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        永磁調(diào)速技術(shù)在發(fā)電廠設(shè)備上應(yīng)用的探討

        2016-05-10 09:00:18付瓊張冠群
        湖南電力 2016年1期
        關(guān)鍵詞:設(shè)備

        付瓊,張冠群

        (神華國華永州發(fā)電有限責任公司,湖南永州425000)

        永磁調(diào)速技術(shù)在發(fā)電廠設(shè)備上應(yīng)用的探討

        Application of speed permanent magnet technology in power plant equipments

        付瓊,張冠群

        (神華國華永州發(fā)電有限責任公司,湖南永州425000)

        永磁調(diào)速器具有結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、環(huán)境適應(yīng)性好等特點。文中簡要介紹永磁調(diào)速器的工作原理并與其他設(shè)備進行比較,詳述永磁技術(shù)在發(fā)電廠中的應(yīng)用。該技術(shù)應(yīng)用投運后運行穩(wěn)定,節(jié)能效果明顯。

        永磁調(diào)速器;安全性;閉式水泵;風機;節(jié)能

        環(huán)境污染與能源短缺是當前人類面臨的嚴峻問題,節(jié)能環(huán)保設(shè)備和技術(shù)的應(yīng)用也受到普遍的重視,特別是在電廠、化工等重點耗能行業(yè)。永磁調(diào)速器是近年來節(jié)能技術(shù)上的一個創(chuàng)新和趨勢,主要應(yīng)用于風機、泵類等離心負載調(diào)速節(jié)能方面。以往的調(diào)節(jié)方式通過節(jié)流閥門或擋板調(diào)節(jié),損失大、效率低,閥門調(diào)節(jié)磨損或變形嚴重,導致系統(tǒng)故障率高,維護成本高,通過永磁調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用,可以實現(xiàn)降低生產(chǎn)運行成本和提高設(shè)備使用效率。

        1 永磁調(diào)速驅(qū)動器簡介

        1.1 永磁調(diào)速技術(shù)原理

        永磁調(diào)速技術(shù)是近年來較受推廣的節(jié)能項目,如圖1所示,通過氣隙(磁耦間隙)傳遞轉(zhuǎn)矩的傳動設(shè)備,電機與負載設(shè)備轉(zhuǎn)軸之間無需機械連結(jié),電機旋轉(zhuǎn)時帶動主動轉(zhuǎn)子產(chǎn)生感應(yīng)磁場,感應(yīng)磁場和永磁場之間磁性的相互吸合和排斥拉動從動轉(zhuǎn)子。通過調(diào)節(jié)從動轉(zhuǎn)子與主動轉(zhuǎn)子之間的氣隙(磁耦間隙)的大小,可以調(diào)節(jié)從動轉(zhuǎn)子所處位置的磁場大小,氣隙越小,主動轉(zhuǎn)子所處位置的磁場越強,其高速旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的感應(yīng)磁場也越強,所產(chǎn)生的扭矩也越大,負載轉(zhuǎn)速也越高。反之,氣隙越大,主動轉(zhuǎn)子所處位置的磁場越小,其高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的感應(yīng)磁場也越小,產(chǎn)生的扭矩也越小,負載轉(zhuǎn)速也就越低〔1〕。在實際控制中,永磁調(diào)速器配套電動執(zhí)行器,由電動執(zhí)行器調(diào)節(jié)主動轉(zhuǎn)子與從動轉(zhuǎn)子之間的距離,就可以對轉(zhuǎn)速的實現(xiàn)遠程控制或自動控制,以響應(yīng)系統(tǒng)運行的要求。

