永磁驱动调速技术在引风机改造中的应用

吴 吉

（贵州赤天化桐梓化工有限公司，贵州桐梓 563200）

贵州赤天化桐梓化工有限公司自备电厂锅炉引风机的额定参数大于实际需求，常年以最高速恒转速运行，且引风机入口管径大，通过风门挡板调节其流量、压力的精度较低，耗电量及设备故障率高。为此，对锅炉引风机进行调速改造，以实现根据风量需求调节风机转速，降低设备故障率，提高设备运行的安全性和可靠性。

1 调速方式

目前，大功率异步电动机主要调速方式有液力耦合器、变频、永磁驱动调速等。液力耦合器调速为低效调速方式，调速范围有限，高速丢转约5%~10%，低速转差损耗最高可达额定功率的30%以上，启动电流大、响应慢、维护费用高。目前，高压变频调速应用较广，节能效果好，但工作时会产生谐波，电子组件多且老化快，对环境要求高，高压环境下故障率高，维护费用较高，设备使用年限短。永磁驱动调速技术（PMD）与传统的同步式永磁磁力驱动技术有很大区别，其解决了旋转负载系统对中、软启动、减震、调速、过载保护等问题，传动效率高达98.5%。PMD是专门针对引风机、泵类等离心负载的节能技术，具有高效节能、可靠性高、无刚性连接传递扭矩、可在恶劣环境下应用、整体系统振动较低、系统维护少和使用寿命长等优点，尤其是不会产生高次谐波及低转速下电机发热，使其成为引风机及泵类离心设备节能技术改造的首选。变频器、液力耦合器、永磁驱动调速器特点比较如表1所示。

表1 各种调节改造技术对比表

续表

2 永磁驱动调速器

永磁驱动调速器是通过气隙传递转矩的传动设备，电机与负载设备转轴间无须机械连接，电机旋转时带动导体盘在装有强力稀土磁铁盘的强磁场中切割磁力线，导磁盘中产生涡电流，该涡电流在导磁盘中产生感应磁场，拉动导磁盘与磁盘的相对运动，实现电机与负载之间的转矩传输。永磁驱动调速器如图1所示；一般由导磁体、永磁体、执行器3个部分组成。导磁体、永磁体之间有一定的空气间隙，通过执行器调节空气间隙的大小，实现负载输出速度的控制。执行器有手动控制和信号电控2种，电机输出到永磁驱动调速器的扭矩和调速型磁力驱动装置输出到负载的扭矩相等。

图1 永磁驱动调速器结构

3 引风机改造方案

某化工自备电厂2号机组锅炉配Y6-39NO22F离心式大功率引风机，技术参数如表2所示。该引风机电动机与引风机采用对轮机械硬连接方式，带载启动瞬间冲击电流大，电机使用寿命较短，风门挡板控制引风机风量的耗电量大，效率低，叶轮磨损严重，设备振动大，运行稳定性较差。

表2 Y6-39NO22F离心式引风机技术参数

对此，决定选用WH2000永磁驱动调速器对引风机进行一对一控制，即在引风机和电机之间加装永磁驱动调速器。永磁驱动调速器的尺寸大于联轴器，原引风机与电机基础尺寸满足不了布置要求，需将电机基座向后延伸1 550mm。引风机加装永磁驱动调速器后，风门挡板全开。

执行器防护等级为IP55，使用220V电源，接受DC4-20mA模拟信号。控制系统需增加电动执行器DCS操作画面，由DCS或PLC输出4~20mA信号控制执行器（图2）。电动执行器反馈4~20mA的位置信号，对永磁驱动调速器的运行进行监控。当自动系统出现故障时可手动调节执行器，也可通过人机界面、PLC 或 DCS进行远程遥控。

