大功率永磁調速裝置在火電廠中的應用與節能研究

殷闖

1.引言

在火力發電廠的工程設計中，對于風機（水泵）等大型電機拖動的旋轉輔機的選配通常是按照熱力系統最大需求進行配置的，而實際運行工況中，多數情況下熱力系統并未運行在最大需求工況，此時則需要對風機（水泵）等輔機系統的輸出流量或壓力進行控制。控制的方法有通過安裝在管道系統上的調節閥門進行節流、調節風機（水泵）的轉速等。由于進行節流控制時，風機（水泵）輸出端的壓力增高，使得風機（水泵）但運轉點偏離最佳效率點，電機輸出功率未能減小，造成能量浪費。而且，長期的節流運行還很容易產生氣蝕、沖刷、振動，導致設備損壞。調節風機（水泵）的轉速，從而改變風機（水泵）出口的壓力和流量，滿足工況要求，使得風機（水泵）出力和消耗的電能大大降低，具有較好的節能空間和經濟效益。控制風機（水泵）的轉速最佳的方法就是控制電機轉速。目前實現電機調速的方式主要有變頻調速、串級調速、液耦調速、永磁調速等。

永磁調速裝置作為作為傳動史上的一場革命，以期結構簡單、運行可靠、節能降耗的顯著特點迅速的在現代化工業電機拖動領域得到了大規模的應用。但永磁調速裝置的缺點和其優點一樣顯著，那就是“永磁體”的“退磁”現象。永磁體的材料一般為汝鐵硼等永磁材料，該材料的退磁點一般在攝氏80度～180度，一旦超過這個溫度，磁性材料就好“退磁”，而“退磁”后則直接喪失量轉矩傳遞的功能。所以，永磁體不適合工作在高溫環境中。但，永磁調速裝置的工作原理又決定了，永磁調速裝置在轉矩傳遞的過程中必然會產生大量的熱量，而且功率越大，產生的熱量越大。如何消除這些熱量對嬌弱的永磁體的影響成為了各永磁調速裝置制造廠家的核心技術，也成為了制約永磁調速裝置輸出功率的關鍵性技術門檻。

下面，我們就以一臺1400KW鍋爐離心式引風機調速裝置的改造為例，討論一下在火力發電行業利用大功率永磁調速裝置替代高壓變頻調速裝置的可行性和經濟性，并對采用大功率永磁調速裝置后的節能情況進行分析和探討。

2.項目介紹

江蘇鎮江大港熱電廠位于江蘇省鎮江市大港新材料產業園區，是為新材料產業園配套建設的唯一熱源點，擁有2臺75蒸噸和1臺130蒸噸的循環流化床鍋爐。為了適應環保控制大氣污染物排放標準的要求，該廠在2015年進行了濕法脫硫的環保改造工作。由于新增了濕法脫硫系統，煙道阻力增加，為了保證環保改造后的正常運行，需對原配套的引風機進行增容。具體增容改造方案為：將原1000kW引風機增容為1400kW，并新增了一臺由安徽沃弗電力科技有限公司生產的1400KW油冷式永磁調速裝置替代原先的由北京利德華福電氣技術有限公司生產的10KV高壓變頻器作為電機調速方式。

對于在改造方案中，為何選擇永磁調速方式來替代變頻調速方式主要是基于以下幾個原因：

●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量，增加了無功損耗，降低了繼保裝置的可靠性。

●變頻輸出導致電機溫升增加，損害了電機絕緣。

●變頻器安裝環境要求高，對粉塵、濕度、溫度都有較高要求，運行維護量大。

●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），隨著運行時間的增加，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）

●隨著電壓等級的增加，變頻器的成本與復雜性也同步增加，可靠性降低。變頻器系統的維護需要專業的技術人員與工器具，工廠幾乎沒有維護和檢修的能力，外送檢修成本高，時間長。

●永磁調速裝置的環境適應性強，安裝于就地，對電網、電機、繼保裝置等均無要求、無影響。

●永磁調速裝置結構簡單，安裝容易，故障預兆明顯，易于查找排除。維護技術難度低，維護工作量少;變頻器結構復雜，故障預兆不明顯，難以排查，維護技術難度高，維護工作量高。

●永磁調速裝置可以實現空載/緩沖啟動，大幅度降低電機啟動的峰值電流，縮短浪涌持續時間，且可頻繁啟停、快速重啟;變頻器只能低頻帶載啟動，電機容易發熱，且不可頻繁啟停、快速重啟。

●永磁調速裝置設備壽命期長，故障率低，平均設備壽命期可達25年以上，基本做到了與主設備壽命同步。

項目改造時，對采用變頻調速還是永磁調速進行了設備壽命期內的費用比較。比較結果如下表所示。其中，永磁調速裝置的設備采購費用為150萬元，壽命期25年，耗電功率約6KW，耗水量約20t/h;高壓變頻器的設備采購費用為90萬元，壽命期10年，耗電功率約為1400×5%=70KW;電費按0.5元/KW .h計算，水資源費按0.2元/t計算;設備運行時間按4500h/a。未考慮設備故障影響生產所造成的損失。