        圖1 永磁調(diào)速技術(shù)原理圖

        1.2 永磁技術(shù)與變頻技術(shù)的對比

        在傳統(tǒng)的調(diào)速方式中,變頻調(diào)速應(yīng)用較為廣泛。變頻調(diào)速利用電力電子技術(shù)來實現(xiàn)對電機轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié),可以根據(jù)實際工況來進行自動調(diào)節(jié)。另外變頻技術(shù)平滑性好、精度高、波動小,根據(jù)電動機的運行特性曲線,當轉(zhuǎn)速下降后,節(jié)能效果較為明顯,可以實現(xiàn)電動機的軟起動,提高電動機的使用壽命。但是變頻技術(shù)對于環(huán)境溫度的要求高,高參數(shù)設(shè)備采用變頻技術(shù)還要設(shè)置帶有空調(diào)的專用房間,電子元件在高溫的情況下故障率提升,后期維護量增大,而且設(shè)備占地面積大,高壓變頻器啟動時還會產(chǎn)生諧波,影響其他設(shè)備的運行〔2〕。

        1.3 永磁調(diào)速技術(shù)的主要優(yōu)點

        1)負載與電機無需機械連接來傳遞扭矩,完全是通過磁力傳遞扭矩的,因此隔離了振動的傳遞,設(shè)備的振動較小。

        2)永磁調(diào)速理論上可在額定轉(zhuǎn)速0~100%范圍內(nèi)對負載進行無級調(diào)速,根據(jù)需要將調(diào)節(jié)范圍設(shè)定,可相應(yīng)實現(xiàn)轉(zhuǎn)機在一定范圍轉(zhuǎn)速之間調(diào)節(jié)。

        3)可實現(xiàn)電機空載啟動,減少電機沖擊電流。

        4)適應(yīng)潮濕、粉塵、環(huán)境溫度、防爆等環(huán)境。

        5)允許有一定安裝對中誤差,簡化了安裝調(diào)試。

        針對以上特點,永磁調(diào)速技術(shù)是針對風機、泵負載調(diào)速節(jié)能的適用技術(shù),具有節(jié)能、可靠等特點。結(jié)合發(fā)電廠工程實際情況,永磁調(diào)速技術(shù)若應(yīng)用于水泵、風機等設(shè)備上存在一定的節(jié)能空間。

        2 永磁技術(shù)在發(fā)電廠設(shè)備上的應(yīng)用

        2.1 在閉式水泵上的實際應(yīng)用

        發(fā)電廠的閉式水系統(tǒng),在春、秋季節(jié),尤其是冬季期間閉式水溫度低,富裕量大〔3〕,常采用調(diào)節(jié)閥門開度的方法來控制閉式水壓力和溫度,該方式會造成很大的節(jié)流損失,還會產(chǎn)生汽蝕和振動,造成設(shè)備損壞。某1 000 MW電廠閉式水系統(tǒng)采用1臺閉式水泵應(yīng)用永磁調(diào)速裝置,另1臺閉式水泵采用常規(guī)配置作為備用,同時取消原出口調(diào)節(jié)門。

        2.1.1 運行情況

        該閉式水泵實際運行中,調(diào)速器以閉式水母管壓力為調(diào)節(jié)對象,設(shè)定值正常維持在0.4~0.5 MPa之間,此壓力反饋給永磁氣隙執(zhí)行機構(gòu),實現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié),達到控制閉式水泵流量和出口壓力的目的。

        轉(zhuǎn)速變化會引起輔機振動變化,運行中測得振動值為:出力最低和最大時均為9 μm,符合要求。

        運行中保持母管壓力持續(xù)的保持穩(wěn)定,是永磁調(diào)速技術(shù)的關(guān)鍵,其控制邏輯如圖2所示。

        該廠的實際運行情況表明,永磁調(diào)節(jié)器的工作特性也是十分平穩(wěn)的。

        2.1.2 節(jié)能效果

        由于永磁技術(shù)是通過改變負載側(cè)的轉(zhuǎn)速來達到節(jié)能的目的,故其實際的節(jié)能效果要遜色于變頻技術(shù)〔4〕。該電廠原閉式水泵出口壓力為0.70 MPa,引進永磁技術(shù)后,維持母管壓力在0.5~0.7 MPa之間,所以其節(jié)能的效果只能在0.2 MPa的區(qū)間內(nèi),不過考慮閉式水母管壓力正常運行時,不會低于0.4 MPa,如果采用變頻技術(shù)會增大設(shè)備的投資,故采用永磁技術(shù)對節(jié)能工作是很有效的〔5〕。

