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【摘要】本文介绍了某公司热电厂为降低厂用电率在锅炉吸风机上使用水冷式筒形永磁调速器进行节能调速改造，介绍了其磁场工作机理及在锅炉吸风机上的应用情况，并针对出现的问题，提出了解决方案。
【关键词】厂用电率；节能降耗；筒形永磁调速器
引言
热电厂厂用电率是指年机炉发电和供热所需的自用电能消耗量分别与同一时期对应机组发电量和供热量的比值，它是衡量发电机组经济性能的重要经济技术指标之一。目前，我国热电厂厂用电率一般为8%～10%，而某公司热电厂经过多年努力，厂用电率于2009年平均已降至6.78%，优于国内大多数热电厂。近些年为服从国家环保政策要求，该公司实施了碧水蓝天项目，由于锅炉装置进行脱硝除尘后增加了电能消耗，使得热电厂用电率2014年平均已上升至7.66%，为此，该公司决定使用水冷式筒形永磁调速器来对锅炉吸风机（560kW）进行节能调速改造以降低热电厂厂用电率。
1、概述
该热电厂共有6台蒸发量为220t/h的煤粉炉，每台炉原配有2台6kV、260kW的吸风机，应国家环保要求对锅炉进行脱硝、除尘、脱硫改造后，吸风机功率增大到560kW。在锅炉脱硝除尘改造时，设计方面考虑到随着运行时间延长，脱硝催化剂活性下降后预留层要装新催化剂、除尘器布袋在寿命期内的阻力逐渐增加，另外考虑锅炉漏风、烟温变化和调节需要等情况下要保证吸风机不低于20%压头及10%风量的裕量，所以吸风机裕量较大。由于风机的流量与转速成一次方关系，压力与转速成二次方关系，轴功率与转速的成三次方关系，要使得吸风机在不同工况下始终工作在效率高效区内，就必须采用调速装置来控制风机的运行转速，从而达到节能降耗的目的。某公司热电厂#4～#6炉吸风机采用国产水冷式筒形永磁调速器来实现对锅炉吸风机的调速、节能。
2、筒形永磁调速器的工作原理
永磁调速器是在永磁耦合器的基础上加入调节机构来实现调速节能的一种机械，也可以说是一种依据电磁理论设计的机械结构。筒形永磁调速器的结构如图1所示，该调速器的工作面为筒形侧面，在左边与电机相连的为筒形铜导体转子，右边与负载风机相连的为筒形永磁转子，永磁体均匀分布在筒形永磁转子的侧面。
图1 筒形永磁调速器结构
筒形永磁转子在筒形导体转子内，中间约5mm的气隙分开，并随各自安装的旋转轴独立转动，通过电动执行机构调节筒形永磁转子在轴线方向的相对位置，以改变筒形永磁转子与筒形导体转子之间的啮合面积。当电机拖动筒形导体转子转动时，筒形导体转子与筒形永磁转子产生相对运动，永磁转子建立的永磁场在筒形导体转子上产生涡流，同时涡流又产生感应磁场与永磁场相互作用，从而带动筒形永磁转子沿与筒形导体转子相同的方向转动，结果是将电机输入转矩传递到风机输出轴上；输出转矩的大小与啮合面积相关，啮合面积越大，传递的转矩大，永磁转子转速越高，反之亦然；当啮合面积为零，传递扭矩为零，筒形永磁转子与筒形导体转子完全脱开，筒形永磁转子转速为零，即负载转速为零。
3、水冷式筒形永磁调速器改造情况
永磁调速器安装在电机与风机之间，导体转子轴向位置是固定不变的，永磁转子可沿轴向来回移动，由电动执行机构进行调整。电动执行机构具备就地操作和远操功能，当切换到远操时，电动执行机构的调整受锅炉DCS系统的控制，其百分比开度显示的是永磁转子与导体转子的啮合面积的百分比，与负载风机的转速直接相关。
永磁调速器上传给锅炉DCS系统四路AI（4～20mA）信号，分别是转速反馈信号、电动执行机构开度反馈信号、导体转子温度信号、轴承温度信号等，接受锅炉DCS系统一路AO（4～20mA）信号，为电动执行机构的开度调整信号，见图2。
