永磁調(diào)速技術(shù)在大型石膏制硫酸裝置窯尾熱風(fēng)機(jī)上的應(yīng)用實(shí)踐

高 強(qiáng)，王樹才，鮑樹濤

（1. 山東魯北化工股份有限公司，山東 無棣 251909；2. 山東魯北企業(yè)集團(tuán)總公司，山東 無棣 251909）

1 高壓異步電動機(jī)常見的調(diào)速方式

目前，在工業(yè)生產(chǎn)中高溫風(fēng)機(jī)大功率高壓異步電動機(jī)的主要調(diào)速方式有液力耦合器調(diào)速、高壓變頻器調(diào)速和永磁調(diào)速器調(diào)速等。

液力耦合器調(diào)速屬低效調(diào)速方式，具有價(jià)格低、空載啟動和無級調(diào)速等優(yōu)點(diǎn)，但其調(diào)速范圍有限，低速轉(zhuǎn)差損耗大，最高可達(dá)額定功率的15%以上，冷卻系統(tǒng)須加專用油且易結(jié)垢堵塞，調(diào)速精度低，且該調(diào)速器必須加裝在設(shè)備和電機(jī)之間，不適合改造；易漏油，耦合器故障時(shí)無法切換運(yùn)行，只能停車檢修，且維護(hù)工作量大、檢修周期長、費(fèi)用高，不能滿足提高裝置整體自動化水平的需要。

高壓變頻器調(diào)速是目前應(yīng)用比較普遍和相對先進(jìn)的技術(shù)，其利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用將電源頻率變換，采用電力電子技術(shù)實(shí)現(xiàn)輸出量調(diào)節(jié)和波形變化，根據(jù)實(shí)際工況自動控制電壓和頻率的變化，對電動機(jī)的速度進(jìn)行調(diào)節(jié)，可實(shí)現(xiàn)零轉(zhuǎn)速啟動、軟制動連續(xù)調(diào)節(jié)，精確調(diào)速，滿足各種生產(chǎn)工藝工況的需要，隨時(shí)顯示電機(jī)電流、電壓、頻率、電機(jī)轉(zhuǎn)速等運(yùn)行狀態(tài)，具有明顯的節(jié)能效果。但是工作時(shí)產(chǎn)生諧波，電子組件多，相應(yīng)的故障率高且老化快，對環(huán)境要求高，同時(shí)還要考慮進(jìn)出敷設(shè)電纜、專用房子及加裝空調(diào)等費(fèi)用，高壓變頻器的壽命一般為5～8年，且隨著使用年限增加，安全性變差，故障率逐年提高，需要專業(yè)人員維護(hù)，維護(hù)費(fèi)用相對較高。永磁調(diào)速器調(diào)速是近年來國際上開發(fā)的一項(xiàng)突破性新技術(shù)，電動機(jī)與負(fù)載設(shè)備轉(zhuǎn)軸之間無須機(jī)械連接。它具有高效節(jié)能、安全可靠、改造簡單、無剛性連接傳遞扭矩、適應(yīng)惡劣環(huán)境、系統(tǒng)維護(hù)少和使用壽命長（達(dá)30 年）等特點(diǎn)，成功地解決了負(fù)載旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)中的對啟動、減震、調(diào)速及過載保護(hù)等問題。尤其是其不產(chǎn)生高次諧波，低速下不造成電機(jī)發(fā)熱以及優(yōu)良的調(diào)速特性更使其成為風(fēng)機(jī)及泵類設(shè)備節(jié)能改造的理想選擇［1］。

2 永磁調(diào)速技術(shù)在大型石膏制硫酸裝置窯尾熱風(fēng)機(jī)改造上的應(yīng)用

2.1 改造背景

山東魯北企業(yè)集團(tuán)總公司大型石膏制硫酸裝置窯尾熱風(fēng)機(jī)采用液力耦合器調(diào)速，調(diào)速范圍為50%～97%，存在轉(zhuǎn)速不穩(wěn)，運(yùn)轉(zhuǎn)效率低，發(fā)熱厲害，軸封、軸承等部件經(jīng)常漏油需要更換及嚴(yán)重浪費(fèi)人力等問題。為了提高石膏制硫酸裝置運(yùn)轉(zhuǎn)效率、降低能耗，擬對熱風(fēng)機(jī)的調(diào)速方式進(jìn)行升級改造。經(jīng)過各方面的綜合考慮，選用永磁調(diào)速器代替液力耦合器。

