基于永磁理論的空預(yù)器傳動(dòng)系統(tǒng)改造及性能對(duì)比

宋杰　王猛　沈俊杰

摘 要：根據(jù)平面永磁力矩傳遞理論，對(duì)京能康巴什發(fā)電廠空預(yù)器傳動(dòng)系統(tǒng)改造前后的效果進(jìn)行了對(duì)比。通過(guò)空預(yù)器傳動(dòng)系統(tǒng)改造，消除了液力耦合器漏油、電機(jī)跟轉(zhuǎn)故障等問(wèn)題，機(jī)組穩(wěn)定性獲得了良好提升。此次改造為同類型機(jī)組傳動(dòng)方面的優(yōu)化升級(jí)改造提供了相應(yīng)理論和現(xiàn)實(shí)借鑒。

關(guān)鍵詞：空預(yù)器;永磁聯(lián)軸器;液力耦合器;連接方式

中圖分類號(hào)：TM273? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? 文章編號(hào)：1671-0797（2022）11-0051-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.11.014

0? ? 引言

內(nèi)蒙古京能康巴什熱電有限公司一、二期工程均為兩臺(tái)350 MW超臨界空冷機(jī)組，每臺(tái)鍋爐配置2臺(tái)容克式三分倉(cāng)空氣預(yù)熱器（以下簡(jiǎn)稱“空預(yù)器”），型號(hào)為2-29.5VI（50°）-2200（90"），由上海鍋爐廠有限公司生產(chǎn)?？疹A(yù)器減速機(jī)配置主、輔、氣馬達(dá)三套傳動(dòng)輸入系統(tǒng)，臥式下輸出軸輸出，型號(hào)為SGW95A（CW）正向、SGW95A（CCW）反向，傳動(dòng)系統(tǒng)額定輸出扭矩12 500 N·m，由河北北方減速機(jī)有限公司生產(chǎn)。

目前主電機(jī)側(cè)使用的液力耦合器經(jīng)常出現(xiàn)漏油現(xiàn)象，導(dǎo)致傳遞能力下降，影響空預(yù)器換熱效果。漏油嚴(yán)重或負(fù)荷增加時(shí)，會(huì)使得油溫升高，易熔塞融化，傳動(dòng)油噴出，主電機(jī)動(dòng)力切斷，空預(yù)器停轉(zhuǎn)[1]。除此之外，液力耦合器殼體開(kāi)裂造成報(bào)廢的事故也時(shí)常出現(xiàn)，相關(guān)統(tǒng)計(jì)表明，空預(yù)器傳動(dòng)系統(tǒng)中液力耦合器的平均壽命約為半年[2]。當(dāng)主電機(jī)或液力耦合器出現(xiàn)故障時(shí)，必須停機(jī)，拆除主電機(jī)或液力耦合器。主電機(jī)故障后，輔電機(jī)投入運(yùn)行，空預(yù)器低速轉(zhuǎn)動(dòng)，導(dǎo)致機(jī)組負(fù)荷下降，將造成極大的損失。

1? ? 永磁傳動(dòng)的基本原理

永磁傳動(dòng)建立在電磁渦流磁場(chǎng)作用力下，通過(guò)銅導(dǎo)體和永磁體之間的氣隙實(shí)現(xiàn)由電動(dòng)機(jī)到負(fù)載的轉(zhuǎn)矩傳輸，是一種不需要機(jī)械間剛性連接的新型傳動(dòng)方式，其依靠磁場(chǎng)感應(yīng)的作用進(jìn)行扭矩傳輸。永磁聯(lián)軸器一般安裝有銅制導(dǎo)體盤，鋁制的磁盤中則鑲嵌有強(qiáng)力稀土磁鐵，會(huì)產(chǎn)生超強(qiáng)的磁場(chǎng)，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)帶動(dòng)導(dǎo)體盤在磁盤產(chǎn)生的磁場(chǎng)中旋轉(zhuǎn)，切割磁力線，從而在導(dǎo)體盤中產(chǎn)生感應(yīng)磁場(chǎng)[3]。磁盤則相對(duì)導(dǎo)體盤產(chǎn)生了反磁場(chǎng)，兩者之間相互作用，使得氣隙磁場(chǎng)傳遞扭矩帶動(dòng)負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)。

