永磁調速技術在鍋爐煙氣脫硝中的應用

周麗萍 王向東 黃忠念（.南京理工大學；.南京艾凌節能技術有限公司）

引風機是鍋爐煙氣脫硝工程中的主要輔助設備，也是整個裝置中的耗能大戶[1]。引風機長期運行在額定轉速下，為滿足設備和系統需要，減小噪聲和管道的振動，常采用風門擋板來控制風量和爐膛負壓。這種控制方式節流損失大，電能浪費嚴重。另一方面，煙氣通過引風機時易積灰，很可能造成堵轉事故。因此，為保證煙氣脫硝裝置的運行穩定性，提高引風機的運行效率，可對引風機進行變速調節。永磁調速技術是專門針對風機、泵類等離心負載調速節能的新型技術。它能夠根據負載需求適時調整引風機的轉速，達到節電的目的；此外，永磁調速器還能在引風機出現堵轉時及時保護電動機。目前，永磁調速技術已廣泛應用于電力、石油、化工、造紙、鋼鐵、水泥、冶金、采礦等行業[2]，表現出較高的可靠性，并取得良好的節能效果。

1 系統概況

某化纖企業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行的環保項目，鍋爐煙氣脫硝工藝流程如圖1 所示。鍋爐煙氣經過省煤器后進入SCR 反應塔進行脫硝，然后流經空氣預熱器、除塵器，經引風機排出煙囪。引風機的型號為AI4400-1.014/0.96，額定功率為488 kW，額定流量為264 000 m3/h，額定風壓5400 Pa，全壓效率86.1%；配套電動機的型號為YX3-4004-6，額定功率560 kW，額定電壓6 kV，額定轉速980 r/min。

在對引風機進行選型時，設計比較復雜，計算過程繁瑣，計算精度低，且引風機選型比較保守，富裕系數選擇較大[3]。引風機投入運行后，因鍋爐煙氣量變化頻繁，引風機不需要在額定轉速下長期運行。因此，在采用調速調節之前，引風機的運行效率較低。為保證引風機的高效運行，提高系統的可靠性，并考慮到系統的工作環境，經過反復論證，選用永磁調速器對引風機進行節能改造。

圖1 鍋爐煙氣脫硝工藝流程

2 永磁調速的技術特點

永磁調速器是基于永磁傳動技術的一種新型的調速方式，適用于離心式風機、泵類設備的調速節能。永磁調速器主要由永磁轉子、導體轉子和調節機構組成，安裝于電動機和負載之間，通過永磁體的磁場和導體轉子的感應磁場相互作用傳遞扭矩，具有以下特點：

◇永磁調速器的結構簡單，對負載轉速的控制屬于機械調速，與變頻調速相比可靠性較高；

◇永磁轉子和導體轉子之間通過氣隙傳遞扭矩，無機械連接，有效地減少了噪聲和振動，保證了設備的使用，且安裝時允許一定的安裝對中誤差；

◇永磁調速器能夠實現零負載啟動，當負載發生堵轉或過載時，將導體轉子和永磁轉子脫開，即可斷開電動機和負載之間扭矩的傳遞，保護電動機不受影響；

◇永磁調速器調速范圍寬，可在0～98%范圍內對負載進行無級調速，傳遞效率最高可達98%，且節能效果明顯，節電率為10%～60%；

◇永磁調速器不會對電網產生諧波干擾，也不易受環境影響，能夠適應電網質量差、易燃、易爆、潮濕、粉塵含量高等場所。

3 永磁調速技術的應用及分析

根據實際情況，某化纖企業對鍋爐煙氣脫硝工程中的引風機進行了節能改造，采用水冷型永磁調速器。圖2 是對引風機進行永磁調速改造后的現場照片。改造時，將電動機外移，把永磁調速器安裝在引風機和電動機之間。永磁調速器中的電動執行機構接收爐膛內的壓力信號，控制永磁轉子和導體轉子之間的嚙合面積，從而改變引風機的轉速，調節風速，使爐膛內的壓力保持在設定值。

圖2 引風機永磁調速改造現場

為了保證系統能夠長時間穩定運行，采取了一系列保護措施。永磁調速器中導體轉子上產生的渦流是使永磁調速器運轉的重要因素，但也帶來了負面影響，即永磁體的性能會因渦流發熱導致的溫升而受到影響。因此，需采用水冷系統對永磁調速器進行冷卻，保證永磁體溫度不超過工作溫度。對引風機的運行情況也進行了實時監測，一旦引風機出現過載或堵轉的情況，則立即向電動執行機構傳送信號，使永磁轉子和導體轉子脫開，從而起到保護電動機的作用。軸承是永磁調速器中的重要部件，利用溫度傳感器在線檢測永磁調速器內各軸承的溫度，當軸承溫度過高時，則報警停機檢查。

