楊建滿(mǎn)

摘要：結(jié)合永磁調(diào)速器在唐鋼中厚板公司蓄熱式加熱爐風(fēng)機(jī)的應(yīng)用，對(duì)永磁調(diào)速器的工作原理、機(jī)械特性、運(yùn)行效果、節(jié)能效果以及加熱爐生產(chǎn)工藝的適用性進(jìn)行分析和研究。結(jié)果證明：永磁調(diào)速技術(shù)能夠較好地滿(mǎn)足加熱爐熱負(fù)荷變化對(duì)風(fēng)機(jī)流量、壓力工藝參數(shù)調(diào)節(jié)的需求，可節(jié)電約20%，有效提高風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：永磁調(diào)速器;間隙;機(jī)械特性;管網(wǎng)特性：節(jié)流;調(diào)速;節(jié)能

中圖分類(lèi)號(hào)：TV732.7

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095-6487（2019）03-0110-03

0引言

風(fēng)機(jī)作為一種通用設(shè)備，廣泛應(yīng)用在各行各業(yè)當(dāng)中，尤其是在鋼鐵冶金行業(yè)，中大型風(fēng)機(jī)作為重要設(shè)備在各道工序中廣泛使用，而且，隨著國(guó)家能源環(huán)保工作的不斷深入，環(huán)保除塵設(shè)備的裝機(jī)量大大增加。風(fēng)機(jī)已經(jīng)成為鋼鐵冶金企業(yè)的主要耗能設(shè)備之一。因此，實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)設(shè)備的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，對(duì)推進(jìn)企業(yè)節(jié)能減排，提高經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益具有十分重要的意義。

風(fēng)機(jī)采用調(diào)速控制方式是實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的重要手段。多年來(lái)，國(guó)家有關(guān)部門(mén)一直大力推進(jìn)對(duì)傳統(tǒng)節(jié)流調(diào)控方式的風(fēng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制改造的工作。風(fēng)機(jī)的調(diào)速控制主要有以下幾種方法：多速電動(dòng)機(jī)、調(diào)壓調(diào)速、變頻調(diào)速、液力耦合器、永磁調(diào)速器等，變頻調(diào)速技術(shù)起步較早，發(fā)展成熟是風(fēng)機(jī)節(jié)能改造最普遍采用的方法。永磁調(diào)速器由美國(guó)Magna?Drive公司于1999年首先研制成功，相關(guān)產(chǎn)品和技術(shù)在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用起步較晚，但憑借其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，在風(fēng)機(jī)、泵類(lèi)等設(shè)備的調(diào)速控制領(lǐng)域得到了快速發(fā)展。

1永磁調(diào)速器的工作原理

永磁調(diào)速器屬于一種磁力耦合器，是具有調(diào)速功能的聯(lián)軸器裝置。其工作原理是導(dǎo)體盤(pán)在環(huán)形分布的永磁體盤(pán)的磁場(chǎng)中做切割磁力線(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體盤(pán)內(nèi)部產(chǎn)生渦流，渦流產(chǎn)生的感應(yīng)磁場(chǎng)與永磁體磁場(chǎng)相互作用，使永磁體盤(pán)向著減小與導(dǎo)體間相對(duì)運(yùn)動(dòng)的方向旋轉(zhuǎn)，即永磁體盤(pán)與導(dǎo)體盤(pán)同向旋轉(zhuǎn)，從而將原動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩傳遞至負(fù)載輸入軸。如果改變導(dǎo)體盤(pán)和永磁體盤(pán)之間的距離或嚙合面積，氣隙磁密發(fā)生變化，感應(yīng)產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩也就隨之變化，最終達(dá)到調(diào)節(jié)負(fù)載轉(zhuǎn)速的目的”。

