永磁調速技術在發電廠輔機節能改造中的應用分析

陶振國，朱 榮

（臺州發電廠，浙江 臺州 318016）

0 引言

發電廠大量以電動機拖動的機械設備所消耗的電能約占所生產電能的5%～10%，而各種泵及風機等離心式負載設備所消耗的電能又占了上述能耗的80%之多。出于系統安全等方面的考慮，發電廠設計中風機的風量裕度往往選得比較大，風機的用電量中，很大一部分是因風機的型號與管網系統的參數不匹配及調節方式不當而被調節風門所消耗。因此，改進離心風機的調節方式是提高風機效率、降低風機耗電量進而降低廠用電率的有效途徑。

高壓異步電動機的調節裝置有多種，其中機械式調節（如進、出口節流擋板、液力偶合調節等）由于調節精度底、調速范圍有限、低速轉差損耗大、控制精度低、線性度差、響應慢、容易漏液等原因，目前已逐漸退出使用。近年來，應用比較普遍的高壓變頻調速技術也逐漸暴露出一些缺點，如諧波分量大影響電能質量、設備運行環境要求高、高壓高溫條件下設備故障率高、電子元器件容易老化、維護工作量大且安全性較差等。

永磁調速技術利用永磁調速驅動器（PMD），通過磁力耦合實現非機械連接扭矩的傳遞，通過改變電機與負載之間的轉速差來實現調速。具有維護工作量少、設備可靠性高，且能實現無級平滑調速、自動控制等特點，在國外已有廣泛的應用，因此近年來也越來越受到國內用戶的重視。

1 永磁調速技術的工作原理

1．1 永磁耦合技術

如圖1（a）所示，根據楞次定律，當磁鐵棒N極垂直接近導體板時，在導體上會產生1個N極磁場來抵抗磁棒N極接近，該抵抗磁場由逆時針方向的感應電流（渦電流）所產生。同理，如圖1（b）所示，當磁鐵棒N極平行于導體板移動時，在導體板上會產生抵抗磁鐵棒N極前進的方向相反的2個磁場，在磁鐵棒N極的前方產生N極磁場、后方產生S極磁場抵抗磁鐵棒前進。而且當磁鐵棒愈靠近導體板時，導體板上抵抗磁鐵棒相對運動的力愈大。

圖1 磁鐵棒與導體板發生相對運動時引起的感應現象（楞次定律）

永磁耦合技術即是由楞次定律引申而來，如圖2所示。

圖2 永磁耦合技術原理

（1）當磁力線通過銅導體時，靜止的情況下不會有作用。

（2）當磁鐵棒與導體板有相對運動時，磁力線在導體中移動產生感應渦電流（Eddy Current），進而在銅導體上產生感應磁場，而產生扭距。

（3）當兩者越靠近時，磁力線密度越密集，扭距越大。

（4）當兩者相對運動越快時，兩者感應同極磁場越強，產生扭距越大（轉差越大，扭距越大）。

1．2 永磁調速器的基本組件結構

永磁調速器主要由兩部分組成，如圖3所示，一部分是安裝在負載側的永磁轉子，另一部分安裝在電動機側的銅轉子，銅轉子與電動機轉速一致，在運行過程中保持不變。銅轉子和磁轉子可以自由獨立旋轉。當傳感器檢測風機或其他負載設備的出口壓力、流量或其他控制信號有變化之后，輸入到PLC現場控制器或DCS系統，經計算處理后，輸出調節信號至調速器的氣隙調節機構，執行器控制永磁耦合器的氣隙從而調節負載轉速，改變負載出口流量，傳感器測量到反饋信號后再次輸入PLC或DCS中進行計算，輸出控制信號，直到負載出口的實際測量信號達到控制要求值。

圖3 永磁調速器結構

2 永磁調速技術的節能分析

根據流體力學理論，風機的風量Q與轉速n成正比，風壓H跟轉速平方成正比，軸功率跟轉速的3次方成正比。如圖4所示，曲線3為恒定轉速下的功率-風量特性曲線；曲線1為管網風阻特性（風門全開）。假設風機在A點時效率最高，即為風機的額定工作點，此時輸出風量Q1為100%，軸功率正比于P1×Q1的乘積，即圖中AH1OQ1的面積。如果需要將風量減小一半，假定采用以下2種調節方式：

圖4 風機特性

（1）采用入口節流調節方法，當風量由Q1減少到Q2時，管路特性由曲線1轉移至曲線2，系統工作點由A點移至B點。由圖可知，雖然風量減少，但風壓由H1增加到H2，軸功率相當于曲線面積BH2OQ2，相對于面積AH1OQ1變化不大。

