永磁調(diào)速技術(shù)在發(fā)電廠設(shè)備上應(yīng)用的探討

付瓊，張冠群

(神華國華永州發(fā)電有限責(zé)任公司，湖南永州425000)

永磁調(diào)速技術(shù)在發(fā)電廠設(shè)備上應(yīng)用的探討

Application of speed permanent magnet technology in power plant equipments

付瓊，張冠群

(神華國華永州發(fā)電有限責(zé)任公司，湖南永州425000)

永磁調(diào)速器具有結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、環(huán)境適應(yīng)性好等特點(diǎn)。文中簡要介紹永磁調(diào)速器的工作原理并與其他設(shè)備進(jìn)行比較，詳述永磁技術(shù)在發(fā)電廠中的應(yīng)用。該技術(shù)應(yīng)用投運(yùn)后運(yùn)行穩(wěn)定，節(jié)能效果明顯。

永磁調(diào)速器；安全性；閉式水泵；風(fēng)機(jī)；節(jié)能

環(huán)境污染與能源短缺是當(dāng)前人類面臨的嚴(yán)峻問題，節(jié)能環(huán)保設(shè)備和技術(shù)的應(yīng)用也受到普遍的重視，特別是在電廠、化工等重點(diǎn)耗能行業(yè)。永磁調(diào)速器是近年來節(jié)能技術(shù)上的一個(gè)創(chuàng)新和趨勢，主要應(yīng)用于風(fēng)機(jī)、泵類等離心負(fù)載調(diào)速節(jié)能方面。以往的調(diào)節(jié)方式通過節(jié)流閥門或擋板調(diào)節(jié)，損失大、效率低，閥門調(diào)節(jié)磨損或變形嚴(yán)重，導(dǎo)致系統(tǒng)故障率高，維護(hù)成本高，通過永磁調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)降低生產(chǎn)運(yùn)行成本和提高設(shè)備使用效率。

1 永磁調(diào)速驅(qū)動(dòng)器簡介

1.1 永磁調(diào)速技術(shù)原理

永磁調(diào)速技術(shù)是近年來較受推廣的節(jié)能項(xiàng)目，如圖1所示，通過氣隙(磁耦間隙)傳遞轉(zhuǎn)矩的傳動(dòng)設(shè)備，電機(jī)與負(fù)載設(shè)備轉(zhuǎn)軸之間無需機(jī)械連結(jié)，電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)帶動(dòng)主動(dòng)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生感應(yīng)磁場，感應(yīng)磁場和永磁場之間磁性的相互吸合和排斥拉動(dòng)從動(dòng)轉(zhuǎn)子。通過調(diào)節(jié)從動(dòng)轉(zhuǎn)子與主動(dòng)轉(zhuǎn)子之間的氣隙(磁耦間隙)的大小，可以調(diào)節(jié)從動(dòng)轉(zhuǎn)子所處位置的磁場大小，氣隙越小，主動(dòng)轉(zhuǎn)子所處位置的磁場越強(qiáng)，其高速旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的感應(yīng)磁場也越強(qiáng)，所產(chǎn)生的扭矩也越大，負(fù)載轉(zhuǎn)速也越高。反之，氣隙越大，主動(dòng)轉(zhuǎn)子所處位置的磁場越小，其高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的感應(yīng)磁場也越小，產(chǎn)生的扭矩也越小，負(fù)載轉(zhuǎn)速也就越低〔1〕。在實(shí)際控制中，永磁調(diào)速器配套電動(dòng)執(zhí)行器，由電動(dòng)執(zhí)行器調(diào)節(jié)主動(dòng)轉(zhuǎn)子與從動(dòng)轉(zhuǎn)子之間的距離，就可以對(duì)轉(zhuǎn)速的實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制或自動(dòng)控制，以響應(yīng)系統(tǒng)運(yùn)行的要求。

圖1 永磁調(diào)速技術(shù)原理圖

1.2 永磁技術(shù)與變頻技術(shù)的對(duì)比

在傳統(tǒng)的調(diào)速方式中，變頻調(diào)速應(yīng)用較為廣泛。變頻調(diào)速利用電力電子技術(shù)來實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，可以根據(jù)實(shí)際工況來進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)。另外變頻技術(shù)平滑性好、精度高、波動(dòng)小，根據(jù)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性曲線，當(dāng)轉(zhuǎn)速下降后，節(jié)能效果較為明顯，可以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的軟起動(dòng)，提高電動(dòng)機(jī)的使用壽命。但是變頻技術(shù)對(duì)于環(huán)境溫度的要求高，高參數(shù)設(shè)備采用變頻技術(shù)還要設(shè)置帶有空調(diào)的專用房間，電子元件在高溫的情況下故障率提升，后期維護(hù)量增大，而且設(shè)備占地面積大，高壓變頻器啟動(dòng)時(shí)還會(huì)產(chǎn)生諧波，影響其他設(shè)備的運(yùn)行〔2〕。