2永磁調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性分析

永磁調(diào)速器是通過(guò)改變轉(zhuǎn)速差的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)速功能的。對(duì)于一個(gè)由三相異步電動(dòng)機(jī)通過(guò)永磁調(diào)速器驅(qū)動(dòng)的負(fù)載系統(tǒng)來(lái)講，其調(diào)速特性與普通三相異步電動(dòng)機(jī)的變轉(zhuǎn)差率調(diào)速相似。最主要的區(qū)別是永磁調(diào)速系統(tǒng)過(guò)程中不同轉(zhuǎn)差率對(duì)應(yīng)的最大轉(zhuǎn)矩不是恒定的，隨著永磁調(diào)速器氣隙的增大而逐漸減小，也就是隨著設(shè)定轉(zhuǎn)速的減小而減小。負(fù)載為恒定負(fù)載時(shí)，不同設(shè)定轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的機(jī)械特性曲線(xiàn)的最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)將沿著轉(zhuǎn)差率S=I時(shí)的最小起動(dòng)轉(zhuǎn)矩T。點(diǎn)和轉(zhuǎn)差率最小Smin時(shí)對(duì)應(yīng)的最大轉(zhuǎn)矩Tmax點(diǎn)之間連線(xiàn)的斜率變化，如圖1所示。

對(duì)于風(fēng)機(jī)、泵類(lèi)變轉(zhuǎn)矩負(fù)載，其機(jī)械特性曲線(xiàn)與管網(wǎng)特性有關(guān)，不同的管網(wǎng)特性下，起動(dòng)過(guò)程不同，風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)跟隨設(shè)定速度的變化沿著管網(wǎng)特性曲線(xiàn)移動(dòng)。風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)在風(fēng)機(jī)特性和管網(wǎng)特性的共同作用下決定的，風(fēng)機(jī)特性曲線(xiàn)和管網(wǎng)特性曲線(xiàn)的交叉點(diǎn)就是風(fēng)機(jī)的工作點(diǎn)。在不同的調(diào)節(jié)間隙下起動(dòng)風(fēng)機(jī)電機(jī)，永磁調(diào)速器就會(huì)輸出不同的轉(zhuǎn)矩到風(fēng)機(jī)輸入軸，間隙越小輸出的轉(zhuǎn)矩越大。由于系統(tǒng)啟動(dòng)瞬間永磁調(diào)速器主、從動(dòng)盤(pán)的轉(zhuǎn)差率非常大，導(dǎo)體感應(yīng)產(chǎn)生強(qiáng)大的渦流，此時(shí)渦流產(chǎn)生的感應(yīng)磁場(chǎng)對(duì)原磁場(chǎng)嚴(yán)重削弱，渦流對(duì)轉(zhuǎn)矩的增益作用大于轉(zhuǎn)速差增大對(duì)轉(zhuǎn)矩的削弱作用，使得輸出轉(zhuǎn)矩減小，所以啟動(dòng)瞬間永磁調(diào)速器的輸入轉(zhuǎn)速越大，轉(zhuǎn)速差就越大，輸出轉(zhuǎn)矩相對(duì)越小。隨著輸出轉(zhuǎn)矩的振蕩增加，轉(zhuǎn)速逐漸升高，轉(zhuǎn)矩達(dá)到最大值后，經(jīng)過(guò)振蕩調(diào)整，轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速達(dá)到穩(wěn)定，風(fēng)機(jī)在機(jī)械特性與管網(wǎng)特性的交點(diǎn)處平穩(wěn)運(yùn)行，起動(dòng)過(guò)程結(jié)束，如圖2所示。n。為電機(jī)同步轉(zhuǎn)速，n。為永磁調(diào)速器最小氣隙時(shí)的輸出轉(zhuǎn)速，n。為永磁調(diào)速器最大氣隙時(shí)的輸出轉(zhuǎn)速，n。和n。為中間氣隙時(shí)輸出轉(zhuǎn)速，也就是n。>np>n.>ng。

3永磁調(diào)速器的應(yīng)用實(shí)例

唐鋼中厚板公司軋鋼二線(xiàn)加熱爐原設(shè)計(jì)中引風(fēng)機(jī)采用進(jìn)口風(fēng)門(mén)調(diào)節(jié)方式，鼓風(fēng)機(jī)采用進(jìn)口風(fēng)門(mén)和出口調(diào)節(jié)閥配合調(diào)節(jié)方式控制流量的變化，造成很大的能源浪費(fèi)，隨著公司能源管控工作的不斷深化，該加熱爐風(fēng)機(jī)列入節(jié)能改造項(xiàng)目，并選用了永磁調(diào)速方案。

