吳 吉

（貴州赤天化桐梓化工有限公司，貴州桐梓 563200）

貴州赤天化桐梓化工有限公司自備電廠鍋爐引風機的額定參數(shù)大于實際需求，常年以最高速恒轉(zhuǎn)速運行，且引風機入口管徑大，通過風門擋板調(diào)節(jié)其流量、壓力的精度較低，耗電量及設(shè)備故障率高。為此，對鍋爐引風機進行調(diào)速改造，以實現(xiàn)根據(jù)風量需求調(diào)節(jié)風機轉(zhuǎn)速，降低設(shè)備故障率，提高設(shè)備運行的安全性和可靠性。

1 調(diào)速方式

目前，大功率異步電動機主要調(diào)速方式有液力耦合器、變頻、永磁驅(qū)動調(diào)速等。液力耦合器調(diào)速為低效調(diào)速方式，調(diào)速范圍有限，高速丟轉(zhuǎn)約5%~10%，低速轉(zhuǎn)差損耗最高可達額定功率的30%以上，啟動電流大、響應(yīng)慢、維護費用高。目前，高壓變頻調(diào)速應(yīng)用較廣，節(jié)能效果好，但工作時會產(chǎn)生諧波，電子組件多且老化快，對環(huán)境要求高，高壓環(huán)境下故障率高，維護費用較高，設(shè)備使用年限短。永磁驅(qū)動調(diào)速技術(shù)（PMD）與傳統(tǒng)的同步式永磁磁力驅(qū)動技術(shù)有很大區(qū)別，其解決了旋轉(zhuǎn)負載系統(tǒng)對中、軟啟動、減震、調(diào)速、過載保護等問題，傳動效率高達98.5%。PMD是專門針對引風機、泵類等離心負載的節(jié)能技術(shù)，具有高效節(jié)能、可靠性高、無剛性連接傳遞扭矩、可在惡劣環(huán)境下應(yīng)用、整體系統(tǒng)振動較低、系統(tǒng)維護少和使用壽命長等優(yōu)點，尤其是不會產(chǎn)生高次諧波及低轉(zhuǎn)速下電機發(fā)熱，使其成為引風機及泵類離心設(shè)備節(jié)能技術(shù)改造的首選。變頻器、液力耦合器、永磁驅(qū)動調(diào)速器特點比較如表1所示。

表1 各種調(diào)節(jié)改造技術(shù)對比表

續(xù)表

2 永磁驅(qū)動調(diào)速器

永磁驅(qū)動調(diào)速器是通過氣隙傳遞轉(zhuǎn)矩的傳動設(shè)備，電機與負載設(shè)備轉(zhuǎn)軸間無須機械連接，電機旋轉(zhuǎn)時帶動導(dǎo)體盤在裝有強力稀土磁鐵盤的強磁場中切割磁力線，導(dǎo)磁盤中產(chǎn)生渦電流，該渦電流在導(dǎo)磁盤中產(chǎn)生感應(yīng)磁場，拉動導(dǎo)磁盤與磁盤的相對運動，實現(xiàn)電機與負載之間的轉(zhuǎn)矩傳輸。永磁驅(qū)動調(diào)速器如圖1所示；一般由導(dǎo)磁體、永磁體、執(zhí)行器3個部分組成。導(dǎo)磁體、永磁體之間有一定的空氣間隙，通過執(zhí)行器調(diào)節(jié)空氣間隙的大小，實現(xiàn)負載輸出速度的控制。執(zhí)行器有手動控制和信號電控2種，電機輸出到永磁驅(qū)動調(diào)速器的扭矩和調(diào)速型磁力驅(qū)動裝置輸出到負載的扭矩相等。

圖1 永磁驅(qū)動調(diào)速器結(jié)構(gòu)

3 引風機改造方案

某化工自備電廠2號機組鍋爐配Y6-39NO22F離心式大功率引風機，技術(shù)參數(shù)如表2所示。該引風機電動機與引風機采用對輪機械硬連接方式，帶載啟動瞬間沖擊電流大，電機使用壽命較短，風門擋板控制引風機風量的耗電量大，效率低，葉輪磨損嚴重，設(shè)備振動大，運行穩(wěn)定性較差。

表2 Y6-39NO22F離心式引風機技術(shù)參數(shù)

對此，決定選用WH2000永磁驅(qū)動調(diào)速器對引風機進行一對一控制，即在引風機和電機之間加裝永磁驅(qū)動調(diào)速器。永磁驅(qū)動調(diào)速器的尺寸大于聯(lián)軸器，原引風機與電機基礎(chǔ)尺寸滿足不了布置要求，需將電機基座向后延伸1 550mm。引風機加裝永磁驅(qū)動調(diào)速器后，風門擋板全開。

執(zhí)行器防護等級為IP55，使用220V電源，接受DC4-20mA模擬信號。控制系統(tǒng)需增加電動執(zhí)行器DCS操作畫面，由DCS或PLC輸出4~20mA信號控制執(zhí)行器（圖2）。電動執(zhí)行器反饋4~20mA的位置信號，對永磁驅(qū)動調(diào)速器的運行進行監(jiān)控。當自動系統(tǒng)出現(xiàn)故障時可手動調(diào)節(jié)執(zhí)行器，也可通過人機界面、PLC 或 DCS進行遠程遙控。

圖2 執(zhí)行器 DCS控制系統(tǒng)

