永磁调速技术在发电厂设备上应用的探讨

2016-05-10付琼张冠群

湖南电力 2016年1期

关键词：调速器闭式永磁

付琼，张冠群

(神华国华永州发电有限责任公司，湖南永州425000)

永磁调速技术在发电厂设备上应用的探讨

Application of speed permanent magnet technology in power plant equipments

付琼，张冠群

(神华国华永州发电有限责任公司，湖南永州425000)

永磁调速器具有结构简单、运行可靠、环境适应性好等特点。文中简要介绍永磁调速器的工作原理并与其他设备进行比较，详述永磁技术在发电厂中的应用。该技术应用投运后运行稳定，节能效果明显。

永磁调速器；安全性；闭式水泵；风机；节能

环境污染与能源短缺是当前人类面临的严峻问题，节能环保设备和技术的应用也受到普遍的重视，特别是在电厂、化工等重点耗能行业。永磁调速器是近年来节能技术上的一个创新和趋势，主要应用于风机、泵类等离心负载调速节能方面。以往的调节方式通过节流阀门或挡板调节，损失大、效率低，阀门调节磨损或变形严重，导致系统故障率高，维护成本高，通过永磁调速技术的应用，可以实现降低生产运行成本和提高设备使用效率。

1 永磁调速驱动器简介

1.1 永磁调速技术原理

永磁调速技术是近年来较受推广的节能项目，如图1所示，通过气隙(磁耦间隙)传递转矩的传动设备，电机与负载设备转轴之间无需机械连结，电机旋转时带动主动转子产生感应磁场，感应磁场和永磁场之间磁性的相互吸合和排斥拉动从动转子。通过调节从动转子与主动转子之间的气隙(磁耦间隙)的大小，可以调节从动转子所处位置的磁场大小，气隙越小，主动转子所处位置的磁场越强，其高速旋转所产生的感应磁场也越强，所产生的扭矩也越大，负载转速也越高。反之，气隙越大，主动转子所处位置的磁场越小，其高速旋转产生的感应磁场也越小，产生的扭矩也越小，负载转速也就越低〔1〕。在实际控制中，永磁调速器配套电动执行器，由电动执行器调节主动转子与从动转子之间的距离，就可以对转速的实现远程控制或自动控制，以响应系统运行的要求。

图1 永磁调速技术原理图

1.2 永磁技术与变频技术的对比

在传统的调速方式中，变频调速应用较为广泛。变频调速利用电力电子技术来实现对电机转速的调节，可以根据实际工况来进行自动调节。另外变频技术平滑性好、精度高、波动小，根据电动机的运行特性曲线，当转速下降后，节能效果较为明显，可以实现电动机的软起动，提高电动机的使用寿命。但是变频技术对于环境温度的要求高，高参数设备采用变频技术还要设置带有空调的专用房间，电子元件在高温的情况下故障率提升，后期维护量增大，而且设备占地面积大，高压变频器启动时还会产生谐波，影响其他设备的运行〔2〕。

1.3 永磁调速技术的主要优点

1)负载与电机无需机械连接来传递扭矩，完全是通过磁力传递扭矩的，因此隔离了振动的传递，设备的振动较小。

2)永磁调速理论上可在额定转速0～100%范围内对负载进行无级调速，根据需要将调节范围设定，可相应实现转机在一定范围转速之间调节。

3)可实现电机空载启动，减少电机冲击电流。

4)适应潮湿、粉尘、环境温度、防爆等环境。

5)允许有一定安装对中误差，简化了安装调试。

针对以上特点，永磁调速技术是针对风机、泵负载调速节能的适用技术，具有节能、可靠等特点。结合发电厂工程实际情况，永磁调速技术若应用于水泵、风机等设备上存在一定的节能空间。

2 永磁技术在发电厂设备上的应用

2.1 在闭式水泵上的实际应用

发电厂的闭式水系统，在春、秋季节，尤其是冬季期间闭式水温度低，富裕量大〔3〕，常采用调节阀门开度的方法来控制闭式水压力和温度，该方式会造成很大的节流损失，还会产生汽蚀和振动，造成设备损坏。某1 000 MW电厂闭式水系统采用1台闭式水泵应用永磁调速装置，另1台闭式水泵采用常规配置作为备用，同时取消原出口调节门。

2.1.1 运行情况

该闭式水泵实际运行中，调速器以闭式水母管压力为调节对象，设定值正常维持在0.4～0.5 MPa之间，此压力反馈给永磁气隙执行机构，实现转速调节，达到控制闭式水泵流量和出口压力的目的。