3.1永磁調(diào)速器選型

由于沒(méi)有內(nèi)部實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)可借鑒，改造項(xiàng)目主要依賴(lài)于永磁調(diào)速器制造廠家技術(shù)人員根據(jù)電機(jī)及風(fēng)機(jī)的技術(shù)數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)使用狀況擬定設(shè)計(jì)方案，并指導(dǎo)相關(guān)技術(shù)人員完成永磁調(diào)速器的計(jì)算和選型工作。改造項(xiàng)目中加熱爐風(fēng)機(jī)和電機(jī)銘牌數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

永磁調(diào)速器分為空冷型和水冷型兩種。目前，空冷型最大傳動(dòng)功率為500kW，適用轉(zhuǎn)速范圍為750rpm～3000rpm;典型應(yīng)用中，電機(jī)轉(zhuǎn)速3000rpm時(shí)傳動(dòng)功率小于250kW;電機(jī)轉(zhuǎn)速1500rpm時(shí)傳動(dòng)功率小于300kW。水冷型最大傳動(dòng)功率可達(dá)4000kW，最高轉(zhuǎn)速可達(dá)3000rpm。因此，根據(jù)風(fēng)機(jī)名牌數(shù)據(jù)，選擇使用的永磁調(diào)速器型號(hào)為XL一DZ-250，峰值扭矩≥3216N·m，調(diào)速范圍20%～98%。

3.2永磁調(diào)速器安裝、調(diào)試和改進(jìn)

按照永磁調(diào)速器的安裝尺寸改造電機(jī)基礎(chǔ)和地腳，完成現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備安裝工作。對(duì)加熱爐燃燒PLC系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)容改造并修改控制程序和上位機(jī)畫(huà)面，敷設(shè)電動(dòng)執(zhí)行器控制電纜及永磁調(diào)速器相關(guān)的檢測(cè)信號(hào)電纜，將永磁調(diào)速器的控制納入PLC系統(tǒng)。永磁調(diào)速器采用機(jī)旁手動(dòng)操作、上位機(jī)人工輸入設(shè)定值和燃燒系統(tǒng)根據(jù)壓力、流量及溫度數(shù)據(jù)自動(dòng)計(jì)算并調(diào)整設(shè)定值等三種控制方式2。

設(shè)備安裝完成后，首先調(diào)試電動(dòng)執(zhí)行器，使其100%行程.與調(diào)速器間隙的最大調(diào)節(jié)范圍相對(duì)應(yīng)，最初設(shè)定的調(diào)節(jié)范圍為2～25mm。其次，測(cè)試改造后的永磁調(diào)速器功率是否與風(fēng)機(jī)功率匹配，提供的最大風(fēng)量是否能夠達(dá)到正常生產(chǎn)所需的最大流量。以鼓風(fēng)機(jī)性能測(cè)試為例，設(shè)定進(jìn)出口調(diào)節(jié)閥開(kāi)度均為100%，同時(shí)調(diào)整引風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，保持爐膛內(nèi)外壓力均衡，使風(fēng)機(jī)處于最大消耗功率狀態(tài)下。記錄調(diào)速執(zhí)行器在不同設(shè)定值下鼓風(fēng)機(jī)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，詳見(jiàn)表2。

