永磁調(diào)速技術(shù)在鍋爐煙氣脫硝中的應(yīng)用

周麗萍 王向東 黃忠念（.南京理工大學(xué)；.南京艾凌節(jié)能技術(shù)有限公司）

引風(fēng)機(jī)是鍋爐煙氣脫硝工程中的主要輔助設(shè)備，也是整個(gè)裝置中的耗能大戶[1]。引風(fēng)機(jī)長期運(yùn)行在額定轉(zhuǎn)速下，為滿足設(shè)備和系統(tǒng)需要，減小噪聲和管道的振動(dòng)，常采用風(fēng)門擋板來控制風(fēng)量和爐膛負(fù)壓。這種控制方式節(jié)流損失大，電能浪費(fèi)嚴(yán)重。另一方面，煙氣通過引風(fēng)機(jī)時(shí)易積灰，很可能造成堵轉(zhuǎn)事故。因此，為保證煙氣脫硝裝置的運(yùn)行穩(wěn)定性，提高引風(fēng)機(jī)的運(yùn)行效率，可對引風(fēng)機(jī)進(jìn)行變速調(diào)節(jié)。永磁調(diào)速技術(shù)是專門針對風(fēng)機(jī)、泵類等離心負(fù)載調(diào)速節(jié)能的新型技術(shù)。它能夠根據(jù)負(fù)載需求適時(shí)調(diào)整引風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，達(dá)到節(jié)電的目的；此外，永磁調(diào)速器還能在引風(fēng)機(jī)出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)時(shí)及時(shí)保護(hù)電動(dòng)機(jī)。目前，永磁調(diào)速技術(shù)已廣泛應(yīng)用于電力、石油、化工、造紙、鋼鐵、水泥、冶金、采礦等行業(yè)[2]，表現(xiàn)出較高的可靠性，并取得良好的節(jié)能效果。

1 系統(tǒng)概況

某化纖企業(yè)熱電中心鍋爐煙氣脫硝工程是為削減煤粉鍋爐煙氣中的氮氧化物和煙塵而進(jìn)行的環(huán)保項(xiàng)目，鍋爐煙氣脫硝工藝流程如圖1 所示。鍋爐煙氣經(jīng)過省煤器后進(jìn)入SCR 反應(yīng)塔進(jìn)行脫硝，然后流經(jīng)空氣預(yù)熱器、除塵器，經(jīng)引風(fēng)機(jī)排出煙囪。引風(fēng)機(jī)的型號為AI4400-1.014/0.96，額定功率為488 kW，額定流量為264 000 m3/h，額定風(fēng)壓5400 Pa，全壓效率86.1%；配套電動(dòng)機(jī)的型號為YX3-4004-6，額定功率560 kW，額定電壓6 kV，額定轉(zhuǎn)速980 r/min。

在對引風(fēng)機(jī)進(jìn)行選型時(shí)，設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，計(jì)算過程繁瑣，計(jì)算精度低，且引風(fēng)機(jī)選型比較保守，富裕系數(shù)選擇較大[3]。引風(fēng)機(jī)投入運(yùn)行后，因鍋爐煙氣量變化頻繁，引風(fēng)機(jī)不需要在額定轉(zhuǎn)速下長期運(yùn)行。因此，在采用調(diào)速調(diào)節(jié)之前，引風(fēng)機(jī)的運(yùn)行效率較低。為保證引風(fēng)機(jī)的高效運(yùn)行，提高系統(tǒng)的可靠性，并考慮到系統(tǒng)的工作環(huán)境，經(jīng)過反復(fù)論證，選用永磁調(diào)速器對引風(fēng)機(jī)進(jìn)行節(jié)能改造。

圖1 鍋爐煙氣脫硝工藝流程

2 永磁調(diào)速的技術(shù)特點(diǎn)