永磁聯(lián)軸器基于永磁傳動(dòng)原理設(shè)計(jì)，其力學(xué)模型如圖1所示。

圖1中P點(diǎn)為主動(dòng)磁環(huán)下表面任意選取一點(diǎn);Q點(diǎn)為從動(dòng)磁環(huán)上表面任意選取一點(diǎn);D為磁環(huán)外徑;D0為磁環(huán)內(nèi)徑;r1為Q點(diǎn)半徑;r2為P點(diǎn)半徑;r1-r2為Q點(diǎn)至P點(diǎn)的向徑;g為主動(dòng)環(huán)與從動(dòng)環(huán)之間的磁隙;h為磁環(huán)厚度;

永磁聯(lián)軸器扭矩（單位為N·m）傳遞計(jì)算公式為：

由上述分析可知，永磁聯(lián)軸器所能傳遞的扭矩與磁極對(duì)數(shù)n、磁隙g、磁環(huán)直徑D等數(shù)據(jù)有關(guān)，磁極對(duì)數(shù)與磁環(huán)直徑在設(shè)計(jì)階段確定后便不會(huì)更改，因此，超離合調(diào)速型永磁聯(lián)軸器通過(guò)改變磁隙g來(lái)調(diào)節(jié)扭矩的傳遞效率。

2? ? 永磁聯(lián)軸器的形式

目前主流的盤式永磁聯(lián)軸器有限矩型與超離合型兩種形式：

（1）限矩型永磁耦合器可以保護(hù)電機(jī)及減速機(jī)，當(dāng)空預(yù)器出現(xiàn)卡澀或傳動(dòng)力矩過(guò)大時(shí)，永磁耦合器會(huì)自動(dòng)脫開(kāi)，電機(jī)空轉(zhuǎn)，不會(huì)把力矩傳遞給減速機(jī)。

（2）超離合永磁調(diào)速器結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由五部分組成：連接法蘭、永磁盤、導(dǎo)體盤（銅或鋁）、轉(zhuǎn)臂組件、調(diào)速機(jī)構(gòu)。永磁盤鑲有永磁體（強(qiáng)力稀土磁鐵），通過(guò)連接法蘭與負(fù)載軸連接。導(dǎo)體盤與調(diào)速機(jī)構(gòu)連接，電機(jī)通過(guò)膜片聯(lián)軸器與調(diào)速機(jī)構(gòu)相連從而帶動(dòng)導(dǎo)體盤轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)氣隙需要調(diào)整時(shí)，電動(dòng)執(zhí)行器帶動(dòng)轉(zhuǎn)臂組件，轉(zhuǎn)臂組件帶動(dòng)調(diào)速機(jī)構(gòu)外筒旋轉(zhuǎn)，外筒旋轉(zhuǎn)通過(guò)調(diào)速機(jī)構(gòu)內(nèi)螺旋槽轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)，使導(dǎo)體盤軸向滑動(dòng)。負(fù)載轉(zhuǎn)速隨著氣隙的逐漸增大而減小，當(dāng)氣隙到達(dá)一定程度時(shí)，負(fù)載轉(zhuǎn)速降為0[6]。另外，還有支座用于支撐永磁本體，避免電機(jī)軸與負(fù)載軸承載附加力。連接法蘭用于連接固定磁盤與減速機(jī)負(fù)載軸。