图2 永磁调速器控制示意图
永磁调速器的导体和轴承的温度检测为红外在线测温，在DCS系统中设定：80℃预报警，120℃时DCS画面上弹出“重报警”。
4、永磁调速器改造运行过程中应注意的问题及解决措施
4.1永磁调速器的散热问题
永磁调速器的旋转铜导体在永磁转子的磁场作用下，在铜导体转子内产生涡流。涡流既是永磁调速器工作的关键，也是铜导体转子产生热量的原因，因为依据焦耳定律Q=I2Rt，涡流电流越大、时间越长，导体转子产生的热量就越大。涡流产生的热量若不及时散出、冷却，导体转子温度就会升高，热量就会辐射传导至永磁转子，导致永磁转子温度升高。永磁转子一般使用永磁材料为钕铁硼，其磁性能随着永磁材料温度的升高而逐渐降低，当温度升高至320～460℃，钕铁硼的磁性能就会消失。因此控制导体转子的运行温度，就是延长永磁调速器的使用寿命。
根据现场使用情况来看，首先，永磁调速器转速必须在30%ne以上。永磁转子转速越高，导体转子辐射给永磁转子的热量散发就越快，冷却效果就越好。其次，调节水冷式筒形永磁调速器的冷却水量。冷却水量越大，导体转子换热效果越明显，但为保证经济性，冷却水量也不能过大。
4.2永磁调速器的强磁场问题
永磁转子建立的强磁场也存在许多危害：它能导致心脏起搏器等电子医疗器械误动作或复位到工厂设置；铁金属粒易吸附在永磁转子上，很难将其分离，但当永磁转子高速转动时可能导致设备振动超标或因离心力大于磁场引力将其发射出去造成人员、设备伤害事故；磁存储介质暴露在强磁场中可能毁坏数据甚至损坏；移动电话等在暴露在强磁场中功能也可能受到影响。
为避免或降低永磁调速器的强磁场干扰，需要在其周围设置明显标识牌或栅栏，提醒存在上述危害。
4.3永磁调速器的振动问题
筒形永磁调速器中导体转子与永磁转子之间虽然无机械连接，但是安装过程中仍需要考虑对中问题，否则因气隙严重不均匀，会产生径向不平衡力，导致轴承偏载磨损、设备径向振动超标。
现场解决问题的办法是控制、调整导体转子与永磁转子之间的气隙，允许对中误差小于0.5mm。
5、永磁调速器改造节能分析
热电厂#4～#6炉吸风机永磁调速器正式投入运行后，我们以2014年1月15日16：00-16日08：00，#2、#5炉负荷均为220t/h时的各项数据对比为例，#2炉（无调速装置）两吸风机电量为6111、6072kWh，#5炉（使用永磁调速）两吸风机电量为4808、4703kWh，由上述16小时数据对比可得节能数据：
6111+6072-4808-4703=2672 kW·h。
以#5炉全年运行7000h计算，一台炉一台永磁调速器年均节能：
2672*7000/16/2=584500 kW·h。
#4～#6炉共6台永磁调速器全部投入运行后，以2014年热电厂全年发电量137739万kW·h来计算，每年可降低厂用电率：
584500*6/1377390000*100%=0.2546%。
6、结束语
相对于技术上非常成熟的变频器来说，永磁调速器的调速范围、精度、节能效果等方面是稍逊一筹的，但其主体纯机械部件的可靠性是远远超过变频器的，特别是在潮湿、多尘以及易燃易爆场所的环境适应性方面有很大的优势；其次，永磁调速器在电动机与负载之间进行降速调节，导体转子可以一直保持电机工频转速运行，因此在大惯量负载启动性能方面是优于变频器的。
参考文献
[1]《永磁调速器产品说明书》南京艾凌节能技术有限公司
[2]张宏.新型节能调速设备永磁磁力耦合调速器的原理及应用.中国电力教育，2009