（2）采用永磁調速技術改變風機的轉速，在風門擋板全開的情況下，風機轉速由n1降至n2，相應的流量由Q1降至Q2時，軸功率相當于圖中面積CH3OQ2，功率減少明顯，經濟效益顯著。

3 永磁調速技術的應用

3．1 改造重點及注意事項

某300 MW機組配有2臺離心式一次風機，采用6 kV，900 kW定速電機驅動運行，靠調節進口擋板開度來調整一次風量。改造前機組滿負荷運行時一次風機電流約81 A，一次風機進口擋板開度約50%，風壓約8.4 kPa。

永磁節能改造的重點是要在電機與風機之間加裝永磁調速驅動器并為其提供1套可靠的冷卻系統。對于采用空冷型（電機功率在315 kW以下、轉速在750～3 600 r/min范圍以內）立式安裝方式的調速器而言，僅考慮系統的調試時間，一般需4天時間。但對于水冷型且采用臥式安裝型式的調速器，必須考慮水冷系統以及基礎的施工時間。由于改造對象為高速旋轉的設備，為保證基礎的穩定性，一般需采用樁基礎。相對于已投運的系統來說，施工現場場地往往較為局促，機械樁基很難架設，一般只能采用人工挖孔樁，因此施工工期較長。而且基礎的改接工作必須在設備停役后進行，新基礎還存在一次灌漿、二次灌漿以及保養等問題，改造時應充分考慮上述因素對工期的影響。

3．2 系統運行情況及存在的問題

永磁調速系統投運后，風機、電機振動值較改造前大幅度降低，永磁調速裝置響應及時，調節平滑，系統總體運行情況良好。但也存在一些問題，主要表現在：

（1）軸承溫度監視手段不夠完善，存在盲區。整個調速器共有7個軸承，其中輸出端4個軸承采用油冷卻并通過油溫監測軸承運行工況，中間導向軸承以及輸入端軸承無有效溫度監測手段，應在相應的位置開孔加埋端面熱電阻加以監視。

（2）軸承潤滑油脂加入通道設置不合理，操作困難且存在通道不暢的問題，長期運行可能會引起軸承過熱等故障。

（3）由于永磁調節器為純機械結構，長期運行過程中不可避免會產生振動、軸承損壞以及漏油等缺陷，系統在處理缺陷時無法恢復運行，電量損失嚴重，因此有必要在改造時考慮配置與調速器安裝尺寸一致的應急軸。

4 系統改造后的效益評價

4.1 節電效益

一次風機永磁節能改造后，風機系統經濟性有了一定的改善。選取改造后的部分工況與改造前相應工況進行節能情況比較分析，其結果如表1所示。從表中可以看出，機組在滿負荷狀態下，系統節能效果不是很明顯，節能率約為6%；機組在年平均負荷段（210～200 MW）運行時，節能率約為15%。

表1 一次風機改造前后能耗比較

4.2 其他效益

（1）與改造前相比，改造后加快了一次風量的調節速度，實現一次風機系統自動化控制，提高了機組運行的穩定性。

（2）避免了電機啟動時大電流沖擊對電機的危害，延長了電機和擋板的檢修周期和壽命，減少了維修工作量。

（3）隔離了電機側與負載側的振動傳遞，大大減少了整個一次風機系統的振動。

4.3 系統節能率分析

造成一次風機永磁節能改造節能率不理想的主要原因是沒有充分考慮進口調節擋板的調節特性。一次風機采用高效節能的百葉窗式節流擋板，其開度與節流損失不成比例。當擋板開度在40%以下時，其節流損失與開度存在一定的線性關系；而當擋板開度超過40%時，節流損失與開度線性度較差，特別是擋板在50%以上時其節流損失甚至沒有什么變化，因此僅以機組滿負荷時擋板開度50%左右來估算一次風機的風量裕度，勢必造成估算值偏大。

表2為一次風機永磁調速器現場調試記錄。從現場的實際情況看，將改造前一次風機調節擋板開度在40%以上工況與調節方式改為永磁調速后相比，一次風機轉速和風壓變化均不大，因此其節能效果也比較有限。

表2 一次風機永磁調節器調節性能

5 結語

永磁驅動技術是近年來開發的一項突破性新技術，尤其適用于風機、泵類離心負載節能調速，具有高效節能、高可靠性、無剛性連接傳遞扭矩、可在惡劣環境下應用、極大減少整體系統振動、減少系統維護和延長系統使用壽命等特點。尤其是其不產生高次諧波且低速下不造成電機發熱的優良調速特性，更使其成為風機及泵類設備節能技術改造的又一個理想選擇。

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