超離合調(diào)速型永磁聯(lián)軸器是為空預(yù)器傳動(dòng)系統(tǒng)特別設(shè)計(jì)的聯(lián)軸器，其調(diào)速范圍可達(dá)0%～98%，可使電機(jī)與減速機(jī)完全脫離，即可替代超越離合器與液力耦合器，可以在不停機(jī)情況下拆裝檢修電機(jī)。它解決了在空預(yù)器傳動(dòng)系統(tǒng)中應(yīng)用的幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：一是超離合永磁聯(lián)軸器長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，導(dǎo)體盤上溫度不會(huì)升高，其溫度比環(huán)境溫度高約5 ℃，不會(huì)對(duì)導(dǎo)體盤和系統(tǒng)其他元器件產(chǎn)生任何影響[7];二是超離合永磁聯(lián)軸器克服了氣流和剩磁對(duì)輸出轉(zhuǎn)速的影響，輸出轉(zhuǎn)速可以調(diào)節(jié)為0，滿足不停機(jī)狀態(tài)下拆裝電機(jī)的需求;三是超離合永磁聯(lián)軸器無(wú)附加軸向力產(chǎn)生，且支座的設(shè)計(jì)大大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3? ? 超離合永磁聯(lián)軸器在空預(yù)器傳動(dòng)系統(tǒng)中的具體應(yīng)用

康巴什電廠1號(hào)、2號(hào)機(jī)組利用停機(jī)檢修對(duì)空預(yù)器傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造，用超離合永磁調(diào)速器替代了液力耦合器。永磁調(diào)速器的功率按照主電機(jī)功率15 kW進(jìn)行選型，最大轉(zhuǎn)速為3 600 r/min，額定轉(zhuǎn)矩為97.12 N·m?？疹A(yù)器啟動(dòng)時(shí)采用氣動(dòng)馬達(dá)、輔電機(jī)、主電機(jī)依次啟動(dòng)的方式，以減小啟動(dòng)時(shí)對(duì)減速箱的沖擊。永磁調(diào)速器自2015年5月投運(yùn)以來(lái)，無(wú)故障產(chǎn)生，運(yùn)行一切正常。

超離合永磁調(diào)速器應(yīng)用在空預(yù)器輔電機(jī)端后，在空預(yù)器啟動(dòng)過(guò)程中，先啟動(dòng)氣動(dòng)馬達(dá)、輔電機(jī)低速運(yùn)行，待空預(yù)器轉(zhuǎn)速達(dá)到設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速后，啟動(dòng)主電機(jī)運(yùn)行，同時(shí)停運(yùn)輔電機(jī)，調(diào)整永磁調(diào)速器的氣隙至最大，輔電機(jī)與傳動(dòng)系統(tǒng)完全分離，不再跟轉(zhuǎn);如果主電機(jī)發(fā)生故障，則會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)輔電機(jī)，執(zhí)行器自動(dòng)調(diào)整超離合永磁調(diào)速器，動(dòng)力平緩接入系統(tǒng)，空預(yù)器仍正常運(yùn)行。輔電機(jī)起到了備用主電機(jī)的作用。改造前后參數(shù)對(duì)比如表1所示。

該傳動(dòng)系統(tǒng)改造后，主輔電機(jī)的動(dòng)力回路由兩套回路組成，分別給主、輔電機(jī)供電，一用一備。兩者控制邏輯在軟件和硬件中都有互鎖功能，實(shí)現(xiàn)雙重保護(hù)，保證在任意時(shí)刻，只能有一臺(tái)電機(jī)運(yùn)行。電動(dòng)執(zhí)行器控制主電機(jī)端的超離合永磁調(diào)速器，通過(guò)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)執(zhí)行器改變超離合永磁調(diào)速器的氣隙，實(shí)現(xiàn)主電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。當(dāng)主電機(jī)發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)切換到輔電機(jī)運(yùn)行。控制回路可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程DCS/就地控制，遠(yuǎn)程控制回路中的DCS負(fù)責(zé)發(fā)出各種指令信號(hào)和接收故障信號(hào);為方便調(diào)試及滿足其他運(yùn)行工況的需要，設(shè)置了就地控制。

