基于永磁理論的空預(yù)器傳動系統(tǒng)改造及性能對比

引言

內(nèi)蒙古京能康巴什熱電有限公司一、二期工程均為兩臺350Mw超臨界空冷機組,每臺鍋爐配置2臺容克式三分倉空氣預(yù)熱器(以下簡稱"空預(yù)器"),型號為2-29.5VI(50°)-2200(90”),由上海鍋爐廠有限公司生產(chǎn)。空預(yù)器減速機配置主、輔、氣馬達三套傳動輸入系統(tǒng),臥式下輸出軸輸出,型號為sGw95A(Cw)正向、sGw95A(CCw)反向,傳動系統(tǒng)額定輸出扭矩12500N·m,由河北北方減速機有限公司生產(chǎn)。

目前主電機側(cè)使用的液力耦合器經(jīng)常出現(xiàn)漏油現(xiàn)象,導(dǎo)致傳遞能力下降,影響空預(yù)器換熱效果。漏油嚴重或負荷增加時,會使得油溫升高,易熔塞融化,傳動油噴出,主電機動力切斷,空預(yù)器停轉(zhuǎn)。除此之外,液力耦合器殼體開裂造成報廢的事故也時常出現(xiàn),相關(guān)統(tǒng)計表明,空預(yù)器傳動系統(tǒng)中液力耦合器的平均壽命約為半年[2]。當主電機或液力耦合器出現(xiàn)故障時,必須停機,拆除主電機或液力耦合器。主電機故障后,輔電機投入運行,空預(yù)器低速轉(zhuǎn)動,導(dǎo)致機組負荷下降,將造成極大的損失。

1永磁傳動的基本原理

永磁傳動建立在電磁渦流磁場作用力下,通過銅導(dǎo)體和永磁體之間的氣隙實現(xiàn)由電動機到負載的轉(zhuǎn)矩傳輸,是一種不需要機械間剛性連接的新型傳動方式,其依靠磁場感應(yīng)的作用進行扭矩傳輸。永磁聯(lián)軸器一般安裝有銅制導(dǎo)體盤,鋁制的磁盤中則鑲嵌有強力稀土磁鐵,會產(chǎn)生超強的磁場,電機轉(zhuǎn)動會帶動導(dǎo)體盤在磁盤產(chǎn)生的磁場中旋轉(zhuǎn),切割磁力線,從而在導(dǎo)體盤中產(chǎn)生感應(yīng)磁場[3]。磁盤則相對導(dǎo)體盤產(chǎn)生了反磁場,兩者之間相互作用,使得氣隙磁場傳遞扭矩帶動負載轉(zhuǎn)動。

永磁聯(lián)軸器基于永磁傳動原理設(shè)計,其力學模型如圖1所示。

圖1中P點為主動磁環(huán)下表面任意選取一點:Q點為從動磁環(huán)上表面任意選取一點:D為磁環(huán)外徑:D0為磁環(huán)內(nèi)徑:r1為O點半徑:r2為P點半徑:r1-r2為0點至P點的向徑:g為主動環(huán)與從動環(huán)之間的磁隙:h為磁環(huán)厚度:

永磁聯(lián)軸器扭矩(單位為N)m)傳遞計算公式為:

式中:n為磁極對數(shù):B1、B2為主、從動磁環(huán)的剩余磁感應(yīng)強度:μ0為真空磁導(dǎo)率:a為主動磁環(huán)相對從動磁環(huán)的轉(zhuǎn)角:8=-A＋a,A為同一磁環(huán)上相鄰兩磁極之間的縫隙:R1=D0:R2=D:d為力矩。

由上述分析可知,永磁聯(lián)軸器所能傳遞的扭矩與磁極對數(shù)n、磁隙g、磁環(huán)直徑D等數(shù)據(jù)有關(guān),磁極對數(shù)與磁環(huán)直徑在設(shè)計階段確定后便不會更改,因此,超離合調(diào)速型永磁聯(lián)軸器通過改變磁隙g來調(diào)節(jié)扭矩的傳遞效率。

2永磁聯(lián)軸器的形式

目前主流的盤式永磁聯(lián)軸器有限矩型與超離合型兩種形式:

(1)限矩型永磁耦合器可以保護電機及減速機,當空預(yù)器出現(xiàn)卡澀或傳動力矩過大時,永磁耦合器會自動脫開,電機空轉(zhuǎn),不會把力矩傳遞給減速機。