3.1 永磁調速器的調速特性

引風機永磁調速改造后的運行參數如表1 所示。由表1 可知，為了保證爐膛內的負壓穩定在-30 Pa 左右，當鍋爐負荷改變時，電動執行器調節永磁轉子的軸向位置，改變其與導體轉子的嚙合面積，實現對引風機轉速的調節，從而達到控制引風機風量的目的。隨著鍋爐負荷的減少，電動機的電流也減小，有效提高了引風機的運行效率。根據表1 數據，得出永磁調速器的調節特性曲線（圖3），轉速、鍋爐負荷曲線的線性度較好，說明永磁調速器能夠滿足生產的控制需求。

在測量過程中，軸承的溫度隨著轉速的增大而升高，但一直穩定在正常范圍內。永磁調速器和引風機運轉正常，穩定性良好。

表1 引風機永磁調速改造后的運行參數

圖3 永磁調速器調節特性曲線

3.2 永磁調速改造后的系統振動情況

對采用永磁調速和節流調節的引風機系統進行了振動測量，得到的數據如表2 所示。通過比較兩種情況下的引風機系統振動情況，可以發現永磁調速改造后，系統的振幅大幅度減少。這是因為永磁調速器取代了原來的剛性聯軸器，采用非機械連接，通過永磁體和銅導體之間的氣隙實現扭矩的傳遞，這樣引風機側和電動機側的振動就不會相互傳遞，引風機軸和電動機軸之間也不會因為安裝未對準而產生偏移。另外，永磁調速器將原來的長軸換成了兩個互不相連的短軸系統，大大減少了長軸對振動的放大效應。

大部分旋轉設備的故障是由于振動引起的，振動會導致軸承和密封件的壽命縮短，并且使設備的溫度升高[4]。永磁調速改造后，引風機系統振動降低了50%以上。據相關資料顯示，當振動減少50%時，軸承壽命可增加7 倍以上。因此，永磁調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，提高了系統運行的可靠性。

表2 振動數據

3.3 永磁調速器節能效果分析

對5#爐的2 臺引風機進行永磁調速改造后，與2#爐采用節流調節的引風機進行比較，測得的耗電數據見表3。在滿負荷情況下，永磁調速改造后的引風機平均所需的電流比工頻情況下的引風機小6.94 A；工作16 h 后，2#爐引風機的總耗電量為12 183 kWh，5#爐引風機的總耗電量為9511 kWh，與2#爐相比節約了21.9%的電量。這是因為引風機采用節流調節時，利用風門擋板開度來改變風速，當風門擋板開度變小時，在其兩端產生很大的壓力差，煙氣經過風門擋板時造成非常大的能量損失。而永磁調速器使風門開度保持不變，通過改變引風機轉速來調節風速，引風機進出口壓差基本不變，能量損失大大減少。

表3 引風機永磁調速和節流調節滿負荷耗電數據

假設鍋爐每年滿負荷運行8000 h，未加裝永磁調速器前，年耗電量為609.2×104kWh；永磁調速改造后，年耗電量為475.6×104kWh。每年節約電量133.6×104kWh，電價按0.6 元/kWh 計算，則每年可節省電費支出80.16 萬元。

在實際工作中，鍋爐不是一直運行在滿負荷狀態，隨著鍋爐負荷的減少，引風機所需的電量也減少。因此，在實際生產中，永磁調速器節電更加可觀。而且永磁調速器是純機械設備，可靠性高，永磁調速后減少了系統的振動，延長了軸承和密封件的壽命，系統平均無故障時間長，維護費用低。考慮到永磁調速器能夠使電動機空載啟動，不僅有效降低了電動機的啟動電流，還降低了電動機啟動時的故障率。所以，永磁調速器帶來的效益遠大于上述數據。

4 結論

鍋爐煙氣脫硝工程中采用了永磁調速器，對引風機進行調速后，風門擋板全開，永磁調速器根據爐膛負壓自動調節引風機轉速，保證爐膛負壓穩定在-30 Pa 左右。整個過程不需要人為操作，且永磁調速器控制精度高，響應速度快。經過一段時間的運行，永磁調速器表現出良好的節能效果，大大降低了生產成本。永磁調速技術的發展為電動機的調速節能提供了一種新的選擇，具有較好的應用前景和推廣價值[5]。

[1]錢廣華.永磁調速器應用在鼓風機上的節能效果分析[J].電氣應用,2009,28(22):24-27.

[2]劉宏宇.永磁調速系統與節能[J].上海電力,2008(3):257-260.

[3]鄧金峰.200 MW 鍋爐風機節能改造研究[D].河北:華北電力大學,2004.

[4]張祥勝.永磁調速驅動器在原油穩定裝置上的應用[J].石油石化節能,2011(9):34-36.

[5]嚴新榮,張東.永磁調速技術在火力發電廠中的節能應用研究[J].華電技術,2009,31(12):26-28.