转速变化会引起辅机振动变化，运行中测得振动值为:出力最低和最大时均为9 μm，符合要求。

运行中保持母管压力持续的保持稳定，是永磁调速技术的关键，其控制逻辑如图2所示。

该厂的实际运行情况表明，永磁调节器的工作特性也是十分平稳的。

2.1.2 节能效果

由于永磁技术是通过改变负载侧的转速来达到节能的目的，故其实际的节能效果要逊色于变频技术〔4〕。该电厂原闭式水泵出口压力为0.70 MPa，引进永磁技术后，维持母管压力在0.5～0.7 MPa之间，所以其节能的效果只能在0.2 MPa的区间内，不过考虑闭式水母管压力正常运行时，不会低于0.4 MPa，如果采用变频技术会增大设备的投资，故采用永磁技术对节能工作是很有效的〔5〕。

图2 永磁调速装置控制逻辑

该厂改造前闭式泵夏季运行电流在21～22.6 A之间，闭式水压力为0.75～0.73 MPa，日耗电约6 710～6 850 kWh；加装永磁调速后在夏季7—9这3个月运行期间调速指令在55%左右，闭式水压力0.68 MPa，满足系统运行要求，水泵运行电流19.8 A，日耗电量约6 321 kWh，相对改造前降低约500 kWh/d。按照夏季运行工况95天计，可节电47 500 kWh。其他季节温度较低时，调速指令在30%左右，闭式水压力0.495 MPa，满足系统运行要求，水泵运行电流14.1 A，日耗电约3 180 kWh，相对改造前降低约3 600 kWh/d，该阶段每年按永磁使用270天计，可节电972 000 kWh；全年共计节电1 019 500 kWh。

2.2 永磁调速技术在引风机上的应用

2.2.1 应用背景

某电厂装备3台170 t/h高温高压煤粉锅炉和2台25 MW抽凝式汽轮机组及相应辅助设施，供热能力为260 t/h。2013年脱硫系统进行炉外氨法脱硫改造，烟气二氧化硫排放低至100 mg/Nm3。

2.2.2 2号炉节能改造

改造前，2号炉甲、乙引风机调速采用内反馈串级调速，该调速装置目前已经淘汰，不但不节能，而且经常出现电流晃动、可控硅击穿、爆熔断器等调速故障现象，影响安全运行。改造后，2号炉甲、乙引风机调速改为永磁调速。在机务方面，为保证冷却效果，增加了1个冷却水箱、2个冷却水泵和1个板式热交换器，用以冷却永磁装置。在电气方面，内反馈保留全速启动装置，在电机与风机连轴器间加装永磁装置，并在现场配置就地电源操作控制箱。在热控方面，取消了原内反馈转速调节，改为执行机构调节磁耦间隙以实现风机转速调节，增加冷却水泵、轴承温度、水压、水温等热工测点。炉膛负压信号被控制系统接收和处理，然后提供到执行器。永磁转子和导体转子均为圆盘状，永磁盘外径略小于导体盘内径，并位于导体盘套内，永磁盘与导体盘留有间隙，通过执行器推动永磁盘伸缩，调节永磁盘与导体盘的位置，达到控制传递扭矩的大小和转速。整个控制系统可以自动控制，也可切换为手动方式控制。当控制系统故障时，可通过执行器手动调节。

2.2.3 节能效果对比

在对2号炉引风机永磁调速改造的同时，对脱硫系统地进行了改造，由炉内石灰石脱硫改造为炉外氨法脱硫，但脱硫项目投运后，增加了风道阻力，提高了引风机出口风压，增加了引风机用电量，引风机单耗有所上升，因此2号炉引风机改造前、后的单耗不具有可比性。由于3台锅炉型号、引风机型号相同，负荷平均分配，故将改造后的2号炉与未改造的3号炉引风机单耗进行同期对比，以此比较节能效果，2014年3—8月期间对比见表1。

由表1可知，改造后的2号炉比未改造的3号炉引风机单耗下降3.649－2.829＝0.82 kWh/t (汽)。

表1 某电厂2，3号炉引风机单耗对比

3 问题及建议

3.1 响应速度相对较慢

设备启动开始到满出力需要一个过程，不利于事故处理。执行机构从全关到全开需要35～45 s的时间，启动初期能到达约40%的出力，再通过运行人员手动调节出力，整个过程约1 min，因此建议2台互为备用的设备，一台采用永磁调速技术，保持长期连续运行，另一台采用常规配置，起到可靠备用的目的。可每月或定期启动运行一段时间再切换回永磁调速的设备运行，进行必要的设备轮换，确保设备的可靠备用。

3.2 永磁调速技术的冷却方式

目前永磁调速技术有空冷和水冷2种冷却方式。对于功率较大的电机采用永磁技术，风冷方式是否适用，是需要周密考虑和调研的。一般功率在300 kW以上的电机，建议采用水冷的永磁调节器，因为随着负载功率的提升，调节器处的温度会随之升高，在高温下磁场会发生“消磁”现象，为了保证冷却效果，需要增加辅助系统及设备，使运行系统复杂化，且增加一定的初投资。为避免产生水费，循环冷却水需要动力，每台永磁调速器大约需要3 kW的电动机作为冷却水动力，按照电费0.4元/kWh计算，年运行费用大约1万元，因此在实际应用过程中需要考虑初投资成本及节能收益回报率。