永磁調(diào)速器是基于永磁傳動(dòng)技術(shù)的一種新型的調(diào)速方式，適用于離心式風(fēng)機(jī)、泵類設(shè)備的調(diào)速節(jié)能。永磁調(diào)速器主要由永磁轉(zhuǎn)子、導(dǎo)體轉(zhuǎn)子和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)組成，安裝于電動(dòng)機(jī)和負(fù)載之間，通過永磁體的磁場和導(dǎo)體轉(zhuǎn)子的感應(yīng)磁場相互作用傳遞扭矩，具有以下特點(diǎn)：

◇永磁調(diào)速器的結(jié)構(gòu)簡單，對負(fù)載轉(zhuǎn)速的控制屬于機(jī)械調(diào)速，與變頻調(diào)速相比可靠性較高；

◇永磁轉(zhuǎn)子和導(dǎo)體轉(zhuǎn)子之間通過氣隙傳遞扭矩，無機(jī)械連接，有效地減少了噪聲和振動(dòng)，保證了設(shè)備的使用，且安裝時(shí)允許一定的安裝對中誤差；

◇永磁調(diào)速器能夠?qū)崿F(xiàn)零負(fù)載啟動(dòng)，當(dāng)負(fù)載發(fā)生堵轉(zhuǎn)或過載時(shí)，將導(dǎo)體轉(zhuǎn)子和永磁轉(zhuǎn)子脫開，即可斷開電動(dòng)機(jī)和負(fù)載之間扭矩的傳遞，保護(hù)電動(dòng)機(jī)不受影響；

◇永磁調(diào)速器調(diào)速范圍寬，可在0～98%范圍內(nèi)對負(fù)載進(jìn)行無級調(diào)速，傳遞效率最高可達(dá)98%，且節(jié)能效果明顯，節(jié)電率為10%～60%；

◇永磁調(diào)速器不會對電網(wǎng)產(chǎn)生諧波干擾，也不易受環(huán)境影響，能夠適應(yīng)電網(wǎng)質(zhì)量差、易燃、易爆、潮濕、粉塵含量高等場所。

3 永磁調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用及分析

根據(jù)實(shí)際情況，某化纖企業(yè)對鍋爐煙氣脫硝工程中的引風(fēng)機(jī)進(jìn)行了節(jié)能改造，采用水冷型永磁調(diào)速器。圖2 是對引風(fēng)機(jī)進(jìn)行永磁調(diào)速改造后的現(xiàn)場照片。改造時(shí)，將電動(dòng)機(jī)外移，把永磁調(diào)速器安裝在引風(fēng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)之間。永磁調(diào)速器中的電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)接收爐膛內(nèi)的壓力信號，控制永磁轉(zhuǎn)子和導(dǎo)體轉(zhuǎn)子之間的嚙合面積，從而改變引風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)風(fēng)速，使?fàn)t膛內(nèi)的壓力保持在設(shè)定值。

圖2 引風(fēng)機(jī)永磁調(diào)速改造現(xiàn)場

為了保證系統(tǒng)能夠長時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行，采取了一系列保護(hù)措施。永磁調(diào)速器中導(dǎo)體轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生的渦流是使永磁調(diào)速器運(yùn)轉(zhuǎn)的重要因素，但也帶來了負(fù)面影響，即永磁體的性能會因渦流發(fā)熱導(dǎo)致的溫升而受到影響。因此，需采用水冷系統(tǒng)對永磁調(diào)速器進(jìn)行冷卻，保證永磁體溫度不超過工作溫度。對引風(fēng)機(jī)的運(yùn)行情況也進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測，一旦引風(fēng)機(jī)出現(xiàn)過載或堵轉(zhuǎn)的情況，則立即向電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)傳送信號，使永磁轉(zhuǎn)子和導(dǎo)體轉(zhuǎn)子脫開，從而起到保護(hù)電動(dòng)機(jī)的作用。軸承是永磁調(diào)速器中的重要部件，利用溫度傳感器在線檢測永磁調(diào)速器內(nèi)各軸承的溫度，當(dāng)軸承溫度過高時(shí)，則報(bào)警停機(jī)檢查。