图2 执行器 DCS控制系统

4 改造效果

4.1 经济分析

采用永磁驱动调速器时风门挡板全开，减少了节流损失，且能均匀调速，减少因引风机振动带来的故障和电耗。如表3所示，为2号锅炉引风机应PMD前后的运行数据。由表3可见，与改造前在最大锅炉负荷引风机风门挡板开度40%~50%，炉膛风量约为额定风量时的工况相比，改造后引风机振幅从1.8mm/s降至0.2mm/s，降幅达89%；电动机电流从104.7A降至87.5A，降幅达16%，锅炉负荷平稳后。引风机系统效率等于电动机效率、调节流量、引风机效率和输送管道效率的积。离心式引风机负载符合相似定律

表3 2号锅炉引风机改造前后运行数据

式中：Q1、Q2为调速前后的流量，m3/h；n1、n2为调速前后的转速，r/min；H1、H2为调速前后的压力，Pa；N1、N2为调速前后的功率，kW；T1、T2为调速前后的负载转矩，N·m；ω为角速度，rad/s；P为电动机输出功率，kW。由式（4）、式（5）可得电动机输出功率为：

图3为引风机性能及管网特性曲线，图中n为引风机性能曲线，R为管网特性曲线，Q为流量，H为压力。当输出流量和压力减少时，电动机功率急剧下降，节约了能耗。引风机运行工作点是Q曲线与H曲线的交点。引风机的正常工作点为A，当风量需要从Q1调到Q2时，采用挡板阀调节管网特性曲线由R1变为R2，其工作点由A点调至B点，功率为OQ2BH2所包围的面积，功率变化很小，而效率却随之降低；采用PMD时，设备性能曲线从n1变为n2，其工作点由A点调至C点，功率为OQ2CH2所包围的面积，同时其效率曲线也随之平移，依然工作在高效区，功率随转速的平方变化，故节能效果显著。改造前的实际功率为：

图3 引风机性能及管网特性曲线

式中，U为6kV，I为104A，功率因素cosφ取0.87，改造前的实际功率为946kW。加装PMD后门风机入口挡板实现全开，如图4所示。

图4 引风机风门挡板开度与风量对照

根据相似定律，转速与流量成正比，引风机风门挡板全开后实现了减少了节流损失，锅炉满负荷下根据公式（7），改造后风机的实际功率为790.6kW。假设机组每年运行时间为8 000h，未加装永磁驱动调速器前的功耗为7 568 000kW，加装后的功耗为6 324 800kW，实际节电量为1 243 200kW，节电率为16.4%。电价按0.5元/（kW·h）估算，则年收益为62.16万元。改造前引风机每3个月维修1次，每次消耗材料费3万元，每年需要维修费用12万元；改造后引风机每年维修1次，需要维修费用3万元，每年可节约维修费用9万元。将PMD应用到2号锅炉引风机后，每年共节省费用71.2万元，加装永磁驱动调速器的初投资为61.5万元，不到1.5a就可收回投资，经济效益显著。

4.2 安全性分析

2号锅炉引风机电机加装永磁驱动调速器后，提高了锅炉系统运行的安全性。永磁驱动调速器设备结构简单，故障率低，后期维护成本低，抗干扰能力强，运行中没有谐波干扰，增强了系统运行的可靠性。由于永磁驱动调速器的铜盘与永磁铁盘之间采用非刚性连接，运行时没出现因轴对中精度差引起的机械振动问题。改造前设备运行约3个月叶轮因磨损造成质量不平衡，振幅达1.8mm/s，改造后设备运行3个月叶轮质量平衡，振动值保持在0.2mm/s，振动降幅达89%。引风机电机启动时，负载可以完全断开，实现零负载启动，消除了对电网和负载的冲击，延长了电动机和引风机的使用寿命。噪音由改造前的95dB降低到改造后的75dB，降幅达20%。因永磁驱动调速器允许在-10~50℃环境下工作，甚至可以在0~100%相对湿度环境下工作，几乎不受外界环境条件的限制。PMD采用负载滑差调速技术，对电网电压变化不敏感，同时对电网电压不产生任何冲击，系统可靠性较高。

5 结束语

不论是节能降耗、安全平稳，还是维修费用上，经改造好效果显著。改造后各项指标优于改造前，用电量大幅降低，适合推广。