永磁調(diào)速技術(shù)在發(fā)電廠輔機(jī)節(jié)能改造中的應(yīng)用分析

陶振國(guó)，朱 榮

（臺(tái)州發(fā)電廠，浙江 臺(tái)州 318016）

0 引言

發(fā)電廠大量以電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)的機(jī)械設(shè)備所消耗的電能約占所生產(chǎn)電能的5%～10%，而各種泵及風(fēng)機(jī)等離心式負(fù)載設(shè)備所消耗的電能又占了上述能耗的80%之多。出于系統(tǒng)安全等方面的考慮，發(fā)電廠設(shè)計(jì)中風(fēng)機(jī)的風(fēng)量裕度往往選得比較大，風(fēng)機(jī)的用電量中，很大一部分是因風(fēng)機(jī)的型號(hào)與管網(wǎng)系統(tǒng)的參數(shù)不匹配及調(diào)節(jié)方式不當(dāng)而被調(diào)節(jié)風(fēng)門(mén)所消耗。因此，改進(jìn)離心風(fēng)機(jī)的調(diào)節(jié)方式是提高風(fēng)機(jī)效率、降低風(fēng)機(jī)耗電量進(jìn)而降低廠用電率的有效途徑。

高壓異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)節(jié)裝置有多種，其中機(jī)械式調(diào)節(jié)（如進(jìn)、出口節(jié)流擋板、液力偶合調(diào)節(jié)等）由于調(diào)節(jié)精度底、調(diào)速范圍有限、低速轉(zhuǎn)差損耗大、控制精度低、線性度差、響應(yīng)慢、容易漏液等原因，目前已逐漸退出使用。近年來(lái)，應(yīng)用比較普遍的高壓變頻調(diào)速技術(shù)也逐漸暴露出一些缺點(diǎn)，如諧波分量大影響電能質(zhì)量、設(shè)備運(yùn)行環(huán)境要求高、高壓高溫條件下設(shè)備故障率高、電子元器件容易老化、維護(hù)工作量大且安全性較差等。

永磁調(diào)速技術(shù)利用永磁調(diào)速驅(qū)動(dòng)器（PMD），通過(guò)磁力耦合實(shí)現(xiàn)非機(jī)械連接扭矩的傳遞，通過(guò)改變電機(jī)與負(fù)載之間的轉(zhuǎn)速差來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)速。具有維護(hù)工作量少、設(shè)備可靠性高，且能實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)平滑調(diào)速、自動(dòng)控制等特點(diǎn)，在國(guó)外已有廣泛的應(yīng)用，因此近年來(lái)也越來(lái)越受到國(guó)內(nèi)用戶的重視。

1 永磁調(diào)速技術(shù)的工作原理

1．1 永磁耦合技術(shù)

如圖1（a）所示，根據(jù)楞次定律，當(dāng)磁鐵棒N極垂直接近導(dǎo)體板時(shí)，在導(dǎo)體上會(huì)產(chǎn)生1個(gè)N極磁場(chǎng)來(lái)抵抗磁棒N極接近，該抵抗磁場(chǎng)由逆時(shí)針?lè)较虻母袘?yīng)電流（渦電流）所產(chǎn)生。同理，如圖1（b）所示，當(dāng)磁鐵棒N極平行于導(dǎo)體板移動(dòng)時(shí)，在導(dǎo)體板上會(huì)產(chǎn)生抵抗磁鐵棒N極前進(jìn)的方向相反的2個(gè)磁場(chǎng)，在磁鐵棒N極的前方產(chǎn)生N極磁場(chǎng)、后方產(chǎn)生S極磁場(chǎng)抵抗磁鐵棒前進(jìn)。而且當(dāng)磁鐵棒愈靠近導(dǎo)體板時(shí)，導(dǎo)體板上抵抗磁鐵棒相對(duì)運(yùn)動(dòng)的力愈大。

