：

584500*6/1377390000*100%=0.2546%。

6、結束語

相對于技術上非常成熟的變頻器來說，永磁調(diào)速器的調(diào)速范圍、精度、節(jié)能效果等方面是稍遜一籌的，但其主體純機械部件的可靠性是遠遠超過變頻器的，特別是在潮濕、多塵以及易燃易爆場所的環(huán)境適應性方面有很大的優(yōu)勢；其次，永磁調(diào)速器在電動機與負載之間進行降速調(diào)節(jié)，導體轉(zhuǎn)子可以一直保持電機工頻轉(zhuǎn)速運行，因此在大慣量負載啟動性能方面是優(yōu)于變頻器的。

參考文獻

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