淺談永磁調(diào)速在電廠中的應(yīng)用

劉振振 孫樂場 程方 韓霖霖

摘 ?要：針對某熱電公司鍋爐引風(fēng)機(jī)技改一案例，從設(shè)備結(jié)構(gòu)（占用空間小）、控制、安全技術(shù)、經(jīng)濟(jì)上介紹永磁調(diào)速的可行性，是節(jié)能降耗的一項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)。從而引伸指出節(jié)能降耗是企業(yè)的生存和發(fā)展的途徑。

關(guān)鍵詞：永磁調(diào)速;節(jié)能;電廠

0.前言

電廠鍋爐引風(fēng)機(jī)常年處于恒速運(yùn)行狀態(tài)，以風(fēng)門擋板開度調(diào)節(jié)所需風(fēng)量與風(fēng)壓， 大量能源耗損于風(fēng)門擋板所增加的阻力上， 極不經(jīng)濟(jì)更不合乎國家節(jié)能檢排的號召，若采用調(diào)速技術(shù)根據(jù)需求風(fēng)量與風(fēng)壓不同而調(diào)節(jié)相應(yīng)轉(zhuǎn)速，則可達(dá)到顯著節(jié)能效果。

永磁驅(qū)動技術(shù)近年來國際上開發(fā)的一項(xiàng)突破性新技術(shù)，是專門針對風(fēng)機(jī)、泵類離心負(fù)載調(diào)速節(jié)能的適用技術(shù)。它具有高效節(jié)能、高可靠性、無剛性連接傳遞扭矩、可在惡劣環(huán)境下應(yīng)用、極大減少整體系統(tǒng)振動、減少系統(tǒng)維護(hù)和延長系統(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)及泵類設(shè)備節(jié)能技術(shù)改造的首選。

1.系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理

1.1永磁調(diào)速器工作原理

永磁調(diào)速器是透過氣隙傳遞轉(zhuǎn)矩的革命性傳動設(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)時帶動導(dǎo)磁盤在裝有強(qiáng)力稀土磁鐵的磁盤所產(chǎn)生的強(qiáng)磁場中切割磁力線，因而在導(dǎo)磁盤中產(chǎn)生渦電流（Eddy Current），該渦電流在導(dǎo)磁盤上產(chǎn)生反感磁場，拉動導(dǎo)磁盤與磁盤的相對運(yùn)動，從而實(shí)現(xiàn)了電機(jī)與負(fù)載之間的轉(zhuǎn)矩傳輸。

1.2永磁調(diào)速器的系統(tǒng)統(tǒng)構(gòu)成

永磁調(diào)速器由四個部件組成：

永磁轉(zhuǎn)子：鑲有永磁體（強(qiáng)力稀土磁鐵）的鋁盤，與負(fù)載軸連接

導(dǎo)磁轉(zhuǎn)子：導(dǎo)磁體盤（銅或鋁）， 與電機(jī)軸連接

氣隙執(zhí)行機(jī)構(gòu)：調(diào)整磁盤與導(dǎo)磁盤之間氣隙的機(jī)構(gòu)

轉(zhuǎn)軸連接殼與緊縮盤：以專利緊縮盤裝置與電機(jī)及負(fù)載軸連結(jié)。

從上面的原理圖中看出，電機(jī)與負(fù)載之間的扭矩傳輸，不同于常規(guī)的硬機(jī)械連接方式，是通過氣隙連接的，它不僅可以通過調(diào)整氣隙實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)整，還帶來很多其它調(diào)速方式所不具備的優(yōu)點(diǎn)。

安裝于系統(tǒng)中，永磁調(diào)速器PMD可響應(yīng)于過程信號。壓力、流量、液位、或其它過程控制信號被控制系統(tǒng)接收和處理，然后提供到PMD的執(zhí)行器。該執(zhí)行器調(diào)整氣隙，從而調(diào)整負(fù)載速度以滿足控制要求。

·流量/壓力/溫度傳感器檢測負(fù)載受控制量

·通過邏輯控制器PLC將檢測量通過PID調(diào)節(jié)，變成4～20mA信號驅(qū)動角度執(zhí)行機(jī)構(gòu)，推動PMD的氣隙調(diào)節(jié)動作

·人機(jī)界面用于客戶設(shè)定負(fù)載輸出量的界面

·整個控制系統(tǒng)為全自動，當(dāng)自動系統(tǒng)故障時，可通過執(zhí)行器手動調(diào)節(jié)氣隙

·也可通過人機(jī)界面和/或PLC實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程遙控

·或直接由中央控制系統(tǒng)（DCS）進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控

1.3使用PMD永磁調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)