圖1 磁鐵棒與導(dǎo)體板發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)引起的感應(yīng)現(xiàn)象（楞次定律）

永磁耦合技術(shù)即是由楞次定律引申而來(lái)，如圖2所示。

圖2 永磁耦合技術(shù)原理

（1）當(dāng)磁力線通過(guò)銅導(dǎo)體時(shí)，靜止的情況下不會(huì)有作用。

（2）當(dāng)磁鐵棒與導(dǎo)體板有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，磁力線在導(dǎo)體中移動(dòng)產(chǎn)生感應(yīng)渦電流（Eddy Current），進(jìn)而在銅導(dǎo)體上產(chǎn)生感應(yīng)磁場(chǎng)，而產(chǎn)生扭距。

（3）當(dāng)兩者越靠近時(shí)，磁力線密度越密集，扭距越大。

（4）當(dāng)兩者相對(duì)運(yùn)動(dòng)越快時(shí)，兩者感應(yīng)同極磁場(chǎng)越強(qiáng)，產(chǎn)生扭距越大（轉(zhuǎn)差越大，扭距越大）。

1．2 永磁調(diào)速器的基本組件結(jié)構(gòu)

永磁調(diào)速器主要由兩部分組成，如圖3所示，一部分是安裝在負(fù)載側(cè)的永磁轉(zhuǎn)子，另一部分安裝在電動(dòng)機(jī)側(cè)的銅轉(zhuǎn)子，銅轉(zhuǎn)子與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速一致，在運(yùn)行過(guò)程中保持不變。銅轉(zhuǎn)子和磁轉(zhuǎn)子可以自由獨(dú)立旋轉(zhuǎn)。當(dāng)傳感器檢測(cè)風(fēng)機(jī)或其他負(fù)載設(shè)備的出口壓力、流量或其他控制信號(hào)有變化之后，輸入到PLC現(xiàn)場(chǎng)控制器或DCS系統(tǒng)，經(jīng)計(jì)算處理后，輸出調(diào)節(jié)信號(hào)至調(diào)速器的氣隙調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，執(zhí)行器控制永磁耦合器的氣隙從而調(diào)節(jié)負(fù)載轉(zhuǎn)速，改變負(fù)載出口流量，傳感器測(cè)量到反饋信號(hào)后再次輸入PLC或DCS中進(jìn)行計(jì)算，輸出控制信號(hào)，直到負(fù)載出口的實(shí)際測(cè)量信號(hào)達(dá)到控制要求值。

圖3 永磁調(diào)速器結(jié)構(gòu)

2 永磁調(diào)速技術(shù)的節(jié)能分析

根據(jù)流體力學(xué)理論，風(fēng)機(jī)的風(fēng)量Q與轉(zhuǎn)速n成正比，風(fēng)壓H跟轉(zhuǎn)速平方成正比，軸功率跟轉(zhuǎn)速的3次方成正比。如圖4所示，曲線3為恒定轉(zhuǎn)速下的功率-風(fēng)量特性曲線；曲線1為管網(wǎng)風(fēng)阻特性（風(fēng)門(mén)全開(kāi)）。假設(shè)風(fēng)機(jī)在A點(diǎn)時(shí)效率最高，即為風(fēng)機(jī)的額定工作點(diǎn)，此時(shí)輸出風(fēng)量Q1為100%，軸功率正比于P1×Q1的乘積，即圖中AH1OQ1的面積。如果需要將風(fēng)量減小一半，假定采用以下2種調(diào)節(jié)方式：

圖4 風(fēng)機(jī)特性

（1）采用入口節(jié)流調(diào)節(jié)方法，當(dāng)風(fēng)量由Q1減少到Q2時(shí)，管路特性由曲線1轉(zhuǎn)移至曲線2，系統(tǒng)工作點(diǎn)由A點(diǎn)移至B點(diǎn)。由圖可知，雖然風(fēng)量減少，但風(fēng)壓由H1增加到H2，軸功率相當(dāng)于曲線面積BH2OQ2，相對(duì)于面積AH1OQ1變化不大。