        圖2 永磁調(diào)速裝置控制邏輯

        該廠改造前閉式泵夏季運行電流在21~22.6 A之間,閉式水壓力為0.75~0.73 MPa,日耗電約6 710~6 850 kWh;加裝永磁調(diào)速后在夏季7—9這3個月運行期間調(diào)速指令在55%左右,閉式水壓力0.68 MPa,滿足系統(tǒng)運行要求,水泵運行電流19.8 A,日耗電量約6 321 kWh,相對改造前降低約500 kWh/d。按照夏季運行工況95天計,可節(jié)電47 500 kWh。其他季節(jié)溫度較低時,調(diào)速指令在30%左右,閉式水壓力0.495 MPa,滿足系統(tǒng)運行要求,水泵運行電流14.1 A,日耗電約3 180 kWh,相對改造前降低約3 600 kWh/d,該階段每年按永磁使用270天計,可節(jié)電972 000 kWh;全年共計節(jié)電1 019 500 kWh。

        2.2 永磁調(diào)速技術(shù)在引風機上的應(yīng)用

        2.2.1 應(yīng)用背景

        某電廠裝備3臺170 t/h高溫高壓煤粉鍋爐和2臺25 MW抽凝式汽輪機組及相應(yīng)輔助設(shè)施,供熱能力為260 t/h。2013年脫硫系統(tǒng)進行爐外氨法脫硫改造,煙氣二氧化硫排放低至100 mg/Nm3。

        2.2.2 2號爐節(jié)能改造

        改造前,2號爐甲、乙引風機調(diào)速采用內(nèi)反饋串級調(diào)速,該調(diào)速裝置目前已經(jīng)淘汰,不但不節(jié)能,而且經(jīng)常出現(xiàn)電流晃動、可控硅擊穿、爆熔斷器等調(diào)速故障現(xiàn)象,影響安全運行。改造后,2號爐甲、乙引風機調(diào)速改為永磁調(diào)速。在機務(wù)方面,為保證冷卻效果,增加了1個冷卻水箱、2個冷卻水泵和1個板式熱交換器,用以冷卻永磁裝置。在電氣方面,內(nèi)反饋保留全速啟動裝置,在電機與風機連軸器間加裝永磁裝置,并在現(xiàn)場配置就地電源操作控制箱。在熱控方面,取消了原內(nèi)反饋轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié),改為執(zhí)行機構(gòu)調(diào)節(jié)磁耦間隙以實現(xiàn)風機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié),增加冷卻水泵、軸承溫度、水壓、水溫等熱工測點。爐膛負壓信號被控制系統(tǒng)接收和處理,然后提供到執(zhí)行器。永磁轉(zhuǎn)子和導體轉(zhuǎn)子均為圓盤狀,永磁盤外徑略小于導體盤內(nèi)徑,并位于導體盤套內(nèi),永磁盤與導體盤留有間隙,通過執(zhí)行器推動永磁盤伸縮,調(diào)節(jié)永磁盤與導體盤的位置,達到控制傳遞扭矩的大小和轉(zhuǎn)速。整個控制系統(tǒng)可以自動控制,也可切換為手動方式控制。當控制系統(tǒng)故障時,可通過執(zhí)行器手動調(diào)節(jié)。

        2.2.3 節(jié)能效果對比

        在對2號爐引風機永磁調(diào)速改造的同時,對脫硫系統(tǒng)地進行了改造,由爐內(nèi)石灰石脫硫改造為爐外氨法脫硫,但脫硫項目投運后,增加了風道阻力,提高了引風機出口風壓,增加了引風機用電量,引風機單耗有所上升,因此2號爐引風機改造前、后的單耗不具有可比性。由于3臺鍋爐型號、引風機型號相同,負荷平均分配,故將改造后的2號爐與未改造的3號爐引風機單耗進行同期對比,以此比較節(jié)能效果,2014年3—8月期間對比見表1。