4 改造效果

4.1 經(jīng)濟分析

采用永磁驅(qū)動調(diào)速器時風門擋板全開，減少了節(jié)流損失，且能均勻調(diào)速，減少因引風機振動帶來的故障和電耗。如表3所示，為2號鍋爐引風機應(yīng)PMD前后的運行數(shù)據(jù)。由表3可見，與改造前在最大鍋爐負荷引風機風門擋板開度40%~50%，爐膛風量約為額定風量時的工況相比，改造后引風機振幅從1.8mm/s降至0.2mm/s，降幅達89%；電動機電流從104.7A降至87.5A，降幅達16%，鍋爐負荷平穩(wěn)后。引風機系統(tǒng)效率等于電動機效率、調(diào)節(jié)流量、引風機效率和輸送管道效率的積。離心式引風機負載符合相似定律

表3 2號鍋爐引風機改造前后運行數(shù)據(jù)

式中：Q1、Q2為調(diào)速前后的流量，m3/h；n1、n2為調(diào)速前后的轉(zhuǎn)速，r/min；H1、H2為調(diào)速前后的壓力，Pa；N1、N2為調(diào)速前后的功率，kW；T1、T2為調(diào)速前后的負載轉(zhuǎn)矩，N·m；ω為角速度，rad/s；P為電動機輸出功率，kW。由式（4）、式（5）可得電動機輸出功率為：

圖3為引風機性能及管網(wǎng)特性曲線，圖中n為引風機性能曲線，R為管網(wǎng)特性曲線，Q為流量，H為壓力。當輸出流量和壓力減少時，電動機功率急劇下降，節(jié)約了能耗。引風機運行工作點是Q曲線與H曲線的交點。引風機的正常工作點為A，當風量需要從Q1調(diào)到Q2時，采用擋板閥調(diào)節(jié)管網(wǎng)特性曲線由R1變?yōu)镽2，其工作點由A點調(diào)至B點，功率為OQ2BH2所包圍的面積，功率變化很小，而效率卻隨之降低；采用PMD時，設(shè)備性能曲線從n1變?yōu)閚2，其工作點由A點調(diào)至C點，功率為OQ2CH2所包圍的面積，同時其效率曲線也隨之平移，依然工作在高效區(qū)，功率隨轉(zhuǎn)速的平方變化，故節(jié)能效果顯著。改造前的實際功率為：

圖3 引風機性能及管網(wǎng)特性曲線

式中，U為6kV，I為104A，功率因素cosφ取0.87，改造前的實際功率為946kW。加裝PMD后門風機入口擋板實現(xiàn)全開，如圖4所示。

圖4 引風機風門擋板開度與風量對照

根據(jù)相似定律，轉(zhuǎn)速與流量成正比，引風機風門擋板全開后實現(xiàn)了減少了節(jié)流損失，鍋爐滿負荷下根據(jù)公式（7），改造后風機的實際功率為790.6kW。假設(shè)機組每年運行時間為8 000h，未加裝永磁驅(qū)動調(diào)速器前的功耗為7 568 000kW，加裝后的功耗為6 324 800kW，實際節(jié)電量為1 243 200kW，節(jié)電率為16.4%。電價按0.5元/（kW·h）估算，則年收益為62.16萬元。改造前引風機每3個月維修1次，每次消耗材料費3萬元，每年需要維修費用12萬元；改造后引風機每年維修1次，需要維修費用3萬元，每年可節(jié)約維修費用9萬元。將PMD應(yīng)用到2號鍋爐引風機后，每年共節(jié)省費用71.2萬元，加裝永磁驅(qū)動調(diào)速器的初投資為61.5萬元，不到1.5a就可收回投資，經(jīng)濟效益顯著。

4.2 安全性分析

2號鍋爐引風機電機加裝永磁驅(qū)動調(diào)速器后，提高了鍋爐系統(tǒng)運行的安全性。永磁驅(qū)動調(diào)速器設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，故障率低，后期維護成本低，抗干擾能力強，運行中沒有諧波干擾，增強了系統(tǒng)運行的可靠性。由于永磁驅(qū)動調(diào)速器的銅盤與永磁鐵盤之間采用非剛性連接，運行時沒出現(xiàn)因軸對中精度差引起的機械振動問題。改造前設(shè)備運行約3個月葉輪因磨損造成質(zhì)量不平衡，振幅達1.8mm/s，改造后設(shè)備運行3個月葉輪質(zhì)量平衡，振動值保持在0.2mm/s，振動降幅達89%。引風機電機啟動時，負載可以完全斷開，實現(xiàn)零負載啟動，消除了對電網(wǎng)和負載的沖擊，延長了電動機和引風機的使用壽命。噪音由改造前的95dB降低到改造后的75dB，降幅達20%。因永磁驅(qū)動調(diào)速器允許在-10~50℃環(huán)境下工作，甚至可以在0~100%相對濕度環(huán)境下工作，幾乎不受外界環(huán)境條件的限制。PMD采用負載滑差調(diào)速技術(shù)，對電網(wǎng)電壓變化不敏感，同時對電網(wǎng)電壓不產(chǎn)生任何沖擊，系統(tǒng)可靠性較高。

5 結(jié)束語

不論是節(jié)能降耗、安全平穩(wěn)，還是維修費用上，經(jīng)改造好效果顯著。改造后各項指標優(yōu)于改造前，用電量大幅降低，適合推廣。