（2）采用永磁調(diào)速技術(shù)改變風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，在風(fēng)門(mén)擋板全開(kāi)的情況下，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速由n1降至n2，相應(yīng)的流量由Q1降至Q2時(shí)，軸功率相當(dāng)于圖中面積CH3OQ2，功率減少明顯，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

3 永磁調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用

3．1 改造重點(diǎn)及注意事項(xiàng)

某300 MW機(jī)組配有2臺(tái)離心式一次風(fēng)機(jī)，采用6 kV，900 kW定速電機(jī)驅(qū)動(dòng)運(yùn)行，靠調(diào)節(jié)進(jìn)口擋板開(kāi)度來(lái)調(diào)整一次風(fēng)量。改造前機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)一次風(fēng)機(jī)電流約81 A，一次風(fēng)機(jī)進(jìn)口擋板開(kāi)度約50%，風(fēng)壓約8.4 kPa。

永磁節(jié)能改造的重點(diǎn)是要在電機(jī)與風(fēng)機(jī)之間加裝永磁調(diào)速驅(qū)動(dòng)器并為其提供1套可靠的冷卻系統(tǒng)。對(duì)于采用空冷型（電機(jī)功率在315 kW以下、轉(zhuǎn)速在750～3 600 r/min范圍以內(nèi)）立式安裝方式的調(diào)速器而言，僅考慮系統(tǒng)的調(diào)試時(shí)間，一般需4天時(shí)間。但對(duì)于水冷型且采用臥式安裝型式的調(diào)速器，必須考慮水冷系統(tǒng)以及基礎(chǔ)的施工時(shí)間。由于改造對(duì)象為高速旋轉(zhuǎn)的設(shè)備，為保證基礎(chǔ)的穩(wěn)定性，一般需采用樁基礎(chǔ)。相對(duì)于已投運(yùn)的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，施工現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)地往往較為局促，機(jī)械樁基很難架設(shè)，一般只能采用人工挖孔樁，因此施工工期較長(zhǎng)。而且基礎(chǔ)的改接工作必須在設(shè)備停役后進(jìn)行，新基礎(chǔ)還存在一次灌漿、二次灌漿以及保養(yǎng)等問(wèn)題，改造時(shí)應(yīng)充分考慮上述因素對(duì)工期的影響。

3．2 系統(tǒng)運(yùn)行情況及存在的問(wèn)題

永磁調(diào)速系統(tǒng)投運(yùn)后，風(fēng)機(jī)、電機(jī)振動(dòng)值較改造前大幅度降低，永磁調(diào)速裝置響應(yīng)及時(shí)，調(diào)節(jié)平滑，系統(tǒng)總體運(yùn)行情況良好。但也存在一些問(wèn)題，主要表現(xiàn)在：

（1）軸承溫度監(jiān)視手段不夠完善，存在盲區(qū)。整個(gè)調(diào)速器共有7個(gè)軸承，其中輸出端4個(gè)軸承采用油冷卻并通過(guò)油溫監(jiān)測(cè)軸承運(yùn)行工況，中間導(dǎo)向軸承以及輸入端軸承無(wú)有效溫度監(jiān)測(cè)手段，應(yīng)在相應(yīng)的位置開(kāi)孔加埋端面熱電阻加以監(jiān)視。

（2）軸承潤(rùn)滑油脂加入通道設(shè)置不合理，操作困難且存在通道不暢的問(wèn)題，長(zhǎng)期運(yùn)行可能會(huì)引起軸承過(guò)熱等故障。

（3）由于永磁調(diào)節(jié)器為純機(jī)械結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中不可避免會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)、軸承損壞以及漏油等缺陷，系統(tǒng)在處理缺陷時(shí)無(wú)法恢復(fù)運(yùn)行，電量損失嚴(yán)重，因此有必要在改造時(shí)考慮配置與調(diào)速器安裝尺寸一致的應(yīng)急軸。