(2)超離合永磁調(diào)速器結(jié)構(gòu)如圖2所示,主要由五部分組成:連接法蘭、永磁盤、導(dǎo)體盤(銅或鋁)、轉(zhuǎn)臂組件、調(diào)速機構(gòu)。永磁盤鑲有永磁體(強力稀土磁鐵),通過連接法蘭與負載軸連接。導(dǎo)體盤與調(diào)速機構(gòu)連接,電機通過膜片聯(lián)軸器與調(diào)速機構(gòu)相連從而帶動導(dǎo)體盤轉(zhuǎn)動。當氣隙需要調(diào)整時,電動執(zhí)行器帶動轉(zhuǎn)臂組件,轉(zhuǎn)臂組件帶動調(diào)速機構(gòu)外筒旋轉(zhuǎn),外筒旋轉(zhuǎn)通過調(diào)速機構(gòu)內(nèi)螺旋槽轉(zhuǎn)化為直線運動,使導(dǎo)體盤軸向滑動。負載轉(zhuǎn)速隨著氣隙的逐漸增大而減小,當氣隙到達一定程度時,負載轉(zhuǎn)速降為0。另外,還有支座用于支撐永磁本體,避免電機軸與負載軸承載附加力。連接法蘭用于連接固定磁盤與減速機負載軸。

圖2超離合永磁調(diào)速器機構(gòu)

超離合調(diào)速型永磁聯(lián)軸器是為空預(yù)器傳動系統(tǒng)特別設(shè)計的聯(lián)軸器,其調(diào)速范圍可達0%~98%,可使電機與減速機完全脫離,即可替代超越離合器與液力耦合器,可以在不停機情況下拆裝檢修電機。它解決了在空預(yù)器傳動系統(tǒng)中應(yīng)用的幾個關(guān)鍵問題:一是超離合永磁聯(lián)軸器長時間運行,導(dǎo)體盤上溫度不會升高,其溫度比環(huán)境溫度高約5C,不會對導(dǎo)體盤和系統(tǒng)其他元器件產(chǎn)生任何影響:二是超離合永磁聯(lián)軸器克服了氣流和剩磁對輸出轉(zhuǎn)速的影響,輸出轉(zhuǎn)速可以調(diào)節(jié)為0,滿足不停機狀態(tài)下拆裝電機的需求:三是超離合永磁聯(lián)軸器無附加軸向力產(chǎn)生,且支座的設(shè)計大大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3超離合永磁聯(lián)軸器在空預(yù)器傳動系統(tǒng)中的具體應(yīng)用

康巴什電廠1號、2號機組利用停機檢修對空預(yù)器傳動系統(tǒng)進行升級改造,用超離合永磁調(diào)速器替代了液力耦合器。永磁調(diào)速器的功率按照主電機功率15kw進行選型,最大轉(zhuǎn)速為3600r/min,額定轉(zhuǎn)矩為97.12N·m?？疹A(yù)器啟動時采用氣動馬達、輔電機、主電機依次啟動的方式,以減小啟動時對減速箱的沖擊。永磁調(diào)速器自2015年5月投運以來,無故障產(chǎn)生,運行一切正常。

超離合永磁調(diào)速器應(yīng)用在空預(yù)器輔電機端后,在空預(yù)器啟動過程中,先啟動氣動馬達、輔電機低速運行,待空預(yù)器轉(zhuǎn)速達到設(shè)計轉(zhuǎn)速后,啟動主電機運行,同時停運輔電機,調(diào)整永磁調(diào)速器的氣隙至最大,輔電機與傳動系統(tǒng)完全分離,不再跟轉(zhuǎn):如果主電機發(fā)生故障,則會自動啟動輔電機,執(zhí)行器自動調(diào)整超離合永磁調(diào)速器,動力平緩接入系統(tǒng),空預(yù)器仍正常運行。輔電機起到了備用主電機的作用。改造前后參數(shù)對比如表1所示。

該傳動系統(tǒng)改造后,主輔電機的動力回路由兩套回路組成,分別給主、輔電機供電,一用一備。兩者控制邏輯在軟件和硬件中都有互鎖功能,實現(xiàn)雙重保護,保證在任意時刻,只能有一臺電機運行。電動執(zhí)行器控制主電機端的超離合永磁調(diào)速器,通過實時調(diào)節(jié)執(zhí)行器改變超離合永磁調(diào)速器的氣隙,實現(xiàn)主電機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。當主電機發(fā)生故障時,系統(tǒng)將自動切換到輔電機運行。控制回路可實現(xiàn)遠程DCs/就地控制,遠程控制回路中的DCs負責發(fā)出各種指令信號和接收故障信號:為方便調(diào)試及滿足其他運行工況的需要,設(shè)置了就地控制。

4改造效果分析

為更好地分析超離合永磁調(diào)速器在空預(yù)器傳動裝置中的作用,現(xiàn)對康巴什電廠空預(yù)器主電機傳動系統(tǒng)改造前后各項性能進行對比,如表2所示。

結(jié)合表2,從以下六個方面進行分析:

第一,從轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)與精度方面來看。液力耦合器采用改變液體壓力的方式進行調(diào)速,屬于低效調(diào)速方式,且調(diào)速范圍有限(0~20%)。由近年來同類型機組運行數(shù)據(jù)統(tǒng)計可知,高轉(zhuǎn)速下液力耦合器轉(zhuǎn)速損失在3%~10%,低轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)速損失最高可達20%:永磁調(diào)速器在高轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)速損失在1%~3%,低轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)速損失小于4%。圖3為兩者在不同輸入轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)速丟失率對比。液力耦合器通過調(diào)節(jié)內(nèi)部液體的充滿程度實現(xiàn)調(diào)速,其調(diào)節(jié)精度較差:永磁調(diào)速器采用調(diào)節(jié)氣隙的方式改變輸出轉(zhuǎn)速,其調(diào)節(jié)精度比液力耦合器更加可控。傳動系統(tǒng)改造后,經(jīng)現(xiàn)場檢測,永磁調(diào)速器的傳動效率比原液力耦合器提升了約8%。