        由表1可知,改造后的2號爐比未改造的3號爐引風機單耗下降3.649-2.829=0.82 kWh/t (汽)。

        表1 某電廠2,3號爐引風機單耗對比

        3 問題及建議

        3.1 響應(yīng)速度相對較慢

        設(shè)備啟動開始到滿出力需要一個過程,不利于事故處理。執(zhí)行機構(gòu)從全關(guān)到全開需要35~45 s的時間,啟動初期能到達約40%的出力,再通過運行人員手動調(diào)節(jié)出力,整個過程約1 min,因此建議2臺互為備用的設(shè)備,一臺采用永磁調(diào)速技術(shù),保持長期連續(xù)運行,另一臺采用常規(guī)配置,起到可靠備用的目的??擅吭禄蚨ㄆ趩舆\行一段時間再切換回永磁調(diào)速的設(shè)備運行,進行必要的設(shè)備輪換,確保設(shè)備的可靠備用。

        3.2 永磁調(diào)速技術(shù)的冷卻方式

        目前永磁調(diào)速技術(shù)有空冷和水冷2種冷卻方式。對于功率較大的電機采用永磁技術(shù),風冷方式是否適用,是需要周密考慮和調(diào)研的。一般功率在300 kW以上的電機,建議采用水冷的永磁調(diào)節(jié)器,因為隨著負載功率的提升,調(diào)節(jié)器處的溫度會隨之升高,在高溫下磁場會發(fā)生“消磁”現(xiàn)象,為了保證冷卻效果,需要增加輔助系統(tǒng)及設(shè)備,使運行系統(tǒng)復雜化,且增加一定的初投資。為避免產(chǎn)生水費,循環(huán)冷卻水需要動力,每臺永磁調(diào)速器大約需要3 kW的電動機作為冷卻水動力,按照電費0.4元/kWh計算,年運行費用大約1萬元,因此在實際應(yīng)用過程中需要考慮初投資成本及節(jié)能收益回報率。

        4 結(jié)語

        永磁調(diào)速技術(shù)應(yīng)用于電廠,達到了調(diào)速節(jié)能的目的,且設(shè)備運行較為可靠,能夠滿足系統(tǒng)正常運行的需要。從長期的運行角度考慮,永磁調(diào)速技術(shù)能為電廠帶來明顯的經(jīng)濟效益,在風機、水泵的應(yīng)用和改造將會取得更大的突破和發(fā)展。

        〔1〕趙國祥,馬文靜,曹永剛.永磁調(diào)速驅(qū)動器在閉式冷卻水泵上的節(jié)能改造〔J〕.節(jié)能,2010,29(4):41-43.

        〔2〕張利民,康博.永磁調(diào)速技術(shù)的特點及其在發(fā)電廠中的應(yīng)用〔J〕.電子制作,2014(21):240-241.

        〔3〕呂鵬飛.某電廠閉式泵改變頻的應(yīng)用〔J〕.安徽電力科技信息,2011(4):27-29.

        〔4〕翟德雙.永磁調(diào)速器在凝結(jié)水泵上的節(jié)能改造運用〔J〕.中國電力,2012,45(7):45-48.

        〔5〕趙勇,張春杰,王剛,等.電廠閉式水泵永磁調(diào)速器改造的經(jīng)濟效益分析〔J〕.華電技術(shù),2015,37(3):38-41.

        TM621.3

        B

        1008-0198(2016)01-0072-03

        付瓊(1980),男,遼寧省葫蘆島市人,工程師,工學學士,長期從事火力發(fā)電廠生產(chǎn)運行工作。

        10.3969/j.issn.1008-0198.2016.01.021

        2015-04-17 改回日期:2015-11-19

        張冠群(1984),男,遼寧省沈陽市人,工程師,工學學士,從事火力發(fā)電廠鍋爐專業(yè)運行工作。

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