1.3 永磁調(diào)速技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)

1)負(fù)載與電機(jī)無需機(jī)械連接來傳遞扭矩，完全是通過磁力傳遞扭矩的，因此隔離了振動(dòng)的傳遞，設(shè)備的振動(dòng)較小。

2)永磁調(diào)速理論上可在額定轉(zhuǎn)速0～100%范圍內(nèi)對(duì)負(fù)載進(jìn)行無級(jí)調(diào)速，根據(jù)需要將調(diào)節(jié)范圍設(shè)定，可相應(yīng)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)機(jī)在一定范圍轉(zhuǎn)速之間調(diào)節(jié)。

3)可實(shí)現(xiàn)電機(jī)空載啟動(dòng)，減少電機(jī)沖擊電流。

4)適應(yīng)潮濕、粉塵、環(huán)境溫度、防爆等環(huán)境。

5)允許有一定安裝對(duì)中誤差，簡化了安裝調(diào)試。

針對(duì)以上特點(diǎn)，永磁調(diào)速技術(shù)是針對(duì)風(fēng)機(jī)、泵負(fù)載調(diào)速節(jié)能的適用技術(shù)，具有節(jié)能、可靠等特點(diǎn)。結(jié)合發(fā)電廠工程實(shí)際情況，永磁調(diào)速技術(shù)若應(yīng)用于水泵、風(fēng)機(jī)等設(shè)備上存在一定的節(jié)能空間。

2 永磁技術(shù)在發(fā)電廠設(shè)備上的應(yīng)用

2.1 在閉式水泵上的實(shí)際應(yīng)用

發(fā)電廠的閉式水系統(tǒng)，在春、秋季節(jié)，尤其是冬季期間閉式水溫度低，富裕量大〔3〕，常采用調(diào)節(jié)閥門開度的方法來控制閉式水壓力和溫度，該方式會(huì)造成很大的節(jié)流損失，還會(huì)產(chǎn)生汽蝕和振動(dòng)，造成設(shè)備損壞。某1 000 MW電廠閉式水系統(tǒng)采用1臺(tái)閉式水泵應(yīng)用永磁調(diào)速裝置，另1臺(tái)閉式水泵采用常規(guī)配置作為備用，同時(shí)取消原出口調(diào)節(jié)門。

2.1.1 運(yùn)行情況

該閉式水泵實(shí)際運(yùn)行中，調(diào)速器以閉式水母管壓力為調(diào)節(jié)對(duì)象，設(shè)定值正常維持在0.4～0.5 MPa之間，此壓力反饋給永磁氣隙執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，達(dá)到控制閉式水泵流量和出口壓力的目的。

轉(zhuǎn)速變化會(huì)引起輔機(jī)振動(dòng)變化，運(yùn)行中測得振動(dòng)值為:出力最低和最大時(shí)均為9 μm，符合要求。

運(yùn)行中保持母管壓力持續(xù)的保持穩(wěn)定，是永磁調(diào)速技術(shù)的關(guān)鍵，其控制邏輯如圖2所示。

該廠的實(shí)際運(yùn)行情況表明，永磁調(diào)節(jié)器的工作特性也是十分平穩(wěn)的。

2.1.2 節(jié)能效果

由于永磁技術(shù)是通過改變負(fù)載側(cè)的轉(zhuǎn)速來達(dá)到節(jié)能的目的，故其實(shí)際的節(jié)能效果要遜色于變頻技術(shù)〔4〕。該電廠原閉式水泵出口壓力為0.70 MPa，引進(jìn)永磁技術(shù)后，維持母管壓力在0.5～0.7 MPa之間，所以其節(jié)能的效果只能在0.2 MPa的區(qū)間內(nèi)，不過考慮閉式水母管壓力正常運(yùn)行時(shí)，不會(huì)低于0.4 MPa，如果采用變頻技術(shù)會(huì)增大設(shè)備的投資，故采用永磁技術(shù)對(duì)節(jié)能工作是很有效的〔5〕。

