自冷却型磁力搅拌器的设计与应用*

尹新权，李新勇，杨昀梓，白万本

(1.兰州工业学院，甘肃兰州 730050;2.甘肃万健磁力传动科技有限公司，甘肃兰州 730050)

0 引言

为了有效控制火电厂SO2等大气污染物的排放，火电厂烟气脱硫设施主要采用石灰石/石灰—石膏湿法烟气脱硫工艺，大量实践证明，这种工艺在机理上、技术上是成熟的。在这种烟气脱硫工艺中，吸收塔侧进式搅拌器是保证系统性能的关键设备。目前，国内市场应用的脱硫搅拌器多为国外进口，代表产品有EKATO、SHAPE、SADIK、LINGHNIN、CHEMINEER、MUT等。进口搅拌器的轴封主要采用传统机械密封，如果运行工况较恶劣或维护保养不当，这种结构经常会出现密封泄漏、机封损坏等现象。

1 磁力传动搅拌器

针对传统机械密封结构搅拌器在应用中存在的一些问题，国内一些研究机构和企业积极寻找解决方案并取得了一定进展。其中，近几年研发并成功投入使用的磁力传动搅拌机获得了较好的效果。

1.1 磁力传动搅拌器的结构与工作原理

磁力传动搅拌器结构如图1所示，主要由减速机、连接体、磁力传动器、轴承体、密封桶、滑动轴承、搅拌轴、桨叶等部件组成。其中，磁力传动器由内、外磁转子及隔离套三部分组成。

在磁力传动搅拌机中，桨叶、搅拌轴与内磁转子连为一体，通过轴承支撑组成工作件，为设备从动件;外磁转子与减速机连为一体组成动力件，为设备主动件;从动件和主动件被隔离套完全隔离。工作时，由电机经减速机带动外磁转子转动，由于内、外磁转子间存在磁场，外磁转子会通过磁力耦合作用于内磁转子，从而驱动与内磁转子连接的工作件(即搅拌轴等)进行同步旋转，实现无接触传递扭矩的目的。

图1 磁力传动搅拌器结构示意图

1.2 磁力传动搅拌器的工作方式与特点

磁力传动搅拌器在正常工作时，旋转的搅拌轴及浆叶一同伸入到吸收塔内，而密封桶是安装在搅拌机盖上固定不动的，如图1所示。因此，在搅拌器轴与密封桶之间存在工作间隙，为了防止浆液倒灌入搅拌器内，就必须对其进行密封。同时，内、外磁转子选用的是钕铁硼磁性材料，当其工作温度升高至80℃以上，会出现严重退磁现象，传递磁力转矩能力迅速下降，可能使得搅拌器不能正常工作。为解决这些问题，在搅拌器中设计有冷却、润滑通道，介质为生活用自来水。由于吸收塔内浆液压力为0.2 MPa左右，只要将冷却、润滑水压保持在0.3 MPa以上时，经过对内、外磁转子冷却及对滑动轴承润滑冷却后，由于密封桶左、右侧压差的存在，冷却水不断注入到吸收塔内，阻止浆液倒灌入搅拌机内，实现水压密封。

图2 自冷却磁力传动搅拌机结构示意图

磁力传动搅拌器与机械式搅拌器比有如下特点:

(1)取消机械轴封，采用水压密封，实现零泄露。

(2)采用磁力传动软连接形式，实现无接触传动，可减少搅拌器功率损耗，节能效果明显。

(3)用滑动轴承取代滚动轴承，改点接触为面接触，减小轴承径向受力，提高轴承使用寿命，延长维修周期，同时，使得搅拌器工作时振动小、噪音低、运行平稳、安全可靠。

(4)结构紧凑，在检修量小。

由于无轴封、零泄露磁力传动搅拌器性能优良、运行稳定、检修方便，近几年来，已稳步进入国内电力行业高端市场。

2 自冷却磁力传动搅拌器设计

2.1 自冷却磁力传动搅拌器结构

无轴封、零泄露磁力传动搅拌器工作时依靠外接水源进行冷却、润滑及水压密封，对供水条件极其严格，而磁力传动搅拌器在整个检修周期内不能停机。通过对设备运行过程监测发现，如出现供水不稳定或停水现象，会造成搅拌器传递磁力转矩能力下降、轴承磨损加快、浆液倒灌等一系列问题。据此提出一种自冷却磁力传动搅拌机设计方案，如图2所示。

2.2 集装式磁力机械密封结构设计

集装式机械密封组装成一个模整体块，因此在机体上安装更加方便，快捷，密封可靠，是国内今后机械密封发展的方向［1］。磁力搅拌器运行过程中，其密封装置最容易出现损坏或泄漏，考虑到其拆装、维修简便，对搅拌器用集装式机械密封进行改进，设计一种集装式磁力机械密封。其在自冷却磁力传动搅拌器上安装的结构如图3所示。

图3 集装式磁力机械密封

2.2.1 方案设计

根据磁力搅拌器机械密封使用中存在的问题及石膏浆液密封的要求，提出如下改进设计方案［2］。

(1)对与石膏浆液接触部件材料进行严格选择，增强其防腐、防冲刷性能。

(2)磁力机械密封的补偿环由石墨镶嵌在软磁材料中制成;补偿动环座选用非铁磁物质黄铜;综合平衡磁性材料的剩磁、矫顽力、最大磁能积、磁性温度系数及合金密度等参数，选用钕铁硼为密封静环磁性材料;为优化磁力机械密封摩擦副材质，在磁性静环及动环摩擦副密封端面喷涂一层0.2～0.5 mm厚碳化硅或硬质合金涂层，增加其耐磨性及抗冲击性。