通過對項目改造后永磁調速裝置實際運行效果分析，從上面列出的永磁調速裝置在不同工況、年份、季節情況下的實際運行參數可以看出，改造后的永磁調速裝置響應速度快、調節精度高、調節曲線平滑，完全能夠滿足火電廠鍋爐引風機負荷調整需要，能夠完全替代變頻調速方式。且運行工況穩定，截止至發稿日期，該套裝置的缺陷為零，從未發生過因永磁調速裝置原因而導致的鍋爐出力受限或被迫停爐的異常情況和惡性事故。因此可以說明，永磁調速是一種安全、可靠、經濟的新興調速技術，相對于目前應用較多的變頻調速方式具有無負面效應、可靠性高、安全性好、壽命周期內總費用低、環境適應性強、安裝維護便利等顯著優勢。而且安徽沃弗電力科技有限公司通過其獨創的油冷技術，攻克了限制永磁調節裝置大功率化的技術壁壘，使得永磁調速裝置在大功率電機調速應用場合有了用武之地，應用前景廣闊。

3.永磁調速器裝置節能性能分析

永磁調速器是透過氣隙傳遞轉矩的革命性傳動設備，電機與負載設備轉軸之間無需機械連結，電機旋轉時帶動導磁盤在裝有強力稀土磁鐵的磁盤所產生的強磁場中切割磁力線，因而在導磁盤中產生渦電流（Eddy Current），該渦電流在導磁盤上產生感應磁場，拉動導磁盤與磁盤的相對運動，從而實現了電機與負載之間的轉矩傳輸。

永磁調速器的組成：

永磁轉子：鑲有永磁體（強力稀土磁鐵）的鋁盤，與負載軸連接導磁轉子

導磁體盤（銅或鋁）， 與電機軸連接

氣隙執行機構：調整磁盤與導磁盤之間氣隙的機構

轉軸連接殼與緊縮盤：以專利緊縮盤裝置與電機及負載軸連結

潤滑冷卻系統：高可靠潤滑冷卻系統保障永磁設備安全運行

永磁調速裝置結構示意圖

從上面的原理圖中看出，電機與負載之間的扭矩傳輸，不同于常規的硬機械連接方式，是通過非接觸式連接的，它不僅可以通過調整氣隙實現轉速調整，還帶來很多其它調速方式所不具備的優點。電機啟動前，將永磁體與導磁盤之間的間歇調到最大，此時啟動電機帶動導磁盤旋轉，與永磁體磁場發生相對運動，切割磁力線，在導磁盤中產生渦流磁場，保持系統內磁場平衡。由于此時穿過導磁盤的磁力線較少，導磁盤內的感生電勢較低，因此永磁體與導磁盤之間的耦合作用相對較弱，電機幾乎處于空載狀態;當需要提高轉速帶載時，調整導磁盤與永磁體間的間隙，使得穿過導磁盤的磁場強度急劇增加，耦合作用加強，向負載端傳遞更大轉矩，從而起到調節轉速的目的。

3.1永磁調速裝置的性能分析

由于永磁調速裝置采用了氣隙傳遞扭矩的方法，所以在安裝時不需精確進行軸對中校準，其最大誤差可以達到0.5～1mm。轉動設備的振動、沖擊、噪音等完全取決于設備自身精度，與安裝精度幾乎無關。在實際運行過程中，由于振動水平的降低，減少了機械能耗和磨損損耗。

負載在全速運行時，負載與電機之間的滑差損耗<3%，效率>97%，與變頻器的性能相當，明顯優于液力耦合器的調速方式。負載端的轉速調節死區<20%，可平滑無極調速，無任何跳動、階躍、遲滯等不正常現象出現。

3.2節能分析

表四中反映的節能數據是同額定軸功率對比的，在總體的能效上與變頻調速裝置相當，特別是在高轉速段（>90%額定轉速）永磁調速裝置擁有更好的效率表現。而在低轉速段，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據中并沒有將其它冷卻設施和輔助型設施的能量計算在內（包括變壓器、濾波器、控制裝置、照明設施、空調設施等），同時也沒有計算電機的效率損失（這個損失是由于電機速度減慢后諧波增加所導致的）。當這些損失統統計算在內的時候，往往銘牌上標注效率為95%的變頻器在實際應用時的效率只有85%甚至是更低。

俄勒岡州大學Alan Wallace博士關于PMD與VFD差異性研究

PMD（永磁調速）的工作原理要求永磁體與導體之間必需存在相對運動，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”。典型狀態下，當PMD工作于額定轉速，滑差為1%～4%，永磁調速裝置的輸出轉矩總是等于輸入轉矩，即電機僅需產生負載所需數量的轉矩。這就是PMD節能的根本原因所在。從PMD的調速特性及流體機械的相似定律（流量與負載轉速成正比，功率與轉速的立方成正比）可知，PMD特別適合風機、水泵等離心負載的調節應用，且節能效果顯著。

4.小結

永磁調速裝置具有結構簡單、適應性強、安裝維護方便、自身損耗小、設備壽命長等顯著優點。能效、傳動效率、調節特性等均優于閥門節流調節方式與液力耦合方式;與變頻調節方式的能效、傳動效率、調節特性等相當，但不存在變頻調節方式的負面效應，且在維護保養、綠色環保、運行環境要求等方面均優于變頻調節方式。因此，永磁調速方式作為新興的電機拖動調速手段，在打破了大型化的桎梏后，完全可以適用于火力發電行業的大功率電機拖動系統的調速應用場合。