大功率永磁調(diào)速裝置在火電廠中的應(yīng)用與節(jié)能研究

殷闖

1.引言

在火力發(fā)電廠的工程設(shè)計(jì)中，對(duì)于風(fēng)機(jī)（水泵）等大型電機(jī)拖動(dòng)的旋轉(zhuǎn)輔機(jī)的選配通常是按照熱力系統(tǒng)最大需求進(jìn)行配置的，而實(shí)際運(yùn)行工況中，多數(shù)情況下熱力系統(tǒng)并未運(yùn)行在最大需求工況，此時(shí)則需要對(duì)風(fēng)機(jī)（水泵）等輔機(jī)系統(tǒng)的輸出流量或壓力進(jìn)行控制?？刂频姆椒ㄓ型ㄟ^(guò)安裝在管道系統(tǒng)上的調(diào)節(jié)閥門進(jìn)行節(jié)流、調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)（水泵）的轉(zhuǎn)速等。由于進(jìn)行節(jié)流控制時(shí)，風(fēng)機(jī)（水泵）輸出端的壓力增高，使得風(fēng)機(jī)（水泵）但運(yùn)轉(zhuǎn)點(diǎn)偏離最佳效率點(diǎn)，電機(jī)輸出功率未能減小，造成能量浪費(fèi)。而且，長(zhǎng)期的節(jié)流運(yùn)行還很容易產(chǎn)生氣蝕、沖刷、振動(dòng)，導(dǎo)致設(shè)備損壞。調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)（水泵）的轉(zhuǎn)速，從而改變風(fēng)機(jī)（水泵）出口的壓力和流量，滿足工況要求，使得風(fēng)機(jī)（水泵）出力和消耗的電能大大降低，具有較好的節(jié)能空間和經(jīng)濟(jì)效益。控制風(fēng)機(jī)（水泵）的轉(zhuǎn)速最佳的方法就是控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。目前實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速的方式主要有變頻調(diào)速、串級(jí)調(diào)速、液耦調(diào)速、永磁調(diào)速等。

永磁調(diào)速裝置作為作為傳動(dòng)史上的一場(chǎng)革命，以期結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、節(jié)能降耗的顯著特點(diǎn)迅速的在現(xiàn)代化工業(yè)電機(jī)拖動(dòng)領(lǐng)域得到了大規(guī)模的應(yīng)用。但永磁調(diào)速裝置的缺點(diǎn)和其優(yōu)點(diǎn)一樣顯著，那就是“永磁體”的“退磁”現(xiàn)象。永磁體的材料一般為汝鐵硼等永磁材料，該材料的退磁點(diǎn)一般在攝氏80度～180度，一旦超過(guò)這個(gè)溫度，磁性材料就好“退磁”，而“退磁”后則直接喪失量轉(zhuǎn)矩傳遞的功能。所以，永磁體不適合工作在高溫環(huán)境中。但，永磁調(diào)速裝置的工作原理又決定了，永磁調(diào)速裝置在轉(zhuǎn)矩傳遞的過(guò)程中必然會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，而且功率越大，產(chǎn)生的熱量越大。如何消除這些熱量對(duì)嬌弱的永磁體的影響成為了各永磁調(diào)速裝置制造廠家的核心技術(shù)，也成為了制約永磁調(diào)速裝置輸出功率的關(guān)鍵性技術(shù)門檻。

下面，我們就以一臺(tái)1400KW鍋爐離心式引風(fēng)機(jī)調(diào)速裝置的改造為例，討論一下在火力發(fā)電行業(yè)利用大功率永磁調(diào)速裝置替代高壓變頻調(diào)速裝置的可行性和經(jīng)濟(jì)性，并對(duì)采用大功率永磁調(diào)速裝置后的節(jié)能情況進(jìn)行分析和探討。

