永磁調速技術在大型石膏制硫酸裝置窯尾熱風機上的應用實踐

高 強，王樹才，鮑樹濤

（1. 山東魯北化工股份有限公司，山東 無棣 251909；2. 山東魯北企業集團總公司，山東 無棣 251909）

1 高壓異步電動機常見的調速方式

目前，在工業生產中高溫風機大功率高壓異步電動機的主要調速方式有液力耦合器調速、高壓變頻器調速和永磁調速器調速等。

液力耦合器調速屬低效調速方式，具有價格低、空載啟動和無級調速等優點，但其調速范圍有限，低速轉差損耗大，最高可達額定功率的15%以上，冷卻系統須加專用油且易結垢堵塞，調速精度低，且該調速器必須加裝在設備和電機之間，不適合改造；易漏油，耦合器故障時無法切換運行，只能停車檢修，且維護工作量大、檢修周期長、費用高，不能滿足提高裝置整體自動化水平的需要。

高壓變頻器調速是目前應用比較普遍和相對先進的技術，其利用電力半導體器件的通斷作用將電源頻率變換，采用電力電子技術實現輸出量調節和波形變化，根據實際工況自動控制電壓和頻率的變化，對電動機的速度進行調節，可實現零轉速啟動、軟制動連續調節，精確調速，滿足各種生產工藝工況的需要，隨時顯示電機電流、電壓、頻率、電機轉速等運行狀態，具有明顯的節能效果。但是工作時產生諧波，電子組件多，相應的故障率高且老化快，對環境要求高，同時還要考慮進出敷設電纜、專用房子及加裝空調等費用，高壓變頻器的壽命一般為5～8年，且隨著使用年限增加，安全性變差，故障率逐年提高，需要專業人員維護，維護費用相對較高。永磁調速器調速是近年來國際上開發的一項突破性新技術，電動機與負載設備轉軸之間無須機械連接。它具有高效節能、安全可靠、改造簡單、無剛性連接傳遞扭矩、適應惡劣環境、系統維護少和使用壽命長（達30 年）等特點，成功地解決了負載旋轉系統中的對啟動、減震、調速及過載保護等問題。尤其是其不產生高次諧波，低速下不造成電機發熱以及優良的調速特性更使其成為風機及泵類設備節能改造的理想選擇［1］。

2 永磁調速技術在大型石膏制硫酸裝置窯尾熱風機改造上的應用

2.1 改造背景

山東魯北企業集團總公司大型石膏制硫酸裝置窯尾熱風機采用液力耦合器調速，調速范圍為50%～97%，存在轉速不穩，運轉效率低，發熱厲害，軸封、軸承等部件經常漏油需要更換及嚴重浪費人力等問題。為了提高石膏制硫酸裝置運轉效率、降低能耗，擬對熱風機的調速方式進行升級改造。經過各方面的綜合考慮，選用永磁調速器代替液力耦合器。

雙筒型永磁調速器是青島斯普瑞能源科技有限公司專利技術，具有響應速度快、調節范圍廣、設備體積小、故障率低、后期維護成本低、安全可靠、使用壽命長等優點，可在-10～50 ℃下，各種惡劣環境（包括腐蝕、爆炸、潮濕、粉塵較高的場合）中長期使用。

永磁調速器本體包括：（1）永磁體轉子（連接于負載側）；（2）導體轉子（連接于電機側）；（3）調速機構。調速機構可調節永磁體轉子和導體轉子的相對位置，改變兩者之間磁場耦合的面積，從而改變傳遞的扭矩。耦合面積增大，通過永磁調速器傳遞的扭矩就隨之增大，負載轉速相應提高；耦合面積變小，通過永磁調速器傳遞的扭矩就隨之變小，負載轉速相應降低。永磁調速器結構組成及調速原理分別見圖1、圖2。