4? ? 改造效果分析

為更好地分析超離合永磁調(diào)速器在空預(yù)器傳動(dòng)裝置中的作用，現(xiàn)對(duì)康巴什電廠空預(yù)器主電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)改造前后各項(xiàng)性能進(jìn)行對(duì)比，如表2所示。

結(jié)合表2，從以下六個(gè)方面進(jìn)行分析：

第一，從轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)與精度方面來(lái)看。液力耦合器采用改變液體壓力的方式進(jìn)行調(diào)速，屬于低效調(diào)速方式，且調(diào)速范圍有限（0～20%）。由近年來(lái)同類型機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)可知，高轉(zhuǎn)速下液力耦合器轉(zhuǎn)速損失在3%～10%，低轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)速損失最高可達(dá)20%;永磁調(diào)速器在高轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)速損失在1%～3%，低轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)速損失小于4%。圖3為兩者在不同輸入轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)速丟失率對(duì)比。液力耦合器通過(guò)調(diào)節(jié)內(nèi)部液體的充滿程度實(shí)現(xiàn)調(diào)速，其調(diào)節(jié)精度較差;永磁調(diào)速器采用調(diào)節(jié)氣隙的方式改變輸出轉(zhuǎn)速，其調(diào)節(jié)精度比液力耦合器更加可控。傳動(dòng)系統(tǒng)改造后，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，永磁調(diào)速器的傳動(dòng)效率比原液力耦合器提升了約8%。

第二，從響應(yīng)速度方面來(lái)看。液力耦合器調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速需要填充或排出內(nèi)部液體，響應(yīng)速度與泵機(jī)相關(guān)，一般需要10～20 s的時(shí)間完成充液率調(diào)節(jié)。永磁調(diào)速器通過(guò)控制氣隙進(jìn)行調(diào)速，其響應(yīng)速度與電動(dòng)執(zhí)行器相關(guān)，一般需要5～10 s完成氣隙調(diào)節(jié)。

第三，從系統(tǒng)減振方面來(lái)看。改造前，1號(hào)機(jī)組空預(yù)器主電機(jī)振動(dòng)噪聲較大，液力耦合器經(jīng)常出現(xiàn)雙向振動(dòng)，當(dāng)振動(dòng)到達(dá)一定程度時(shí)會(huì)導(dǎo)致電機(jī)軸斷裂[8]。電機(jī)振動(dòng)位移經(jīng)測(cè)量為50～100 μm。改造后，動(dòng)力端與負(fù)載端無(wú)機(jī)械接觸，電機(jī)振動(dòng)值降低，啟動(dòng)與運(yùn)行的聲音平穩(wěn)，優(yōu)于未改造側(cè)電機(jī)，電機(jī)振動(dòng)位移經(jīng)測(cè)量為10～30 μm。

第四，從對(duì)中校準(zhǔn)方面來(lái)看。液力耦合器的質(zhì)心對(duì)軸線的偏移需小于0.04 mm，需要精準(zhǔn)找正。永磁調(diào)速器導(dǎo)體盤與磁盤同心度則允許有1 mm的誤差，氣隙的軸向、徑向誤差只需控制在0.5 mm以內(nèi)。裝配要求的降低，可以減少維護(hù)檢修的人工與時(shí)間成本。

第五，從設(shè)備的使用壽命方面來(lái)看。由表1中電流參數(shù)可知，永磁軟啟動(dòng)性能優(yōu)于液力耦合器，電機(jī)啟動(dòng)電流相較于液力耦合器下降20%～25%，永磁調(diào)速器對(duì)于電機(jī)及減速箱的保護(hù)都具有長(zhǎng)期的經(jīng)濟(jì)效益。永磁調(diào)速器無(wú)機(jī)械接觸，使用過(guò)程中免拆裝，無(wú)維修成本，減少了停機(jī)維護(hù)時(shí)間，提升了生產(chǎn)效率。