2.項(xiàng)目介紹

江蘇鎮(zhèn)江大港熱電廠位于江蘇省鎮(zhèn)江市大港新材料產(chǎn)業(yè)園區(qū)，是為新材料產(chǎn)業(yè)園配套建設(shè)的唯一熱源點(diǎn)，擁有2臺(tái)75蒸噸和1臺(tái)130蒸噸的循環(huán)流化床鍋爐。為了適應(yīng)環(huán)?？刂拼髿馕廴疚锱欧艠?biāo)準(zhǔn)的要求，該廠在2015年進(jìn)行了濕法脫硫的環(huán)保改造工作。由于新增了濕法脫硫系統(tǒng)，煙道阻力增加，為了保證環(huán)保改造后的正常運(yùn)行，需對(duì)原配套的引風(fēng)機(jī)進(jìn)行增容。具體增容改造方案為：將原1000kW引風(fēng)機(jī)增容為1400kW，并新增了一臺(tái)由安徽沃弗電力科技有限公司生產(chǎn)的1400KW油冷式永磁調(diào)速裝置替代原先的由北京利德華福電氣技術(shù)有限公司生產(chǎn)的10KV高壓變頻器作為電機(jī)調(diào)速方式。

對(duì)于在改造方案中，為何選擇永磁調(diào)速方式來(lái)替代變頻調(diào)速方式主要是基于以下幾個(gè)原因：

●變頻器的輸出存在諧波，引起電流波形畸變，降低供電效率及電源質(zhì)量，增加了無(wú)功損耗，降低了繼保裝置的可靠性。

●變頻輸出導(dǎo)致電機(jī)溫升增加，損害了電機(jī)絕緣。

●變頻器安裝環(huán)境要求高，對(duì)粉塵、濕度、溫度都有較高要求，運(yùn)行維護(hù)量大。

●變頻器的電力電子元器件易老化（平均使用壽命在十年左右），隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，可靠性顯著降低（改造單位的高壓變頻器就是在第6年起，故障頻發(fā)）

●隨著電壓等級(jí)的增加，變頻器的成本與復(fù)雜性也同步增加，可靠性降低。變頻器系統(tǒng)的維護(hù)需要專業(yè)的技術(shù)人員與工器具，工廠幾乎沒(méi)有維護(hù)和檢修的能力，外送檢修成本高，時(shí)間長(zhǎng)。

●永磁調(diào)速裝置的環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，安裝于就地，對(duì)電網(wǎng)、電機(jī)、繼保裝置等均無(wú)要求、無(wú)影響。

●永磁調(diào)速裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝容易，故障預(yù)兆明顯，易于查找排除。維護(hù)技術(shù)難度低，維護(hù)工作量少;變頻器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故障預(yù)兆不明顯，難以排查，維護(hù)技術(shù)難度高，維護(hù)工作量高。

●永磁調(diào)速裝置可以實(shí)現(xiàn)空載/緩沖啟動(dòng)，大幅度降低電機(jī)啟動(dòng)的峰值電流，縮短浪涌持續(xù)時(shí)間，且可頻繁啟停、快速重啟;變頻器只能低頻帶載啟動(dòng)，電機(jī)容易發(fā)熱，且不可頻繁啟停、快速重啟。

●永磁調(diào)速裝置設(shè)備壽命期長(zhǎng)，故障率低，平均設(shè)備壽命期可達(dá)25年以上，基本做到了與主設(shè)備壽命同步。

項(xiàng)目改造時(shí)，對(duì)采用變頻調(diào)速還是永磁調(diào)速進(jìn)行了設(shè)備壽命期內(nèi)的費(fèi)用比較。比較結(jié)果如下表所示。其中，永磁調(diào)速裝置的設(shè)備采購(gòu)費(fèi)用為150萬(wàn)元，壽命期25年，耗電功率約6KW，耗水量約20t/h;高壓變頻器的設(shè)備采購(gòu)費(fèi)用為90萬(wàn)元，壽命期10年，耗電功率約為1400×5%=70KW;電費(fèi)按0.5元/KW .h計(jì)算，水資源費(fèi)按0.2元/t計(jì)算;設(shè)備運(yùn)行時(shí)間按4500h/a。未考慮設(shè)備故障影響生產(chǎn)所造成的損失。