1.3.1 調(diào)節(jié)范圍： 永磁調(diào)速可在0～98%的范圍內(nèi)對負(fù)載進(jìn)行無級調(diào)速。

1.3.2 可實(shí)現(xiàn)過程控制，響應(yīng)速度快。PMD永磁調(diào)速接收標(biāo)準(zhǔn)4～20mA信號，根據(jù)輸入信號調(diào)節(jié)負(fù)載轉(zhuǎn)速，滿足系統(tǒng)需求，響應(yīng)速度快。

1.3.3 空載啟動，啟動電流沖擊小

PMD在啟動時，將氣隙調(diào)節(jié)到最大，實(shí)現(xiàn)空載啟動，可極大的降低電機(jī)啟電流所需時間。

1.3.4. 減少振動：

由于PMD永磁調(diào)速是非機(jī)械連接的調(diào)速裝置，泵和電機(jī)沒有機(jī)械硬連接，完全是通過氣隙傳遞扭矩的，這樣的好處是隔離了振動的傳遞，減低振動。消除振動能力最高可達(dá)80%

1.3.5. 可靠性高，維護(hù)少： 設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，故障率底，維護(hù)成本低。

1.3.6. 使用壽命長： PMD永磁調(diào)速的使用壽命可達(dá)30年

1.3.7. 節(jié)能： 通過調(diào)節(jié)負(fù)載轉(zhuǎn)速，提高效率，減少管路損失，減低電機(jī)負(fù)荷，節(jié)能效果明顯。

1.3.8. 適應(yīng)于各種嚴(yán)酷工作環(huán)境

電網(wǎng)電壓波動較大，諧波含量較高，易燃、易爆，潮濕，粉塵含量高，高溫、低溫等場所。

1.3.9. 無諧波干擾： 非接觸性的機(jī)械聯(lián)結(jié)，不產(chǎn)生諧波干擾。

2.永磁調(diào)速的節(jié)能原理

在實(shí)際工程設(shè)計與應(yīng)用中，為了保證負(fù)荷最大時風(fēng)機(jī)或水泵系統(tǒng)滿足輸出要求，通常需要按系統(tǒng)的最大輸出能力配備風(fēng)機(jī)水泵系統(tǒng)，而真正實(shí)用中，絕大多數(shù)情況下并非需要系統(tǒng)在滿負(fù)荷下使用，而是根據(jù)負(fù)載的實(shí)際需要，通過流量控制元件如閥門或風(fēng)門擋板等實(shí)現(xiàn)流量和/或壓力控制，以滿足生產(chǎn)過程的需要。最典型的控制流量和/或壓力的方法是使用閥門或風(fēng)門擋板。

整個風(fēng)機(jī)或水泵系統(tǒng)的效率=

電機(jī)效率×調(diào)節(jié)流量或轉(zhuǎn)速或壓力控制設(shè)備的效率×風(fēng)機(jī)或水泵效率×輸送管道的效率。

如果其它效率恒定的情況下，系統(tǒng)效率取決于調(diào)節(jié)流量或轉(zhuǎn)速或壓力控制設(shè)備的效率。由于閥門或風(fēng)門擋板通過調(diào)節(jié)開度實(shí)現(xiàn)輸出流量或壓力的調(diào)節(jié)，電機(jī)和負(fù)載的轉(zhuǎn)速并未發(fā)生變化，從相似定律可以看出，輸入功率并不會因?yàn)殚y門開度變化而變化。當(dāng)閥門或風(fēng)門擋板開度<100%或調(diào)節(jié)器非直通型，流體經(jīng)過閥門或風(fēng)門擋板都會造成非常大的能量損失，同時在閥門或風(fēng)門擋板兩端產(chǎn)生很大的壓差，特別是在風(fēng)機(jī)或水泵的輸出端的壓力增高，使得風(fēng)機(jī)或水泵的運(yùn)轉(zhuǎn)點(diǎn)偏離最佳效率點(diǎn)，因此，閥門開度減小時，電機(jī)輸入功率不會顯著減小，很多能量由此浪費(fèi)掉。

采用永磁調(diào)速器技術(shù)，可以通過調(diào)節(jié)氣隙實(shí)現(xiàn)流量和/或壓力的連續(xù)控制，取代原系統(tǒng)中控制流量和/或壓力的閥門或風(fēng)門擋板，在電機(jī)轉(zhuǎn)速不變的情況下，調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)或水泵的轉(zhuǎn)速。