雙筒型永磁調(diào)速器是青島斯普瑞能源科技有限公司專利技術(shù)，具有響應(yīng)速度快、調(diào)節(jié)范圍廣、設(shè)備體積小、故障率低、后期維護(hù)成本低、安全可靠、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，可在-10～50 ℃下，各種惡劣環(huán)境（包括腐蝕、爆炸、潮濕、粉塵較高的場合）中長期使用。

永磁調(diào)速器本體包括：（1）永磁體轉(zhuǎn)子（連接于負(fù)載側(cè)）；（2）導(dǎo)體轉(zhuǎn)子（連接于電機(jī)側(cè)）；（3）調(diào)速機(jī)構(gòu)。調(diào)速機(jī)構(gòu)可調(diào)節(jié)永磁體轉(zhuǎn)子和導(dǎo)體轉(zhuǎn)子的相對位置，改變兩者之間磁場耦合的面積，從而改變傳遞的扭矩。耦合面積增大，通過永磁調(diào)速器傳遞的扭矩就隨之增大，負(fù)載轉(zhuǎn)速相應(yīng)提高；耦合面積變小，通過永磁調(diào)速器傳遞的扭矩就隨之變小，負(fù)載轉(zhuǎn)速相應(yīng)降低。永磁調(diào)速器結(jié)構(gòu)組成及調(diào)速原理分別見圖1、圖2。

圖1 永磁調(diào)速器結(jié)構(gòu)組成

圖2 永磁調(diào)速器調(diào)速原理

永磁調(diào)速器的控制中心可以是PLC（可編程邏輯控制器）控制、智能儀表控制，也可以是DCS（分布式控制系統(tǒng)）控制（見圖3）。

圖3 永磁調(diào)速器控制系統(tǒng)

2.2 改造方案

根據(jù)目前的情況，在DCS控制系統(tǒng)上新增操作界面，控制永磁調(diào)速器的自帶電動執(zhí)行器，調(diào)節(jié)永磁體轉(zhuǎn)子和導(dǎo)體轉(zhuǎn)子的相對位置，進(jìn)而調(diào)節(jié)負(fù)載的轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到節(jié)能的目的。改造的內(nèi)容主要包括：

（1）取消原液力耦合器及配套油水系統(tǒng)，將永磁調(diào)速器安裝在電機(jī)與風(fēng)機(jī)之間；

（2）原系統(tǒng)電機(jī)與風(fēng)機(jī)軸間距約1 080 mm，風(fēng)機(jī)側(cè)加裝膜片聯(lián)軸器，電機(jī)側(cè)通過鎖緊盤安裝在電機(jī)軸上，原基礎(chǔ)無須改造；

（3）電動執(zhí)行器動力電纜、信號電纜的長度不夠，須重新敷設(shè)約150 m。

2.2.1 設(shè)備參數(shù)

風(fēng)機(jī)及電機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)分別見表1、表2。

表1 風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)

表2 電機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)

永磁調(diào)速器主要設(shè)備見表3。

表3 永磁調(diào)速裝置主要設(shè)備

2.2.2 技術(shù)要求

1） 永磁調(diào)速器的使用原則

（1）永磁調(diào)速器結(jié)構(gòu)形式為雙筒型結(jié)構(gòu)，冷卻形式為空冷型。

（2）永磁調(diào)速器安裝占用的軸向空間：電機(jī)與負(fù)載軸端距（借用液力偶合器安裝尺寸）1 080 mm。占用的徑向空間：永磁設(shè)備本體最大直徑≤740 mm。

（3）永磁調(diào)速器應(yīng)滿足電機(jī)和負(fù)載間的功率和性能匹配。

（4）永磁調(diào)速器及其配套裝置必須能夠適應(yīng)現(xiàn)場環(huán)境要求。

2） 永磁調(diào)速器的性能指標(biāo)