3.1 永磁調(diào)速器的調(diào)速特性

引風(fēng)機(jī)永磁調(diào)速改造后的運(yùn)行參數(shù)如表1 所示。由表1 可知，為了保證爐膛內(nèi)的負(fù)壓穩(wěn)定在-30 Pa 左右，當(dāng)鍋爐負(fù)荷改變時(shí)，電動(dòng)執(zhí)行器調(diào)節(jié)永磁轉(zhuǎn)子的軸向位置，改變其與導(dǎo)體轉(zhuǎn)子的嚙合面積，實(shí)現(xiàn)對引風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，從而達(dá)到控制引風(fēng)機(jī)風(fēng)量的目的。隨著鍋爐負(fù)荷的減少，電動(dòng)機(jī)的電流也減小，有效提高了引風(fēng)機(jī)的運(yùn)行效率。根據(jù)表1 數(shù)據(jù)，得出永磁調(diào)速器的調(diào)節(jié)特性曲線（圖3），轉(zhuǎn)速、鍋爐負(fù)荷曲線的線性度較好，說明永磁調(diào)速器能夠滿足生產(chǎn)的控制需求。

在測量過程中，軸承的溫度隨著轉(zhuǎn)速的增大而升高，但一直穩(wěn)定在正常范圍內(nèi)。永磁調(diào)速器和引風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)正常，穩(wěn)定性良好。

表1 引風(fēng)機(jī)永磁調(diào)速改造后的運(yùn)行參數(shù)

圖3 永磁調(diào)速器調(diào)節(jié)特性曲線

3.2 永磁調(diào)速改造后的系統(tǒng)振動(dòng)情況

對采用永磁調(diào)速和節(jié)流調(diào)節(jié)的引風(fēng)機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行了振動(dòng)測量，得到的數(shù)據(jù)如表2 所示。通過比較兩種情況下的引風(fēng)機(jī)系統(tǒng)振動(dòng)情況，可以發(fā)現(xiàn)永磁調(diào)速改造后，系統(tǒng)的振幅大幅度減少。這是因?yàn)橛来耪{(diào)速器取代了原來的剛性聯(lián)軸器，采用非機(jī)械連接，通過永磁體和銅導(dǎo)體之間的氣隙實(shí)現(xiàn)扭矩的傳遞，這樣引風(fēng)機(jī)側(cè)和電動(dòng)機(jī)側(cè)的振動(dòng)就不會相互傳遞，引風(fēng)機(jī)軸和電動(dòng)機(jī)軸之間也不會因?yàn)榘惭b未對準(zhǔn)而產(chǎn)生偏移。另外，永磁調(diào)速器將原來的長軸換成了兩個(gè)互不相連的短軸系統(tǒng)，大大減少了長軸對振動(dòng)的放大效應(yīng)。

大部分旋轉(zhuǎn)設(shè)備的故障是由于振動(dòng)引起的，振動(dòng)會導(dǎo)致軸承和密封件的壽命縮短，并且使設(shè)備的溫度升高[4]。永磁調(diào)速改造后，引風(fēng)機(jī)系統(tǒng)振動(dòng)降低了50%以上。據(jù)相關(guān)資料顯示，當(dāng)振動(dòng)減少50%時(shí)，軸承壽命可增加7 倍以上。因此，永磁調(diào)速器的引入減少了直接軸連接帶來的軸承和密封件的損壞，提高了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

表2 振動(dòng)數(shù)據(jù)