圖2 永磁調(diào)速裝置控制邏輯

該廠改造前閉式泵夏季運(yùn)行電流在21～22.6 A之間，閉式水壓力為0.75～0.73 MPa，日耗電約6 710～6 850 kWh；加裝永磁調(diào)速后在夏季7—9這3個(gè)月運(yùn)行期間調(diào)速指令在55%左右，閉式水壓力0.68 MPa，滿足系統(tǒng)運(yùn)行要求，水泵運(yùn)行電流19.8 A，日耗電量約6 321 kWh，相對(duì)改造前降低約500 kWh/d。按照夏季運(yùn)行工況95天計(jì)，可節(jié)電47 500 kWh。其他季節(jié)溫度較低時(shí)，調(diào)速指令在30%左右，閉式水壓力0.495 MPa，滿足系統(tǒng)運(yùn)行要求，水泵運(yùn)行電流14.1 A，日耗電約3 180 kWh，相對(duì)改造前降低約3 600 kWh/d，該階段每年按永磁使用270天計(jì)，可節(jié)電972 000 kWh；全年共計(jì)節(jié)電1 019 500 kWh。

2.2 永磁調(diào)速技術(shù)在引風(fēng)機(jī)上的應(yīng)用

2.2.1 應(yīng)用背景

某電廠裝備3臺(tái)170 t/h高溫高壓煤粉鍋爐和2臺(tái)25 MW抽凝式汽輪機(jī)組及相應(yīng)輔助設(shè)施，供熱能力為260 t/h。2013年脫硫系統(tǒng)進(jìn)行爐外氨法脫硫改造，煙氣二氧化硫排放低至100 mg/Nm3。

2.2.2 2號(hào)爐節(jié)能改造

改造前，2號(hào)爐甲、乙引風(fēng)機(jī)調(diào)速采用內(nèi)反饋串級(jí)調(diào)速，該調(diào)速裝置目前已經(jīng)淘汰，不但不節(jié)能，而且經(jīng)常出現(xiàn)電流晃動(dòng)、可控硅擊穿、爆熔斷器等調(diào)速故障現(xiàn)象，影響安全運(yùn)行。改造后，2號(hào)爐甲、乙引風(fēng)機(jī)調(diào)速改為永磁調(diào)速。在機(jī)務(wù)方面，為保證冷卻效果，增加了1個(gè)冷卻水箱、2個(gè)冷卻水泵和1個(gè)板式熱交換器，用以冷卻永磁裝置。在電氣方面，內(nèi)反饋保留全速啟動(dòng)裝置，在電機(jī)與風(fēng)機(jī)連軸器間加裝永磁裝置，并在現(xiàn)場配置就地電源操作控制箱。在熱控方面，取消了原內(nèi)反饋轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，改為執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)磁耦間隙以實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，增加冷卻水泵、軸承溫度、水壓、水溫等熱工測點(diǎn)。爐膛負(fù)壓信號(hào)被控制系統(tǒng)接收和處理，然后提供到執(zhí)行器。永磁轉(zhuǎn)子和導(dǎo)體轉(zhuǎn)子均為圓盤狀，永磁盤外徑略小于導(dǎo)體盤內(nèi)徑，并位于導(dǎo)體盤套內(nèi)，永磁盤與導(dǎo)體盤留有間隙，通過執(zhí)行器推動(dòng)永磁盤伸縮，調(diào)節(jié)永磁盤與導(dǎo)體盤的位置，達(dá)到控制傳遞扭矩的大小和轉(zhuǎn)速。整個(gè)控制系統(tǒng)可以自動(dòng)控制，也可切換為手動(dòng)方式控制。當(dāng)控制系統(tǒng)故障時(shí)，可通過執(zhí)行器手動(dòng)調(diào)節(jié)。

2.2.3 節(jié)能效果對(duì)比

在對(duì)2號(hào)爐引風(fēng)機(jī)永磁調(diào)速改造的同時(shí)，對(duì)脫硫系統(tǒng)地進(jìn)行了改造，由爐內(nèi)石灰石脫硫改造為爐外氨法脫硫，但脫硫項(xiàng)目投運(yùn)后，增加了風(fēng)道阻力，提高了引風(fēng)機(jī)出口風(fēng)壓，增加了引風(fēng)機(jī)用電量，引風(fēng)機(jī)單耗有所上升，因此2號(hào)爐引風(fēng)機(jī)改造前、后的單耗不具有可比性。由于3臺(tái)鍋爐型號(hào)、引風(fēng)機(jī)型號(hào)相同，負(fù)荷平均分配，故將改造后的2號(hào)爐與未改造的3號(hào)爐引風(fēng)機(jī)單耗進(jìn)行同期對(duì)比，以此比較節(jié)能效果，2014年3—8月期間對(duì)比見表1。