[3]沈临江，蔡永明，周宏宇.大学物理简明教程.北京：化学工业出版社教材出版中心，2003
[4]顾庆昌.永磁-电磁离合器磁场分析及特性研究.合肥：合肥工业大学，2008
【关键词】厂用电率；节能降耗；筒形永磁调速器
引言
热电厂厂用电率是指年机炉发电和供热所需的自用电能消耗量分别与同一时期对应机组发电量和供热量的比值，它是衡量发电机组经济性能的重要经济技术指标之一。目前，我国热电厂厂用电率一般为8%～10%，而某公司热电厂经过多年努力，厂用电率于2009年平均已降至6.78%，优于国内大多数热电厂。近些年为服从国家环保政策要求，该公司实施了碧水蓝天项目，由于锅炉装置进行脱硝除尘后增加了电能消耗，使得热电厂用电率2014年平均已上升至7.66%，为此，该公司决定使用水冷式筒形永磁调速器来对锅炉吸风机（560kW）进行节能调速改造以降低热电厂厂用电率。
1、概述
该热电厂共有6台蒸发量为220t/h的煤粉炉，每台炉原配有2台6kV、260kW的吸风机，应国家环保要求对锅炉进行脱硝、除尘、脱硫改造后，吸风机功率增大到560kW。在锅炉脱硝除尘改造时，设计方面考虑到随着运行时间延长，脱硝催化剂活性下降后预留层要装新催化剂、除尘器布袋在寿命期内的阻力逐渐增加，另外考虑锅炉漏风、烟温变化和调节需要等情况下要保证吸风机不低于20%压头及10%风量的裕量，所以吸风机裕量较大。由于风机的流量与转速成一次方关系，压力与转速成二次方关系，轴功率与转速的成三次方关系，要使得吸风机在不同工况下始终工作在效率高效区内，就必须采用调速装置来控制风机的运行转速，从而达到节能降耗的目的。某公司热电厂#4～#6炉吸风机采用国产水冷式筒形永磁调速器来实现对锅炉吸风机的调速、节能。
2、筒形永磁调速器的工作原理
永磁调速器是在永磁耦合器的基础上加入调节机构来实现调速节能的一种机械，也可以说是一种依据电磁理论设计的机械结构。筒形永磁调速器的结构如图1所示，该调速器的工作面为筒形侧面，在左边与电机相连的为筒形铜导体转子，右边与负载风机相连的为筒形永磁转子，永磁体均匀分布在筒形永磁转子的侧面。
图1 筒形永磁调速器结构
筒形永磁转子在筒形导体转子内，中间约5mm的气隙分开，并随各自安装的旋转轴独立转动，通过电动执行机构调节筒形永磁转子在轴线方向的相对位置，以改变筒形永磁转子与筒形导体转子之间的啮合面积。当电机拖动筒形导体转子转动时，筒形导体转子与筒形永磁转子产生相对运动，永磁转子建立的永磁场在筒形导体转子上产生涡流，同时涡流又产生感应磁场与永磁场相互作用，从而带动筒形永磁转子沿与筒形导体转子相同的方向转动，结果是将电机输入转矩传递到风机输出轴上；输出转矩的大小与啮合面积相关，啮合面积越大，传递的转矩大，永磁转子转速越高，反之亦然；当啮合面积为零，传递扭矩为零，筒形永磁转子与筒形导体转子完全脱开，筒形永磁转子转速为零，即负载转速为零。
3、水冷式筒形永磁调速器改造情况
永磁调速器安装在电机与风机之间，导体转子轴向位置是固定不变的，永磁转子可沿轴向来回移动，由电动执行机构进行调整。电动执行机构具备就地操作和远操功能，当切换到远操时，电动执行机构的调整受锅炉DCS系统的控制，其百分比开度显示的是永磁转子与导体转子的啮合面积的百分比，与负载风机的转速直接相关。
永磁调速器上传给锅炉DCS系统四路AI（4～20mA）信号，分别是转速反馈信号、电动执行机构开度反馈信号、导体转子温度信号、轴承温度信号等，接受锅炉DCS系统一路AO（4～20mA）信号，为电动执行机构的开度调整信号，见图2。
图2 永磁调速器控制示意图