3.3 永磁調(diào)速器節(jié)能效果分析

對5#爐的2 臺引風(fēng)機(jī)進(jìn)行永磁調(diào)速改造后，與2#爐采用節(jié)流調(diào)節(jié)的引風(fēng)機(jī)進(jìn)行比較，測得的耗電數(shù)據(jù)見表3。在滿負(fù)荷情況下，永磁調(diào)速改造后的引風(fēng)機(jī)平均所需的電流比工頻情況下的引風(fēng)機(jī)小6.94 A；工作16 h 后，2#爐引風(fēng)機(jī)的總耗電量為12 183 kWh，5#爐引風(fēng)機(jī)的總耗電量為9511 kWh，與2#爐相比節(jié)約了21.9%的電量。這是因?yàn)橐L(fēng)機(jī)采用節(jié)流調(diào)節(jié)時(shí)，利用風(fēng)門擋板開度來改變風(fēng)速，當(dāng)風(fēng)門擋板開度變小時(shí)，在其兩端產(chǎn)生很大的壓力差，煙氣經(jīng)過風(fēng)門擋板時(shí)造成非常大的能量損失。而永磁調(diào)速器使風(fēng)門開度保持不變，通過改變引風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)風(fēng)速，引風(fēng)機(jī)進(jìn)出口壓差基本不變，能量損失大大減少。

表3 引風(fēng)機(jī)永磁調(diào)速和節(jié)流調(diào)節(jié)滿負(fù)荷耗電數(shù)據(jù)

假設(shè)鍋爐每年滿負(fù)荷運(yùn)行8000 h，未加裝永磁調(diào)速器前，年耗電量為609.2×104kWh；永磁調(diào)速改造后，年耗電量為475.6×104kWh。每年節(jié)約電量133.6×104kWh，電價(jià)按0.6 元/kWh 計(jì)算，則每年可節(jié)省電費(fèi)支出80.16 萬元。

在實(shí)際工作中，鍋爐不是一直運(yùn)行在滿負(fù)荷狀態(tài)，隨著鍋爐負(fù)荷的減少，引風(fēng)機(jī)所需的電量也減少。因此，在實(shí)際生產(chǎn)中，永磁調(diào)速器節(jié)電更加可觀。而且永磁調(diào)速器是純機(jī)械設(shè)備，可靠性高，永磁調(diào)速后減少了系統(tǒng)的振動(dòng)，延長了軸承和密封件的壽命，系統(tǒng)平均無故障時(shí)間長，維護(hù)費(fèi)用低?？紤]到永磁調(diào)速器能夠使電動(dòng)機(jī)空載啟動(dòng)，不僅有效降低了電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流，還降低了電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)的故障率。所以，永磁調(diào)速器帶來的效益遠(yuǎn)大于上述數(shù)據(jù)。

4 結(jié)論

鍋爐煙氣脫硝工程中采用了永磁調(diào)速器，對引風(fēng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速后，風(fēng)門擋板全開，永磁調(diào)速器根據(jù)爐膛負(fù)壓自動(dòng)調(diào)節(jié)引風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，保證爐膛負(fù)壓穩(wěn)定在-30 Pa 左右。整個(gè)過程不需要人為操作，且永磁調(diào)速器控制精度高，響應(yīng)速度快。經(jīng)過一段時(shí)間的運(yùn)行，永磁調(diào)速器表現(xiàn)出良好的節(jié)能效果，大大降低了生產(chǎn)成本。永磁調(diào)速技術(shù)的發(fā)展為電動(dòng)機(jī)的調(diào)速節(jié)能提供了一種新的選擇，具有較好的應(yīng)用前景和推廣價(jià)值[5]。

[1]錢廣華.永磁調(diào)速器應(yīng)用在鼓風(fēng)機(jī)上的節(jié)能效果分析[J].電氣應(yīng)用,2009,28(22):24-27.

[2]劉宏宇.永磁調(diào)速系統(tǒng)與節(jié)能[J].上海電力,2008(3):257-260.

[3]鄧金峰.200 MW 鍋爐風(fēng)機(jī)節(jié)能改造研究[D].河北:華北電力大學(xué),2004.

[4]張祥勝.永磁調(diào)速驅(qū)動(dòng)器在原油穩(wěn)定裝置上的應(yīng)用[J].石油石化節(jié)能,2011(9):34-36.

[5]嚴(yán)新榮,張東.永磁調(diào)速技術(shù)在火力發(fā)電廠中的節(jié)能應(yīng)用研究[J].華電技術(shù),2009,31(12):26-28.