引言

內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熱器(以下簡稱"空預器"),型號為2-29.5VI(50°)-2200(90”),由上海鍋爐廠有限公司生產。空預器減速機配置主、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。

目前主電機側使用的液力耦合器經常出現(xiàn)漏油現(xiàn)象,導致傳遞能力下降,影響空預器換熱效果。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,空預器停轉。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),相關統(tǒng)計表明,空預器傳動系統(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,空預器低速轉動,導致機組負荷下降,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,通過銅導體和永磁體之間的氣隙實現(xiàn)由電動機到負載的轉矩傳輸,是一種不需要機械間剛性連接的新型傳動方式,其依靠磁場感應的作用進行扭矩傳輸。永磁聯(lián)軸器一般安裝有銅制導體盤,鋁制的磁盤中則鑲嵌有強力稀土磁鐵,會產生超強的磁場,電機轉動會帶動導體盤在磁盤產生的磁場中旋轉,切割磁力線,從而在導體盤中產生感應磁場[3]。磁盤則相對導體盤產生了反磁場,兩者之間相互作用,使得氣隙磁場傳遞扭矩帶動負載轉動。

永磁聯(lián)軸器基于永磁傳動原理設計,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)的剩余磁感應強度:μ0為真空磁導率:a為主動磁環(huán)相對從動磁環(huán)的轉角: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)據有關,磁極對數(shù)與磁環(huán)直徑在設計階段確定后便不會更改,因此,超離合調速型永磁聯(lián)軸器通過改變磁隙g來調節(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,不會把力矩傳遞給減速機。

(2)超離合永磁調速器結構如圖2所示,主要由五部分組成:連接法蘭、永磁盤、導體盤(銅或鋁)、轉臂組件、調速機構。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。導體盤與調速機構連接,電機通過膜片聯(lián)軸器與調速機構相連從而帶動導體盤轉動。當氣隙需要調整時,電動執(zhí)行器帶動轉臂組件,轉臂組件帶動調速機構外筒旋轉,外筒旋轉通過調速機構內螺旋槽轉化為直線運動,使導體盤軸向滑動。負載轉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超離合永磁調速器機構

超離合調速型永磁聯(lián)軸器是為空預器傳動系統(tǒng)特別設計的聯(lián)軸器,其調速范圍可達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。它解決了在空預器傳動系統(tǒng)中應用的幾個關鍵問題:一是超離合永磁聯(lián)軸器長時間運行,導體盤上溫度不會升高,其溫度比環(huán)境溫度高約5C,不會對導體盤和系統(tǒng)其他元器件產生任何影響:二是超離合永磁聯(lián)軸器克服了氣流和剩磁對輸出轉速的影響,輸出轉速可以調節(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生,且支座的設計大大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3超離合永磁聯(lián)軸器在空預器傳動系統(tǒng)中的具體應用

康巴什電廠1號、2號機組利用停機檢修對空預器傳動系統(tǒng)進行升級改造,用超離合永磁調速器替代了液力耦合器。永磁調速器的功率按照主電機功率15kw進行選型,最大轉速為3600r/min,額定轉矩為97.12N·m。空預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。永磁調速器自2015年5月投運以來,無故障產生,運行一切正常。

超離合永磁調速器應用在空預器輔電機端后,在空預器啟動過程中,先啟動氣動馬達、輔電機低速運行,待空預器轉速達到設計轉速后,啟動主電機運行,同時停運輔電機,調整永磁調速器的氣隙至最大,輔電機與傳動系統(tǒng)完全分離,不再跟轉:如果主電機發(fā)生故障,則會自動啟動輔電機,執(zhí)行器自動調整超離合永磁調速器,動力平緩接入系統(tǒng),空預器仍正常運行。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速器,通過實時調節(jié)執(zhí)行器改變超離合永磁調速器的氣隙,實現(xiàn)主電機轉速調節(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?？刂苹芈房蓪崿F(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:為方便調試及滿足其他運行工況的需要,設置了就地控制。

4改造效果分析

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

結合表2,從以下六個方面進行分析:

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

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

第三,從系統(tǒng)減振方面來看。改造前,1號機組空預器主電機振動噪聲較大,液力耦合器經常出現(xiàn)雙向振動,當振動到達一定程度時會導致電機軸斷裂[8]。電機振動位移經測量為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)于未改造側電機,電機振動位移經測量為10~30μm。

第四,從對中校準方面來看。液力耦合器的質心對軸線的偏移需小于0.04mm,需要精準找正。永磁調速器導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。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%,永磁調速器對于電機及減速箱的保護都具有長期的經濟效益。永磁調速器無機械接觸,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)隨著內部充液率的不同(40%~80%)會在一定范圍內改變,但液力耦合器內部存在溫升變化、液量難以精確控制等因素,會導致傳動效率嚴重降低。永磁調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,永磁調速器傳動效率比液力耦合器提升了8%,永磁調速器每日運行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,并使主電機側傳動系統(tǒng)具備輸出轉速調節(jié)功能,可以對空預器轉速進行調整。現(xiàn)場測試數(shù)據顯示,在環(huán)境溫度為6℃時,根據對主電機側輸出轉速、氣隙、輸入轉矩等進行調整,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,滿足空預器傳動系統(tǒng)使用要求,證明超離合永磁調速器對解決目前空預器液力耦合器的常見故障起到了積極作用,保證了空預器的長久運行,避免了空預器傳動系統(tǒng)漏油以及溫度升高產生的熔塞問題,降低了設備的維護成本。

5結語

本文基于平面永磁力矩傳遞理論,結合京能康巴什電廠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,降低了空預器的生產運行成本,為同類機組的改造提供了很好的借鑒。