永磁调速器的导体和轴承的温度检测为红外在线测温，在DCS系统中设定：80℃预报警，120℃时DCS画面上弹出“重报警”。
4、永磁调速器改造运行过程中应注意的问题及解决措施
4.1永磁调速器的散热问题
永磁调速器的旋转铜导体在永磁转子的磁场作用下，在铜导体转子内产生涡流。涡流既是永磁调速器工作的关键，也是铜导体转子产生热量的原因，因为依据焦耳定律Q=I2Rt，涡流电流越大、时间越长，导体转子产生的热量就越大。涡流产生的热量若不及时散出、冷却，导体转子温度就会升高，热量就会辐射传导至永磁转子，导致永磁转子温度升高。永磁转子一般使用永磁材料为钕铁硼，其磁性能随着永磁材料温度的升高而逐渐降低，当温度升高至320～460℃，钕铁硼的磁性能就会消失。因此控制导体转子的运行温度，就是延长永磁调速器的使用寿命。
根据现场使用情况来看，首先，永磁调速器转速必须在30%ne以上。永磁转子转速越高，导体转子辐射给永磁转子的热量散发就越快，冷却效果就越好。其次，调节水冷式筒形永磁调速器的冷却水量。冷却水量越大，导体转子换热效果越明显，但为保证经济性，冷却水量也不能过大。
4.2永磁调速器的强磁场问题
永磁转子建立的强磁场也存在许多危害：它能导致心脏起搏器等电子医疗器械误动作或复位到工厂设置；铁金属粒易吸附在永磁转子上，很难将其分离，但当永磁转子高速转动时可能导致设备振动超标或因离心力大于磁场引力将其发射出去造成人员、设备伤害事故；磁存储介质暴露在强磁场中可能毁坏数据甚至损坏；移动电话等在暴露在强磁场中功能也可能受到影响。
为避免或降低永磁调速器的强磁场干扰，需要在其周围设置明显标识牌或栅栏，提醒存在上述危害。
4.3永磁调速器的振动问题
筒形永磁调速器中导体转子与永磁转子之间虽然无机械连接，但是安装过程中仍需要考虑对中问题，否则因气隙严重不均匀，会产生径向不平衡力，导致轴承偏载磨损、设备径向振动超标。
现场解决问题的办法是控制、调整导体转子与永磁转子之间的气隙，允许对中误差小于0.5mm。
5、永磁调速器改造节能分析
热电厂#4～#6炉吸风机永磁调速器正式投入运行后，我们以2014年1月15日16：00-16日08：00，#2、#5炉负荷均为220t/h时的各项数据对比为例，#2炉（无调速装置）两吸风机电量为6111、6072kWh，#5炉（使用永磁调速）两吸风机电量为4808、4703kWh，由上述16小时数据对比可得节能数据：
6111+6072-4808-4703=2672 kW·h。
以#5炉全年运行7000h计算，一台炉一台永磁调速器年均节能：
2672*7000/16/2=584500 kW·h。
#4～#6炉共6台永磁调速器全部投入运行后，以2014年热电厂全年发电量137739万kW·h来计算，每年可降低厂用电率：
584500*6/1377390000*100%=0.2546%。
6、结束语
相对于技术上非常成熟的变频器来说，永磁调速器的调速范围、精度、节能效果等方面是稍逊一筹的，但其主体纯机械部件的可靠性是远远超过变频器的，特别是在潮湿、多尘以及易燃易爆场所的环境适应性方面有很大的优势；其次，永磁调速器在电动机与负载之间进行降速调节，导体转子可以一直保持电机工频转速运行，因此在大惯量负载启动性能方面是优于变频器的。
参考文献
[1]《永磁调速器产品说明书》南京艾凌节能技术有限公司
[2]张宏.新型节能调速设备永磁磁力耦合调速器的原理及应用.中国电力教育，2009
[3]沈临江，蔡永明，周宏宇.大学物理简明教程.北京：化学工业出版社教材出版中心，2003
[4]顾庆昌.永磁-电磁离合器磁场分析及特性研究.合肥：合肥工业大学，2008