永磁調速技術在火力發電廠一次風機上的應用

姜超 何立建 徐文俊

摘要：永磁調速是目前最先進的非機械聯接調速節能技術，本文對繞組式永磁耦合調速器的結構、調速原理和在一次風機系統中的應用做了簡單闡述。分析了某300MW火力發電廠系統中的一次風機進行永磁改造后的調節特性，與采用工頻調速的方式進行對比，并對其應用及經濟性進行了分析。試驗結果表明永磁調速節能效果明顯，在大功率電機永磁改造方面具有廣闊前景。

關鍵詞：繞組式永磁耦合調速器;永磁調速;電機

引言：一次風機是火力發電廠風煙系統中的重要輔機，用于提供一定壓力、一定流量的一次風，將煤粉干燥并送入噴燃器，并提供煤粉揮發份燃燒所需氧量。因此對一次風機進行節能改造是大勢所趨，也有利于節能減排。本文采用繞組永磁耦合調速器對一次風機的節能效果進行試驗研究，產品為江蘇磁谷JIANGSU·CHINA公司生產的YOTQ―D系列永磁耦合調速器，具有運行工況穩定，運行振動、溫升低，操作簡便，調速精準，電機啟動電流小，低速性能更好，生產成本低，節電率高等優點。

1 系統概況

某廠風煙系統由煙氣系統、二次風系統、一次風系統、密封風系統及冷卻風系統組成。爐膛中產生的煙氣流過后煙井后，通過煙道進入空預器煙氣倉，在預熱器中利用煙氣余熱使一、二次風得到預熱。從空預器出來的煙氣通過靜電除塵器和引風機（再經脫硫）排至煙囪，在預熱器進口煙道上裝有電動隔絕擋板。在直吹式制粉系統中，一次風機提供一次風，從風機出來分為兩路，一路經過空預器產生熱一次風，一路不經過空預器產生冷一次風。其中，熱一次風為磨煤機提供干燥出力和通風出力，將磨煤機磨好的煤粉干燥后攜帶煤粉進入到鍋爐燃燒器。冷一次風與熱一次風在磨煤機的入口處進行混合，調節磨煤機進出/溫度，同時也是磨煤機通風出力的一部分。

2 繞組式永磁耦合調速改造實驗

根據現場運行要求和技術改造標準，對一臺機組下的一組一次風機進行繞組式永磁耦合調速改造，并與同等設計負荷的另一臺機組下的一組工頻運行的一次風機進行同工況對比和分析。用YOTQ―D系列永磁耦合調速器代替電動機和風機之間的剛性聯軸器，一次風機改造。當不同工況下的實際風量與需求風量所對應的電機轉速產生偏差時，繞組永磁調速系統則根據永磁外轉子與繞組內轉子的速度差，利用繞組中產生感應電動勢來傳遞扭矩，起到軟離合的作用。

此外，工頻運行的一次風機由于工作效率低下，轉差功率損耗變成設備溫升，不僅維護量大而且一般需要配備單獨的冷卻系統，多通過水或油等介質對聯軸器、軸承等部件進行冷卻。與此相比，永磁耦合調速器將此轉差功率損耗轉變成電能引出再利用反饋回供電端，一舉徹底解決轉差損耗導致的設備溫升問題，不僅高效節能也無需散額外配備熱冷卻系統。

2.1 一次風機繞組式永磁耦合調速器實驗數據

表1 為一次風機繞組式永磁耦合調速系統在變工況下，風機動葉開度、流量、轉速等參數時的實驗數據。可以看出利用繞組電流產生的感應磁場與原永磁場的非接觸傳動，可以改變一次風機電機轉速，進而改變流量，實現速度調節。隨著負荷變化，繞組中感應電流隨之變化，風機流量近似比例上升，電機電流、功率、軸承及線圈溫度也隨之增加。進一步分析，因為繞組式永磁耦合調速系統不需要通過調節風機擋板開度改變流量，因此動葉開度在有限區間變化，風機出口壓力變化小，證明了繞組式永磁耦合器在調速過程中，節流損失減少，電機功率損耗降低，節能效果提高。根據風機運行特性曲線可以看出繞組式永磁耦合調速器的調節特性線性度好，可以滿足各工況下的生產需求。

2.2 一次風機繞組式永磁耦合調速器對比實驗數據

為比較一次風機在采用繞組式永磁耦合調速系統和在工頻運轉下的節能效果，現分別對同設計負荷下的兩組一次風機進行流量、電機功耗、調節性能進行實際運行參數分析。

表2為相同風機流量工況下，工頻電機的各種運行參數。根據GB12497《三相異步電動機經濟運行》強制性國家標準實施監督指南中的公式計算風機節能量：

Q1/Q2=N1/N2? ? ? ③? 流量變化與轉速變化成正比

H1/H2=（N1/N2）2? ? ④? 壓力變化與轉速變化的平方成正比

P1/P2=（N1/N2）3? ? ?⑤? 功率變化與轉速變化的立方成正比

根據計算公式③④⑤，通過計算可得出：故當流量下降到額定的50%時，轉速應下降到額定轉速的50%，降速后的風機所需要的的軸功率為P1=P額定*（1/2）三次方。通過比較表1和表2可以看出繞組式永磁耦合調速系統比工頻運轉的電機更節能。縱觀兩組一次風機流量由90Km3/h增長至140Km3/h，永磁調速器風機出口壓力變化幅度較工頻風機更為平穩，并且各類負荷工況下，前者的流量都較大。這說明一次風機在采用永磁調速裝置后可以更好地滿足鍋爐燃燒的風量需求，并且節流損失小，能耗低。

繞組式永磁耦合調速相較于工頻有以下技術優勢：（1）系統節電率比高，可以將轉差功率引出反饋回供電端;（2）調速器主機與永磁電動機結構相仿，無機械動作，非接觸傳動，沒有摩擦和磨損的軟性傳動，隔離振動和噪聲，可靠性高;（3）多動力單元驅動，自動均衡負載，調速范圍廣，尤其負載低速運行時，可保持額定轉矩運行。

2.3 改造前后節能經濟數據分析

如圖1 所示，采用針對繞組式永磁耦合調速后，風機運行效率提高明顯。以運行中流量為100 Km3/h為例來分析一次風機改造前后的節能效果，可以看出永磁調速后節能效果明顯，節電率約為30%。按照電網全年平均運行時間240天計算，年節電量為164*24*240=944640KW·h，以電價0.7元/KW·h，年節約電費為0.7*944640=661248元（約66.1萬元人民幣）。考慮到采用永磁調速后減少了一次風機的振動，減少了系統的維護工作量，延長了軸承和密封件的壽命等因素，效益遠大于上述數據。

結論：該電廠一次風機系統采用了繞組式永磁耦合調速器后，運行工況良好，經第三方性能檢測節電率可達47.45%，與2011年該風機設施的變頻調速改造比較，比變頻節電率高12.53% ，達到了預期效果。永磁調速技術應用于電機的調速和節能前景廣闊，具有節電率高、維護成本低、低速性能更好、結構簡單、適用范圍廣等優點。