由表1可知，改造后的2號(hào)爐比未改造的3號(hào)爐引風(fēng)機(jī)單耗下降3.649－2.829＝0.82 kWh/t (汽)。

表1 某電廠2，3號(hào)爐引風(fēng)機(jī)單耗對(duì)比

3 問題及建議

3.1 響應(yīng)速度相對(duì)較慢

設(shè)備啟動(dòng)開始到滿出力需要一個(gè)過程，不利于事故處理。執(zhí)行機(jī)構(gòu)從全關(guān)到全開需要35～45 s的時(shí)間，啟動(dòng)初期能到達(dá)約40%的出力，再通過運(yùn)行人員手動(dòng)調(diào)節(jié)出力，整個(gè)過程約1 min，因此建議2臺(tái)互為備用的設(shè)備，一臺(tái)采用永磁調(diào)速技術(shù)，保持長期連續(xù)運(yùn)行，另一臺(tái)采用常規(guī)配置，起到可靠備用的目的?？擅吭禄蚨ㄆ趩?dòng)運(yùn)行一段時(shí)間再切換回永磁調(diào)速的設(shè)備運(yùn)行，進(jìn)行必要的設(shè)備輪換，確保設(shè)備的可靠備用。

3.2 永磁調(diào)速技術(shù)的冷卻方式

目前永磁調(diào)速技術(shù)有空冷和水冷2種冷卻方式。對(duì)于功率較大的電機(jī)采用永磁技術(shù)，風(fēng)冷方式是否適用，是需要周密考慮和調(diào)研的。一般功率在300 kW以上的電機(jī)，建議采用水冷的永磁調(diào)節(jié)器，因?yàn)殡S著負(fù)載功率的提升，調(diào)節(jié)器處的溫度會(huì)隨之升高，在高溫下磁場會(huì)發(fā)生“消磁”現(xiàn)象，為了保證冷卻效果，需要增加輔助系統(tǒng)及設(shè)備，使運(yùn)行系統(tǒng)復(fù)雜化，且增加一定的初投資。為避免產(chǎn)生水費(fèi)，循環(huán)冷卻水需要?jiǎng)恿?，每臺(tái)永磁調(diào)速器大約需要3 kW的電動(dòng)機(jī)作為冷卻水動(dòng)力，按照電費(fèi)0.4元/kWh計(jì)算，年運(yùn)行費(fèi)用大約1萬元，因此在實(shí)際應(yīng)用過程中需要考慮初投資成本及節(jié)能收益回報(bào)率。

4 結(jié)語

永磁調(diào)速技術(shù)應(yīng)用于電廠，達(dá)到了調(diào)速節(jié)能的目的，且設(shè)備運(yùn)行較為可靠，能夠滿足系統(tǒng)正常運(yùn)行的需要。從長期的運(yùn)行角度考慮，永磁調(diào)速技術(shù)能為電廠帶來明顯的經(jīng)濟(jì)效益，在風(fēng)機(jī)、水泵的應(yīng)用和改造將會(huì)取得更大的突破和發(fā)展。

〔1〕趙國祥，馬文靜，曹永剛.永磁調(diào)速驅(qū)動(dòng)器在閉式冷卻水泵上的節(jié)能改造〔J〕.節(jié)能，2010，29(4):41-43.

〔2〕張利民，康博.永磁調(diào)速技術(shù)的特點(diǎn)及其在發(fā)電廠中的應(yīng)用〔J〕.電子制作，2014(21):240-241.

〔3〕呂鵬飛.某電廠閉式泵改變頻的應(yīng)用〔J〕.安徽電力科技信息，2011(4):27-29.

〔4〕翟德雙.永磁調(diào)速器在凝結(jié)水泵上的節(jié)能改造運(yùn)用〔J〕.中國電力，2012，45(7):45-48.

〔5〕趙勇，張春杰，王剛，等.電廠閉式水泵永磁調(diào)速器改造的經(jīng)濟(jì)效益分析〔J〕.華電技術(shù)，2015，37(3):38-41.

TM621.3

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1008-0198(2016)01-0072-03

付瓊(1980)，男，遼寧省葫蘆島市人，工程師，工學(xué)學(xué)士，長期從事火力發(fā)電廠生產(chǎn)運(yùn)行工作。

10.3969/j.issn.1008-0198.2016.01.021

2015-04-17 改回日期:2015-11-19

張冠群(1984)，男，遼寧省沈陽市人，工程師，工學(xué)學(xué)士，從事火力發(fā)電廠鍋爐專業(yè)運(yùn)行工作。