第六，從節(jié)能方面來(lái)看。液力耦合器的過(guò)載系數(shù)隨著內(nèi)部充液率的不同（40%～80%）會(huì)在一定范圍內(nèi)改變，但液力耦合器內(nèi)部存在溫升變化、液量難以精確控制等因素，會(huì)導(dǎo)致傳動(dòng)效率嚴(yán)重降低[9]。永磁調(diào)速器的氣隙磁通量等影響傳動(dòng)效率的因素均可控，能保證以恒定的高效率傳動(dòng)，因此具有一定的節(jié)能效益。以1號(hào)、2號(hào)機(jī)組空預(yù)器電機(jī)15 kW輸入功率計(jì)算，假定輸入功率可降低至80%，即12 kW。單臺(tái)空預(yù)器節(jié)能效益計(jì)算公式如下：

E=P×T×Dy×（η1-η2）×p（2）

式中：E為年節(jié)能效益;P為輸入功率;T為每日運(yùn)行時(shí)間;Dy為年運(yùn)行天數(shù);η1為液力耦合器傳動(dòng)效率;η2為永磁調(diào)速器傳動(dòng)效率;p為電費(fèi)單價(jià)。

由康巴什電廠1號(hào)機(jī)組改造現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)對(duì)比得知，永磁調(diào)速器傳動(dòng)效率比液力耦合器提升了8%，永磁調(diào)速器每日運(yùn)行24 h，電費(fèi)以0.4元/（kW·h）計(jì)算，可以得出每年單臺(tái)空預(yù)器可以節(jié)省的費(fèi)用為3 363.84元。

康巴什電廠將液力耦合器替換為超離合永磁調(diào)速器，將主電機(jī)與減速箱之間由機(jī)械連接變?yōu)榉菣C(jī)械連接，使主電機(jī)具備緩沖啟動(dòng)功能，并使主電機(jī)側(cè)傳動(dòng)系統(tǒng)具備輸出轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)功能，可以對(duì)空預(yù)器轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)顯示，在環(huán)境溫度為6 ℃時(shí)，根據(jù)對(duì)主電機(jī)側(cè)輸出轉(zhuǎn)速、氣隙、輸入轉(zhuǎn)矩等進(jìn)行調(diào)整，確定其額定扭矩為97.12 N·m，最大扭矩為242.8 N·m，扭矩傳輸效率大于97%，無(wú)磁泄漏、噪聲泄漏，滿足空預(yù)器傳動(dòng)系統(tǒng)使用要求，證明超離合永磁調(diào)速器對(duì)解決目前空預(yù)器液力耦合器的常見(jiàn)故障起到了積極作用，保證了空預(yù)器的長(zhǎng)久運(yùn)行，避免了空預(yù)器傳動(dòng)系統(tǒng)漏油以及溫度升高產(chǎn)生的熔塞問(wèn)題，降低了設(shè)備的維護(hù)成本。

5? ? 結(jié)語(yǔ)

本文基于平面永磁力矩傳遞理論，結(jié)合京能康巴什電廠1號(hào)、2號(hào)機(jī)組實(shí)際運(yùn)行工況，提出了一種可行的傳動(dòng)系統(tǒng)升級(jí)改造方案。從改造后的運(yùn)行狀況來(lái)看，改造后空預(yù)器的運(yùn)行性能得到了明顯提升，起到了一定的節(jié)能效果，降低了空預(yù)器的生產(chǎn)運(yùn)行成本，為同類機(jī)組的改造提供了很好的借鑒。

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收稿日期：2022-03-09

作者簡(jiǎn)介：宋杰（1986—），男，河北人，工程師，從事火力發(fā)電廠設(shè)備運(yùn)行與維護(hù)工作。

王猛（1975—），男，內(nèi)蒙古人，工程師，從事火力發(fā)電廠設(shè)備運(yùn)行與維護(hù)工作。

沈俊杰（1993—），男，江蘇人，工程師，從事永磁聯(lián)軸器設(shè)備研發(fā)工作。