風(fēng)機(jī)水泵等離心負(fù)載符合相似定律：

Q1/Q2 = n1/n2 ?（流量變化與轉(zhuǎn)速變化成正比）

H1/H2 = （n1/n2）2 ?（壓力變化與轉(zhuǎn)速變化的平方成正比）

P1/P2 = （n1/n2）3 （負(fù)載功率變化與轉(zhuǎn)速變化的立方成正比）

T1/T2 = （n1/n2）2 （負(fù)載扭矩變化與轉(zhuǎn)速變化的立方成正比）

電機(jī)輸出功率P = T x ω （功率 = 扭矩 x 轉(zhuǎn)速）

所以電機(jī)輸出功率 P1/P2 = （n1/n2）2

從上面公式及圖表可以看出，當(dāng)輸出流量和/或壓力減少時，按照離心負(fù)載的相似定律，電機(jī)功率急劇下降，減少了能源需求，從而大大地節(jié)約了能源。例如，當(dāng)輸出流量需求僅降低20%滿負(fù)荷流量，輸出壓力降低到滿負(fù)荷的38%，而能源需求降低了將近50%！如果不考慮調(diào)速裝置的能耗，節(jié)能效果可達(dá)50%。當(dāng)然，任何一種調(diào)速裝置都是需要耗能的，但這種能耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于輸入能耗的降低，因此可以實(shí)現(xiàn)很好的節(jié)能效果。

必須指出：節(jié)能效果主要取決于風(fēng)機(jī)水泵系統(tǒng)實(shí)際持續(xù)運(yùn)行的工況。合理的工作點(diǎn)設(shè)置是系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計的基點(diǎn)。

n：水泵性能曲線 ?R：管網(wǎng)特性曲線

水泵在運(yùn)行時，其工作點(diǎn)是風(fēng)機(jī)H-Q曲線與管網(wǎng)H-Q曲線的交點(diǎn)。水泵的正常工作點(diǎn)為A，當(dāng)水量需要從Q1調(diào)到Q2時，

·采用閥門調(diào)節(jié)時，管網(wǎng)特性曲線由R1改變?yōu)镽2，其工作點(diǎn)A調(diào)至B點(diǎn)，其功率為OQ2BH2’ 所圍成的面積，其功率變化很小，而其效率卻隨之降低。

·采用調(diào)速調(diào)節(jié)時，可按需要調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速，改變設(shè)備的性能曲線，圖中n1到n2，其工作點(diǎn)A調(diào)至C點(diǎn)，使其參數(shù)滿足工藝要求，其功率為OQ2CH2所圍成的面積，同時其效率曲線也隨之平移，依然工作在高效區(qū)。由于功率隨轉(zhuǎn)速3次方變化，故節(jié)能效果顯著。

·節(jié)能量P=（H2’-H2）×Q2

3.某一火電廠鍋爐引風(fēng)機(jī)應(yīng)用永磁調(diào)速器后的節(jié)能分析：

3.1. 改造前實(shí)際功耗：

風(fēng)量176，716m3/hr （74%負(fù)載）， 每年共計 7，200小時

依電流值（29.6A）計算得：

√3 x 6 （KV） x 28 （A） x 0.77 （PF） = 224.1 KW

3.2.加裝永磁調(diào)速器后之功耗估算：

目前平均風(fēng)量176，716m3/hr， 約為額定風(fēng)量的 74%

根據(jù)相似定律 （Affinity Law）， 轉(zhuǎn)速與流量成正比，將閥門全開后， 轉(zhuǎn)速降到 74% （710rpm） 即可滿足所需風(fēng)量; 又電機(jī)輸出功率與轉(zhuǎn)速平方成正比， 所以理論功耗將降為： 270 x （74%）2 = 147.9 KW ?（270 KW 為風(fēng)機(jī)滿負(fù)荷軸功率）

永磁調(diào)速器效率約為 97%， 所需功耗為 147.9/0.97 = 152.4 KW

3.3.加裝永磁調(diào)速器與改造前相比的節(jié)電情況：

目前功耗： 224.1 KW

加裝永磁調(diào)速器之后功耗： 152.4 KW

節(jié)電率為： （224.1 – 152.4） / 224.1 = 32%

若運(yùn)行按每年 6，600小 時估算， 節(jié)電： （224.1 – 152.4） x 6，600 =47.3萬度電

電價按 0.42元/度估算， 則節(jié)費(fèi)： 47.3 x 0.42 = 19.9萬元/年

4.小結(jié)

永磁調(diào)速在生產(chǎn)的應(yīng)用已多年，設(shè)備已成熟，利用可靠。目前節(jié)能減排已上升另一個高度，節(jié)能是企業(yè)可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略。企業(yè)生存與發(fā)展的途經(jīng)之一就是做到節(jié)能減排，企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)、技術(shù)人員、員工應(yīng)挖掘內(nèi)部潛力，內(nèi)部一切可利用資源做到節(jié)能降耗。

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