4 系統(tǒng)改造后的效益評(píng)價(jià)

4.1 節(jié)電效益

一次風(fēng)機(jī)永磁節(jié)能改造后，風(fēng)機(jī)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性有了一定的改善。選取改造后的部分工況與改造前相應(yīng)工況進(jìn)行節(jié)能情況比較分析，其結(jié)果如表1所示。從表中可以看出，機(jī)組在滿負(fù)荷狀態(tài)下，系統(tǒng)節(jié)能效果不是很明顯，節(jié)能率約為6%；機(jī)組在年平均負(fù)荷段（210～200 MW）運(yùn)行時(shí)，節(jié)能率約為15%。

表1 一次風(fēng)機(jī)改造前后能耗比較

4.2 其他效益

（1）與改造前相比，改造后加快了一次風(fēng)量的調(diào)節(jié)速度，實(shí)現(xiàn)一次風(fēng)機(jī)系統(tǒng)自動(dòng)化控制，提高了機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性。

（2）避免了電機(jī)啟動(dòng)時(shí)大電流沖擊對(duì)電機(jī)的危害，延長(zhǎng)了電機(jī)和擋板的檢修周期和壽命，減少了維修工作量。

（3）隔離了電機(jī)側(cè)與負(fù)載側(cè)的振動(dòng)傳遞，大大減少了整個(gè)一次風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的振動(dòng)。

4.3 系統(tǒng)節(jié)能率分析

造成一次風(fēng)機(jī)永磁節(jié)能改造節(jié)能率不理想的主要原因是沒(méi)有充分考慮進(jìn)口調(diào)節(jié)擋板的調(diào)節(jié)特性。一次風(fēng)機(jī)采用高效節(jié)能的百葉窗式節(jié)流擋板，其開(kāi)度與節(jié)流損失不成比例。當(dāng)擋板開(kāi)度在40%以下時(shí)，其節(jié)流損失與開(kāi)度存在一定的線性關(guān)系；而當(dāng)擋板開(kāi)度超過(guò)40%時(shí)，節(jié)流損失與開(kāi)度線性度較差，特別是擋板在50%以上時(shí)其節(jié)流損失甚至沒(méi)有什么變化，因此僅以機(jī)組滿負(fù)荷時(shí)擋板開(kāi)度50%左右來(lái)估算一次風(fēng)機(jī)的風(fēng)量裕度，勢(shì)必造成估算值偏大。

表2為一次風(fēng)機(jī)永磁調(diào)速器現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試記錄。從現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況看，將改造前一次風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)擋板開(kāi)度在40%以上工況與調(diào)節(jié)方式改為永磁調(diào)速后相比，一次風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和風(fēng)壓變化均不大，因此其節(jié)能效果也比較有限。

表2 一次風(fēng)機(jī)永磁調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)性能

5 結(jié)語(yǔ)

永磁驅(qū)動(dòng)技術(shù)是近年來(lái)開(kāi)發(fā)的一項(xiàng)突破性新技術(shù)，尤其適用于風(fēng)機(jī)、泵類(lèi)離心負(fù)載節(jié)能調(diào)速，具有高效節(jié)能、高可靠性、無(wú)剛性連接傳遞扭矩、可在惡劣環(huán)境下應(yīng)用、極大減少整體系統(tǒng)振動(dòng)、減少系統(tǒng)維護(hù)和延長(zhǎng)系統(tǒng)使用壽命等特點(diǎn)。尤其是其不產(chǎn)生高次諧波且低速下不造成電機(jī)發(fā)熱的優(yōu)良調(diào)速特性，更使其成為風(fēng)機(jī)及泵類(lèi)設(shè)備節(jié)能技術(shù)改造的又一個(gè)理想選擇。

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