通過(guò)對(duì)項(xiàng)目改造后永磁調(diào)速裝置實(shí)際運(yùn)行效果分析，從上面列出的永磁調(diào)速裝置在不同工況、年份、季節(jié)情況下的實(shí)際運(yùn)行參數(shù)可以看出，改造后的永磁調(diào)速裝置響應(yīng)速度快、調(diào)節(jié)精度高、調(diào)節(jié)曲線平滑，完全能夠滿足火電廠鍋爐引風(fēng)機(jī)負(fù)荷調(diào)整需要，能夠完全替代變頻調(diào)速方式。且運(yùn)行工況穩(wěn)定，截止至發(fā)稿日期，該套裝置的缺陷為零，從未發(fā)生過(guò)因永磁調(diào)速裝置原因而導(dǎo)致的鍋爐出力受限或被迫停爐的異常情況和惡性事故。因此可以說(shuō)明，永磁調(diào)速是一種安全、可靠、經(jīng)濟(jì)的新興調(diào)速技術(shù)，相對(duì)于目前應(yīng)用較多的變頻調(diào)速方式具有無(wú)負(fù)面效應(yīng)、可靠性高、安全性好、壽命周期內(nèi)總費(fèi)用低、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、安裝維護(hù)便利等顯著優(yōu)勢(shì)。而且安徽沃弗電力科技有限公司通過(guò)其獨(dú)創(chuàng)的油冷技術(shù)，攻克了限制永磁調(diào)節(jié)裝置大功率化的技術(shù)壁壘，使得永磁調(diào)速裝置在大功率電機(jī)調(diào)速應(yīng)用場(chǎng)合有了用武之地，應(yīng)用前景廣闊。

3.永磁調(diào)速器裝置節(jié)能性能分析

永磁調(diào)速器是透過(guò)氣隙傳遞轉(zhuǎn)矩的革命性傳動(dòng)設(shè)備，電機(jī)與負(fù)載設(shè)備轉(zhuǎn)軸之間無(wú)需機(jī)械連結(jié)，電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)帶動(dòng)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(chǎng)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)生感應(yīng)磁場(chǎng)，拉動(dòng)導(dǎo)磁盤與磁盤的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)了電機(jī)與負(fù)載之間的轉(zhuǎn)矩傳輸。

永磁調(diào)速器的組成：

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)

潤(rùn)滑冷卻系統(tǒng)：高可靠潤(rùn)滑冷卻系統(tǒng)保障永磁設(shè)備安全運(yùn)行

永磁調(diào)速裝置結(jié)構(gòu)示意圖

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(guò)非接觸式連接的，它不僅可以通過(guò)調(diào)整氣隙實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)整，還帶來(lái)很多其它調(diào)速方式所不具備的優(yōu)點(diǎn)。電機(jī)啟動(dòng)前，將永磁體與導(dǎo)磁盤之間的間歇調(diào)到最大，此時(shí)啟動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)導(dǎo)磁盤旋轉(zhuǎn)，與永磁體磁場(chǎng)發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，切割磁力線，在導(dǎo)磁盤中產(chǎn)生渦流磁場(chǎng)，保持系統(tǒng)內(nèi)磁場(chǎng)平衡。由于此時(shí)穿過(guò)導(dǎo)磁盤的磁力線較少，導(dǎo)磁盤內(nèi)的感生電勢(shì)較低，因此永磁體與導(dǎo)磁盤之間的耦合作用相對(duì)較弱，電機(jī)幾乎處于空載狀態(tài);當(dāng)需要提高轉(zhuǎn)速帶載時(shí)，調(diào)整導(dǎo)磁盤與永磁體間的間隙，使得穿過(guò)導(dǎo)磁盤的磁場(chǎng)強(qiáng)度急劇增加，耦合作用加強(qiáng)，向負(fù)載端傳遞更大轉(zhuǎn)矩，從而起到調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的目的。

