1引言
引风机是锅炉烟气脱硝工程中的主要辅助设备，也是整个装置中的耗能大户[1]。引风机长期运行在额定转速下，为满足设备和系统需要，减小噪声和管道的振动，常采用风门挡板来控制风量和炉膛负压。这种控制方式节流损失大，电能浪费严重。另一方面，烟气通过引风机时易积灰，很可能造成堵转事故。因此，为保证烟气脱硝装置的运行稳定性，提高引风机的运行效率，可对引风机进行变速调节。永磁调速技术是专门针对风机、泵类等离心负载调速节能的新型技术。它不仅能够根据负载需求适时调整引风机的转速，达到节约电能的目的，为企业的节能和提高经济效益提供了有效的途径，此外，永磁调速器还能在引风机出现堵转时，及时保护电机。目前，永磁调速技术已广泛应用于电力、石油、化工、造纸、钢铁、水泥、冶金、采矿等行业[2]，表现出了较高的可靠性，并取得了良好的节能效果。
2系统概况
某化纤企业热电中心锅炉烟气脱硝工程是为削减煤粉锅炉烟气中的氮氧化物和烟尘而进行的环保项目，锅炉烟气脱硝工艺流程如图1所示，锅炉烟气经过省煤器后进入SCR反应塔进行脱硝，然后流经空气预热器、除尘器，经引风机排出烟囱。其中引风机的型号为AI4400-1.014/0.96，额定功率为488kW，额定流量为264000TB，额定风压5400Pa，全压效率86.1%;配套电机的型号为YX3-4004-6，额定功率560kW，额定电压6kV，额定转速980r/min。
在对引风机进行选型时，设计比较复杂，计算过程繁琐，计算精度低，且引风机选型比较保守，富裕系数选择较大[3]。引风机投入运行后，因锅炉烟气量变化频繁，不需要引风机在额定转速下长期运行。因此，在采用调速调节之前，引风机的运行效率较低。为保证引风机的高效运行，提高系统的可靠性，并考虑到系统的工作环境，经过反复论证，选用永磁调速器对引风机进行节能改造。
图 1锅炉烟气脱硝工艺流程
3永磁调速技术的原理及特点
永磁调速技术是基于现代磁学的基本理论，通过永磁材料产生的磁场来传递扭矩的新型技术。永磁调速器的结构如图2所示，主要由永磁转子、导体转子和调节机构三部分组成。永磁转子由永磁体和托盘组成，安装在负载侧;导体转子由铜导体和导体筒组成，与电机轴连接。永磁转子安装在导体转子内，两者可以独立旋转，调节机构用于调节两转子之间的啮合面积。当导体转子随电机旋转时，导体转子与永磁转子产生相对运动，铜环切割永磁体产生的磁场，从而在铜环中产生涡流;涡流产生的感应磁场与永磁体产生的磁场相互作用，使得永磁转子随导体转子同方向旋转。需要调节负载转速时，向调节机构传送一个控制信号，调节机构根据信号调节导体转子和永磁转子之间的啮合面积，改变负载扭矩，进而实现输出转速的调节。啮合面积大，永磁调速器传递的扭矩就大，负载转速高;啮合面积小，传递的扭矩就小，负载转速低，工作原理如图3所示。永磁调速器根据负载扭矩的需求，改变输入扭矩，从而改变电机的输出功率，实现了电机节能和提高风机运行效率的目的。
图 2永磁调速器结构示意图
图 3永磁调速器工作原理图
永磁调速器具有其他调速方式无可比拟的绝对优势：(1)永磁调速器的结构简单，对负载转速的控制属于机械调速，与变频调速相比，可靠性较高;(2)永磁转子和导体转子之间通过气隙传递扭矩，无机械连接，有效的减少了噪声和振动，保证了设备的使用，且安装时允许一定的安装对中误差;(3)永磁调速器能够实现零负载启动，当负载发生堵转或过载时，能够自动将电机和负载脱开，保护电机不受影响;(4)永磁调速器调速范围宽，可在0～98%范围内对负载进行无级调速，传递效率最高可达98%，且节能效果明显，节电率为20～60%;(5)永磁调速器不会对电网产生谐波干扰，也不易受环境影响，能够适应电网质量差、易燃、易爆、潮湿、粉尘含量高等场所。
4永磁调速技术的应用及分析
根据实际情况，该热电中心对锅炉烟气脱硝工程中的引风机进行了节能改造，采用水冷型永磁调速器ALT750H。图4是对引风机进行永磁调速改造后的现场照片。改造时，将电机外移，把永磁调速器安装在引风机和电机之间。永磁调速器中的电动执行机构接收炉膛内的压力信号，控制永磁转子和导体转子之间的啮合面积，从而改变引风机的转速，调节风速，使炉膛内的压力保持在设定值。
图 4引风机永磁调速改造现场安装图
为了保证永磁调速能够持续正常运行，采取了一系列措施。永磁调速器中铜环产生的涡流是使永磁调速器运转的重要因素，但也带来了负面影响，即永磁体的性能会因涡流发热导致的温升而受到影响。因此，采用了水冷系统对永磁调速器进行冷却，保证永磁体温度不超过工作温度。对引风机的转速也进行了实时监测。若引风机出现过载或堵转的情况，则立即向电动执行机构传送信号，使永磁转子和导体转子脱开，从而起到保护电机的作用。轴承是永磁调速器中的重要部件，为了防止轴承温度过高，利用了温度传感器在线检测永磁调速器内各轴承的温度，一旦轴承出现异常，则报警停机检查。