圖1 永磁調速器結構組成

圖2 永磁調速器調速原理

永磁調速器的控制中心可以是PLC（可編程邏輯控制器）控制、智能儀表控制，也可以是DCS（分布式控制系統）控制（見圖3）。

圖3 永磁調速器控制系統

2.2 改造方案

根據目前的情況，在DCS控制系統上新增操作界面，控制永磁調速器的自帶電動執行器，調節永磁體轉子和導體轉子的相對位置，進而調節負載的轉速，從而達到節能的目的。改造的內容主要包括：

（1）取消原液力耦合器及配套油水系統，將永磁調速器安裝在電機與風機之間；

（2）原系統電機與風機軸間距約1 080 mm，風機側加裝膜片聯軸器，電機側通過鎖緊盤安裝在電機軸上，原基礎無須改造；

（3）電動執行器動力電纜、信號電纜的長度不夠，須重新敷設約150 m。

2.2.1 設備參數

風機及電機設計參數分別見表1、表2。

表1 風機設計參數

表2 電機設計參數

永磁調速器主要設備見表3。

表3 永磁調速裝置主要設備

2.2.2 技術要求

1） 永磁調速器的使用原則

（1）永磁調速器結構形式為雙筒型結構，冷卻形式為空冷型。

（2）永磁調速器安裝占用的軸向空間：電機與負載軸端距（借用液力偶合器安裝尺寸）1 080 mm。占用的徑向空間：永磁設備本體最大直徑≤740 mm。

（3）永磁調速器應滿足電機和負載間的功率和性能匹配。

（4）永磁調速器及其配套裝置必須能夠適應現場環境要求。

2） 永磁調速器的性能指標

（1）負載的調速范圍是0～97%，且連續可調，具有明顯的節能效果。

（2）實現負載轉速的遠程DCS或PLC調節控制，同時具備就地手動機械調節功能作為補充控制方式。

（3）實現電機的軟啟動、軟停機，可延長關聯電器使用壽命。

（4）對中誤差：允許0.5 mm 對心誤差；允許0.5°誤差。

（5）適應于各種惡劣的工況：電網電壓波動較大、諧波嚴重、易燃、易爆、高溫、低溫、潮濕及粉塵含量大等場所。

（6）在正常使用及維護條件下，永磁調速器本體使用壽命25 年（25 年內永磁體磁力強度衰退小于1%），在使用壽命期限內若永磁調速器本體出現質量問題賣方免費維修（不含軸承易損件）。

（7）由于永磁調速器是非機械連接的調速裝置，負載和電機沒有機械硬連接，隔離了振動的傳遞，因此極大地減小了振動和噪聲。

3 改造效果

窯尾兩臺熱風機進行永磁調速改造后，與原來液力耦合器調速進行比較，在滿負荷情況下，改造前運行電流45.00 A（接近滿負荷），采用永磁調速技術改造后，熱風機運行電流40.96 A，運行電流減少4.04 A，節電率達到8.98%。

改造前熱風機按年運行7 200 h計，年耗電量為324萬kW·h；采用永磁調速器后，按節電率8.98%計算，年節電量為29.09萬kW·h，按當前電價0.72元/（kW·h）計算，窯尾熱風機節電費用約為21萬元/a（未計算液力耦合器運行費用），節能效果十分顯著。

永磁調速器具有結構簡單、無諧波、延長電機和軸承使用壽命、適應性強、自身損耗小的結構特點。與高壓變頻器調速和液力耦合器調速等相比，永磁調速器調速維護簡單，可靠度高，安裝調試方便，改造容易且周期短，避免了聯軸器磨損問題、液壓油污染環境等問題，并在解決振動等方面有著無可比擬的優勢［2］。

4 結論

經過一段時間的運行，永磁調速器節電率達到9%左右，效果良好，極大地降低了生產成本，減小了設備維護成本。其具有高效節能、運行可靠、無剛性連接傳遞扭矩、極大減少系統振動、適應各種惡劣環境、系統維護費用低和使用壽命長等特點［3］。無論是從經濟效益還是從設備的安全穩定性來看，永磁調速器調速與液力耦合器調速和高壓變頻器調速相比具有無可比擬的優勢，具有較好的應用前景和推廣價值。