改造前，鼓風(fēng)機(jī)正常生產(chǎn)所需最大流量為56000Nm3/h，執(zhí)行器設(shè)定值為93%時(shí)，對(duì)應(yīng)流量為56200Nm*/h。所以說(shuō)，改造后的鼓風(fēng)機(jī)能夠滿(mǎn)足生產(chǎn)要求，但在實(shí)際運(yùn)行中還存在以下問(wèn)題：（1）執(zhí)行器的有效調(diào)速范圍小于設(shè)計(jì)范圍。按照設(shè)計(jì)調(diào)速執(zhí)行器0～100%的設(shè)定值應(yīng)與20%～98%的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)，實(shí)際中調(diào)速執(zhí)行器0～93%的設(shè)定值對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速范圍為30.3%～98%，主要原因是永磁調(diào)速器的實(shí)際功率偏大。（2）當(dāng)加熱爐處于“壓火”保溫狀態(tài)，調(diào)速執(zhí)行器設(shè)定值為0，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速仍高達(dá)1300r/min以上，出現(xiàn)喘振現(xiàn)象[3]。轉(zhuǎn)速升高是由于“壓火”保溫狀態(tài)下各流量調(diào)節(jié)閥開(kāi)度減小，管網(wǎng)阻力大幅增加，風(fēng)機(jī)負(fù)荷減小，風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)沿機(jī)械特性曲線(xiàn)向上移動(dòng)。n，為調(diào)速執(zhí)行器設(shè)定值為0時(shí)的風(fēng)機(jī)機(jī)械特性曲線(xiàn)，R。和R。分別為流量調(diào)節(jié)閥開(kāi)度100%和10%時(shí)的管網(wǎng)特性曲線(xiàn)，當(dāng)流量調(diào)節(jié)閥開(kāi)度從100%減小到10%時(shí)，風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)就會(huì)由m，變?yōu)閙2，，轉(zhuǎn)速?gòu)?50r/min上升至1320r/min。導(dǎo)致這一現(xiàn)象的原因仍然是永磁調(diào)速器的實(shí)際功率偏大，最大調(diào)節(jié)間隙下，調(diào)速器輸出的功率大于設(shè)計(jì)值。調(diào)速執(zhí)行器給定值為0時(shí)，流量調(diào)節(jié)閥開(kāi)度與風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系如圖3所示。

根據(jù)問(wèn)題原因，將調(diào)速器永磁體的數(shù)量減少5%，最大調(diào)節(jié)間隙從25mm增加到35mm后，執(zhí)行器的調(diào)節(jié)范圍與風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化范圍基本匹配，風(fēng)機(jī)最低轉(zhuǎn)速降低到300r/min，使風(fēng)機(jī)的調(diào)速范圍達(dá)到永磁調(diào)速器設(shè)計(jì)所要求的20%～98%。

3.3永磁調(diào)速器應(yīng)用效果及評(píng)價(jià)

經(jīng)過(guò)兩年的生產(chǎn)實(shí)踐，永磁調(diào)速器的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：①實(shí)現(xiàn)了風(fēng)機(jī)的調(diào)速和軟啟動(dòng)控制;②通過(guò)磁力耦合傳遞轉(zhuǎn)矩，沒(méi)有直接的機(jī)械接觸，大大減弱了機(jī)械振動(dòng)的傳遞;③主體為純機(jī)械結(jié)構(gòu)，具有較高的穩(wěn)定性和可靠性;④環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，維修技術(shù)門(mén)檻低，易于維護(hù)保養(yǎng)。加熱爐風(fēng)機(jī)永磁調(diào)速器改造完全達(dá)到預(yù)期目標(biāo)并取得顯著效果，既實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的低成本穩(wěn)定運(yùn)行，又使加熱爐的能源消耗指標(biāo)得到大幅下降。改造前加熱爐預(yù)熱段、加熱1段、加熱2段、均熱段各支管的調(diào)節(jié)閥開(kāi)啟度為7%～70%，風(fēng)機(jī)每天平均耗電量為12522kW·h;改造后，各段調(diào)節(jié)閥開(kāi)啟度為40%～100%，每天平均耗電量為9863kW·h;綜合節(jié)電率達(dá)到21.2%。

結(jié)束語(yǔ)

永磁調(diào)速技術(shù)作為一項(xiàng)新技術(shù)，雖然在實(shí)際應(yīng)用中的起步較晚，但因其具有使用壽命長(zhǎng)，可靠性高，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等其它調(diào)速技術(shù)不可比擬的特點(diǎn)，在許多領(lǐng)域得到快速推廣和應(yīng)用。此次改造的成功為永磁調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)，隨著在實(shí)踐中持續(xù)完善和永磁材料的發(fā)展，永磁調(diào)速技術(shù)將會(huì)更加成熟，應(yīng)用前景也會(huì)更加廣：闊。

參考文獻(xiàn)

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