（1）負(fù)載的調(diào)速范圍是0～97%，且連續(xù)可調(diào)，具有明顯的節(jié)能效果。

（2）實(shí)現(xiàn)負(fù)載轉(zhuǎn)速的遠(yuǎn)程DCS或PLC調(diào)節(jié)控制，同時(shí)具備就地手動機(jī)械調(diào)節(jié)功能作為補(bǔ)充控制方式。

（3）實(shí)現(xiàn)電機(jī)的軟啟動、軟停機(jī)，可延長關(guān)聯(lián)電器使用壽命。

（4）對中誤差：允許0.5 mm 對心誤差；允許0.5°誤差。

（5）適應(yīng)于各種惡劣的工況：電網(wǎng)電壓波動較大、諧波嚴(yán)重、易燃、易爆、高溫、低溫、潮濕及粉塵含量大等場所。

（6）在正常使用及維護(hù)條件下，永磁調(diào)速器本體使用壽命25 年（25 年內(nèi)永磁體磁力強(qiáng)度衰退小于1%），在使用壽命期限內(nèi)若永磁調(diào)速器本體出現(xiàn)質(zhì)量問題賣方免費(fèi)維修（不含軸承易損件）。

（7）由于永磁調(diào)速器是非機(jī)械連接的調(diào)速裝置，負(fù)載和電機(jī)沒有機(jī)械硬連接，隔離了振動的傳遞，因此極大地減小了振動和噪聲。

3 改造效果

窯尾兩臺熱風(fēng)機(jī)進(jìn)行永磁調(diào)速改造后，與原來液力耦合器調(diào)速進(jìn)行比較，在滿負(fù)荷情況下，改造前運(yùn)行電流45.00 A（接近滿負(fù)荷），采用永磁調(diào)速技術(shù)改造后，熱風(fēng)機(jī)運(yùn)行電流40.96 A，運(yùn)行電流減少4.04 A，節(jié)電率達(dá)到8.98%。

改造前熱風(fēng)機(jī)按年運(yùn)行7 200 h計(jì)，年耗電量為324萬kW·h；采用永磁調(diào)速器后，按節(jié)電率8.98%計(jì)算，年節(jié)電量為29.09萬kW·h，按當(dāng)前電價(jià)0.72元/（kW·h）計(jì)算，窯尾熱風(fēng)機(jī)節(jié)電費(fèi)用約為21萬元/a（未計(jì)算液力耦合器運(yùn)行費(fèi)用），節(jié)能效果十分顯著。

永磁調(diào)速器具有結(jié)構(gòu)簡單、無諧波、延長電機(jī)和軸承使用壽命、適應(yīng)性強(qiáng)、自身損耗小的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。與高壓變頻器調(diào)速和液力耦合器調(diào)速等相比，永磁調(diào)速器調(diào)速維護(hù)簡單，可靠度高，安裝調(diào)試方便，改造容易且周期短，避免了聯(lián)軸器磨損問題、液壓油污染環(huán)境等問題，并在解決振動等方面有著無可比擬的優(yōu)勢［2］。

4 結(jié)論

經(jīng)過一段時(shí)間的運(yùn)行，永磁調(diào)速器節(jié)電率達(dá)到9%左右，效果良好，極大地降低了生產(chǎn)成本，減小了設(shè)備維護(hù)成本。其具有高效節(jié)能、運(yùn)行可靠、無剛性連接傳遞扭矩、極大減少系統(tǒng)振動、適應(yīng)各種惡劣環(huán)境、系統(tǒng)維護(hù)費(fèi)用低和使用壽命長等特點(diǎn)［3］。無論是從經(jīng)濟(jì)效益還是從設(shè)備的安全穩(wěn)定性來看，永磁調(diào)速器調(diào)速與液力耦合器調(diào)速和高壓變頻器調(diào)速相比具有無可比擬的優(yōu)勢，具有較好的應(yīng)用前景和推廣價(jià)值。