4.1永磁调速器的调速特性
表1是引风机永磁调速改造后的运行参数。由表中数据可以看出，为保证炉膛内的负压稳定在-30Pa左右，当锅炉负荷改变时，电动执行器调节永磁转子的轴向位置，改变其与导体转子的啮合面积，实现对引风机转速的调节，从而达到控制引风机的风量的目的。随着锅炉负荷的减少，电机的电流也减小，有效提高了引风机的运行效率。根据表中数据，得出永磁调速器的调节特性曲线如图5所示，转速、锅炉负荷曲线的线性度较好，说明永磁调速器能够满足生产的控制需求。
在测量过程中，轴承的温度随着转速的增大而升高，但一直稳定在正常范围内。永磁调速器和引风机运转正常，稳定性良好。
表 1引风机永磁调速改造后的运行参数
锅炉负荷(t/h)执行器行程转速(r/min)电机电流(A)轴承温度(℃)
223.850%75735.1245.8
155.340%65125.8942.6
115.730%57019.8738.3
89.320%49114.7535.7
68.510%3849.0433.4
43.702955.6331.2
图 5永磁调速器调节特性曲线
4.2永磁调速改造后的系统振动情况
对采用永磁调速和节流调节的引风机系统进行了振动测量，得到如表2中所示数据。通过比较两种情况下的引风机系统振动情况，可以发现永磁调速改造后，系统的振幅大幅度减少了。这是因为永磁调速器取代了原来的刚性联轴器，采用非机械连接，通过永磁体和铜导体之间的气隙实现扭矩的传递，这样引风机侧和电机侧的振动就不会相互传递,引风机轴和电机轴之间也不会因为安装未对准而产生偏移。另外，永磁调速器将原来的长轴换成了两个互不相连的短轴系统，大大减少了长轴对振动的放大效应。
大部分旋转设备的故障是由于振动引起的，振动会导致轴承和密封件的寿命缩短，并且使设备的温度升高[4]。永磁调速改造后，引风机系统振动降低了50%以上。据相关资料显示，当振动减少50%时，轴承寿命可增加7倍以上。因此，永磁调速器的引入减少了直接轴连接带来的轴承和密封件的损坏，提高了系统运行的可靠性。
表2 振动数据表 μm
调速方式风机转速(r/min)电机前轴承电机后轴承负载前轴承负载后轴承
XYZXYZXYZXYZ
永磁调速5701710171012107537113
96020101710105127410103
工频阀门调节98035233324231825191326259
4.3永磁调速器节能效果分析
对#5炉的两台引风机进行永磁调速改造后，与#2炉采用节流调节的引风机进行比较，测得的耗电数据见表3。在满负荷情况下，永磁调速改造后的引风机平均所需的电流比工频情况下的引风机小6.94A;工作16个小时后，#2炉引风机的总耗电量为12183度，#5炉引风机的总耗电量为9511度，与#2炉相比节约了21.9%的电量。这是因为引风机采用节流调节时，利用风门挡板开度来改变风速，当风门挡板开度变小时，在其两端产生很大的压力差，烟气经过风门挡板时造成非常大的能量损失。而永磁调速器使风门开度保持不变，通过改变引风机转速来调节风速，引风机进出口压差基本不变，节流损失大大减少。
表 3 引风机永磁调速和节流调节满负荷耗电数据
#2炉(工频)#5炉(永磁)
锅炉负荷(t/h)218.91223.8
电机电流(A)甲乙甲乙
41.9741.6935.1234.66
炉膛负压(Pa)-43-10-32-31
锅炉氧量3.914.34.184.59
引风机耗电量(kW·h)6111607248084703
假设锅炉每年满负荷运行8000h，未加装永磁调速器前，年耗电量为：
永磁调速改造后，年耗电量为：
每年节约电量为：
电价按0.6元/(kW·h)计算，则每年可节省电费支出为：
在实际工作中，锅炉不是一直运行在满负荷状态，随着锅炉负荷的小，引风机的所需的电量也减少。因此，在实际生产中，永磁调速器节约的电能更加可观。而且永磁调速器是纯机械设备，可靠性高，永磁调速后减少了系统的振动，延长了轴承和密封件的寿命，系统平均无故障时间长，维护费用低。再考虑到永磁调速器能够使电机空载启动，不仅有效降低了电机的启动电流，还降低了电机启动时的故障率。所以，永磁调速器带来的效益远大于上述数据。
5结论
锅炉烟气脱硝工程中采用了永磁调速器对引风机进行调速后，风门挡板全开，永磁调速器根据炉膛负压自动调节引风机转速，保证炉膛负压稳定在-30Pa左右。整个过程不需要人为干预，且永磁调速器控制精度高，响应速度快。经过一段时间的运行，永磁调速器表现出了良好的节能效果，大大降低了生产成本。永磁调速技术的发展为电机的调速节能提供了一种新的选择，具有较好的应用前景和推广价值[5]。