(3)磁力机械密封的O形密封圈选用耐腐蚀性能、抗老化性能、耐温性能、抗磨损性能最优异的全氟橡胶密封圈。

2.2.2 结构设计

如图3所示，其中动环3嵌装在动环座7内，通过密封圈4、轴套6、固定环12、驱动螺钉10等组成传动部件;磁性静环1装于压盖8上，用密封圈2密封组成静止部件;动环3与磁性静环1为面接触，为相对滑动的密封面［3－4］。

磁力机械密封采用集裝式设计，轴套6与搅拌器轴采用间隙配合，通过驱动螺钉将其紧锁，有效避免了使用过程中轴套与轴发生相对运动，提高了磁力机械密封使用安全性;密封静环通过压盖紧固在搅拌器轴承箱上，其辅助静密封O型圈2可防止石膏浆液二次泄漏;磁性静环与动环面接触确保了磁力机械密封端面受力均匀。

参考磁力搅拌器磁力传动机构工作温度范围为－20～80℃，求取极限工况下磁力静环剩余磁感应强度，根据石膏浆液压力0.2 MPa等密封的工作条件及密封性能设计要求确定端面比压为0.4 MPa［5］，根据经验选取静环磁化率、介质比压、反压系数、载荷系数等参数，搅拌器轴径为92 mm，通过设计计算确定动静环组件尺寸如下:密封面外径108 mm，内径103.5 mm，静环内径102 mm，静环外径130 mm，静环高度10 mm，动环磁极与静环之间的间隙1 mm。

为了确保动环组件能与轴相对静止，保证橡胶圈与两者的相对运动为零，根据密封面的表面粗糙度、橡胶圈硬度等影响因素综合计算分析橡胶密封圈与补偿环座之间以及橡胶密封圈与轴之间的摩擦力矩，确定O型密封圈4的内径为92 mm，外径为98.5 mm，密封中的压缩量1 mm。

2.3 自冷却润滑系统设计

自冷却润滑系统由外部水箱、水泵及其控制电路、外接管路、搅拌机内部冷却润滑通道、集装式磁力机械密封等零件组成，构成一个封闭循环系统，冷却水与吸收塔内浆液由集装式磁力机械密封隔离开来。工作时，只要向磁力搅拌机外部水箱加入定量的水，整个系统自动运行，无需外接水源。

自冷却润滑系统主要作用:①对磁力搅拌机进行冷却降温，保持磁力搅拌机内、外磁转子工作温度处在80℃以下，防止其退磁而导致转矩传递能力下降;②对滑动轴承进行润滑及冷却，延长其工作寿命;③在集装式磁力机械密封装置摩擦副间形成一层水膜，对其进行润滑;④当磁力机械密封失效时，通过电路自动控制，系统可恢复至水压密封工作状态。

水泵控制工作电路如图4所示。

图4 水泵控制工作电路图

图中，温控器用来监测磁力搅拌机内、外磁转子工作温度，温度超过45℃时，水泵低速运行，冷却润滑水流量0.2 m3/h;温度超过60℃时，水泵高速运行，冷却润滑水流量0.4 m3/h。带线环的滑动轴承片用来监测滑动轴承磨损情况，当其磨损量超过1.5 mm时，系统报警，同时水泵高速运行，系统恢复到水压密封，水箱应立即接外部水源。

3 自冷却磁力搅拌器的应用

通过对水压密封烟气脱硫磁力搅拌器的自冷却润滑系统的改造和集装式磁力机械密封的应用，与甘肃万健磁力传动科技有限公司合作并试制整机产品样机，暂定产品型号为CTJ1 60－75。2013年6月投入某电厂运行，在实际工况条件下，已连续运行近3 000 h，无故障，未发现任何异常，根据用户以往生产经验和设计模拟状况，表明该设备性能可靠，整机连续运行8 000 h不检修是完全可靠的。

4 结语

烟气脱硫磁力搅拌器主要采用水压密封，对其进行自冷却改造后投入某电厂运行以来，取得了良好的效果，主要体现在以下方面。

(1)自冷却磁力搅拌器采用自润滑冷却循环系统，无需外接水源，对水资源消耗量小，在一个检修周期内，能节省3000余吨水;同时，其对供水环境要求较低，环境适应性较强，有利于更大范围推广。

(2)采用集装式磁力机械密封装置，提高了密封的可靠性，安装、检修方便，同时大大降低维护工作量和维护费用。

(3)自冷却润滑系统自动运行，兼备报警功能，可对磁力搅拌机运行状态进行实时监测，对故障进行声、光报警，降低了对工人维护技术水平的要求。

(4)当磁力机械密封失效时，通过电路自动控制，自冷却磁力搅拌机可恢复至水压密封工作状态，增加设备容错功能。

［1］ 胡国桢，张 军，王 明.第三代集装式机械密封［J］.液压气动与密封，2006(1):45－46.

［2］ 聂鹏飞，高 志，边东升，等.600MW机组湿法脱硫进口侧进式搅拌器机械密封的改进［J］.润滑与密封，2011，36(11):111－114.

［3］ 俞 琴，刘 红.集装式机械密封在水泵中的应用［J］.武钢技术，2009，47(3):36－39.

［4］ 胡国桢，劳 森，张 军.集装式机械密封［J］.冶金设备，2002 (134):55.

［5］ 彭 莉，周 青.磁力机械密封磁力计算及端面比压设计［J］.流体机械，2005，33(5):23－26.