3.1永磁調(diào)速裝置的性能分析

由于永磁調(diào)速裝置采用了氣隙傳遞扭矩的方法，所以在安裝時(shí)不需精確進(jìn)行軸對(duì)中校準(zhǔn)，其最大誤差可以達(dá)到0.5～1mm。轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備的振動(dòng)、沖擊、噪音等完全取決于設(shè)備自身精度，與安裝精度幾乎無(wú)關(guān)。在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，由于振動(dòng)水平的降低，減少了機(jī)械能耗和磨損損耗。

負(fù)載在全速運(yùn)行時(shí)，負(fù)載與電機(jī)之間的滑差損耗<3%，效率>97%，與變頻器的性能相當(dāng)，明顯優(yōu)于液力耦合器的調(diào)速方式。負(fù)載端的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)死區(qū)<20%，可平滑無(wú)極調(diào)速，無(wú)任何跳動(dòng)、階躍、遲滯等不正?，F(xiàn)象出現(xiàn)。

3.2節(jié)能分析

表四中反映的節(jié)能數(shù)據(jù)是同額定軸功率對(duì)比的，在總體的能效上與變頻調(diào)速裝置相當(dāng)，特別是在高轉(zhuǎn)速段（>90%額定轉(zhuǎn)速）永磁調(diào)速裝置擁有更好的效率表現(xiàn)。而在低轉(zhuǎn)速段，雖然變頻器可能更有效率，但是，變頻器制造商提供的效率數(shù)據(jù)中并沒(méi)有將其它冷卻設(shè)施和輔助型設(shè)施的能量計(jì)算在內(nèi)（包括變壓器、濾波器、控制裝置、照明設(shè)施、空調(diào)設(shè)施等），同時(shí)也沒(méi)有計(jì)算電機(jī)的效率損失（這個(gè)損失是由于電機(jī)速度減慢后諧波增加所導(dǎo)致的）。當(dāng)這些損失統(tǒng)統(tǒng)計(jì)算在內(nèi)的時(shí)候，往往銘牌上標(biāo)注效率為95%的變頻器在實(shí)際應(yīng)用時(shí)的效率只有85%甚至是更低。

俄勒岡州大學(xué)Alan Wallace博士關(guān)于PMD與VFD差異性研究

PMD（永磁調(diào)速）的工作原理要求永磁體與導(dǎo)體之間必需存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，這就意味著輸出速度總是低于輸入速度，這一速度差被稱之為“滑差”。典型狀態(tài)下，當(dāng)PMD工作于額定轉(zhuǎn)速，滑差為1%～4%，永磁調(diào)速裝置的輸出轉(zhuǎn)矩總是等于輸入轉(zhuǎn)矩，即電機(jī)僅需產(chǎn)生負(fù)載所需數(shù)量的轉(zhuǎn)矩。這就是PMD節(jié)能的根本原因所在。從PMD的調(diào)速特性及流體機(jī)械的相似定律（流量與負(fù)載轉(zhuǎn)速成正比，功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比）可知，PMD特別適合風(fēng)機(jī)、水泵等離心負(fù)載的調(diào)節(jié)應(yīng)用，且節(jié)能效果顯著。

4.小結(jié)

永磁調(diào)速裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、適應(yīng)性強(qiáng)、安裝維護(hù)方便、自身?yè)p耗小、設(shè)備壽命長(zhǎng)等顯著優(yōu)點(diǎn)。能效、傳動(dòng)效率、調(diào)節(jié)特性等均優(yōu)于閥門節(jié)流調(diào)節(jié)方式與液力耦合方式;與變頻調(diào)節(jié)方式的能效、傳動(dòng)效率、調(diào)節(jié)特性等相當(dāng)，但不存在變頻調(diào)節(jié)方式的負(fù)面效應(yīng)，且在維護(hù)保養(yǎng)、綠色環(huán)保、運(yùn)行環(huán)境要求等方面均優(yōu)于變頻調(diào)節(jié)方式。因此，永磁調(diào)速方式作為新興的電機(jī)拖動(dòng)調(diào)速手段，在打破了大型化的桎梏后，完全可以適用于火力發(fā)電行業(yè)的大功率電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)的調(diào)速應(yīng)用場(chǎng)合。