第二,從響應(yīng)速度方面來看。液力耦合器調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速需要填充或排出內(nèi)部液體,響應(yīng)速度與泵機相關(guān),一般需要10~20s的時間完成充液率調(diào)節(jié)。永磁調(diào)速器通過控制氣隙進行調(diào)速,其響應(yīng)速度與電動執(zhí)行器相關(guān),一般需要5~10s完成氣隙調(diào)節(jié)。

第三,從系統(tǒng)減振方面來看。改造前,1號機組空預(yù)器主電機振動噪聲較大,液力耦合器經(jīng)常出現(xiàn)雙向振動,當振動到達一定程度時會導(dǎo)致電機軸斷裂[8]。電機振動位移經(jīng)測量為50~100μm。改造后,動力端與負載端無機械接觸,電機振動值降低,啟動與運行的聲音平穩(wěn),優(yōu)于未改造側(cè)電機,電機振動位移經(jīng)測量為10~30μm。

第四,從對中校準方面來看。液力耦合器的質(zhì)心對軸線的偏移需小于0.04mm,需要精準找正。永磁調(diào)速器導(dǎo)體盤與磁盤同心度則允許有1mm的誤差,氣隙的軸向、徑向誤差只需控制在0.5mm以內(nèi)。裝配要求的降低,可以減少維護檢修的人工與時間成本。

第五,從設(shè)備的使用壽命方面來看。由表1中電流參數(shù)可知,永磁軟啟動性能優(yōu)于液力耦合器,電機啟動電流相較于液力耦合器下降20%~25%,永磁調(diào)速器對于電機及減速箱的保護都具有長期的經(jīng)濟效益。永磁調(diào)速器無機械接觸,使用過程中免拆裝,無維修成本,減少了停機維護時間,提升了生產(chǎn)效率。

第六,從節(jié)能方面來看。液力耦合器的過載系數(shù)隨著內(nèi)部充液率的不同(40%~80%)會在一定范圍內(nèi)改變,但液力耦合器內(nèi)部存在溫升變化、液量難以精確控制等因素,會導(dǎo)致傳動效率嚴重降低。永磁調(diào)速器的氣隙磁通量等影響傳動效率的因素均可控,能保證以恒定的高效率傳動,因此具有一定的節(jié)能效益。以1號、2號機組空預(yù)器電機15kw輸入功率計算,假定輸入功率可降低至80%,即12kw。單臺空預(yù)器節(jié)能效益計算公式如下:

式中:E為年節(jié)能效益:P為輸入功率:T為每日運行時間:Dy為年運行天數(shù):71為液力耦合器傳動效率:72為永磁調(diào)速器傳動效率:p為電費單價。

由康巴什電廠1號機組改造現(xiàn)場檢測對比得知,永磁調(diào)速器傳動效率比液力耦合器提升了8%,永磁調(diào)速器每日運行24h,電費以0.4元/(kw·h)計算,可以得出每年單臺空預(yù)器可以節(jié)省的費用為3363.84元。

康巴什電廠將液力耦合器替換為超離合永磁調(diào)速器,將主電機與減速箱之間由機械連接變?yōu)榉菣C械連接,使主電機具備緩沖啟動功能,并使主電機側(cè)傳動系統(tǒng)具備輸出轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)功能,可以對空預(yù)器轉(zhuǎn)速進行調(diào)整。現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)顯示,在環(huán)境溫度為6℃時,根據(jù)對主電機側(cè)輸出轉(zhuǎn)速、氣隙、輸入轉(zhuǎn)矩等進行調(diào)整,確定其額定扭矩為97.12N·m,最大扭矩為242.8N·m,扭矩傳輸效率大于97%,無磁泄漏、噪聲泄漏,滿足空預(yù)器傳動系統(tǒng)使用要求,證明超離合永磁調(diào)速器對解決目前空預(yù)器液力耦合器的常見故障起到了積極作用,保證了空預(yù)器的長久運行,避免了空預(yù)器傳動系統(tǒng)漏油以及溫度升高產(chǎn)生的熔塞問題,降低了設(shè)備的維護成本。

5結(jié)語

本文基于平面永磁力矩傳遞理論,結(jié)合京能康巴什電廠1號、2號機組實際運行工況,提出了一種可行的傳動系統(tǒng)升級改造方案。從改造后的運行狀況來看,改造后空預(yù)器的運行性能得到了明顯提升,起到了一定的節(jié)能效果,降低了空預(yù)器的生產(chǎn)運行成本,為同類機組的改造提供了很好的借鑒。