永磁调速技术在大型石膏制硫酸装置窑尾热风机上的应用实践

高 强，王树才，鲍树涛

（1. 山东鲁北化工股份有限公司，山东 无棣 251909；2. 山东鲁北企业集团总公司，山东 无棣 251909）

1 高压异步电动机常见的调速方式

目前，在工业生产中高温风机大功率高压异步电动机的主要调速方式有液力耦合器调速、高压变频器调速和永磁调速器调速等。

液力耦合器调速属低效调速方式，具有价格低、空载启动和无级调速等优点，但其调速范围有限，低速转差损耗大，最高可达额定功率的15%以上，冷却系统须加专用油且易结垢堵塞，调速精度低，且该调速器必须加装在设备和电机之间，不适合改造；易漏油，耦合器故障时无法切换运行，只能停车检修，且维护工作量大、检修周期长、费用高，不能满足提高装置整体自动化水平的需要。

高压变频器调速是目前应用比较普遍和相对先进的技术，其利用电力半导体器件的通断作用将电源频率变换，采用电力电子技术实现输出量调节和波形变化，根据实际工况自动控制电压和频率的变化，对电动机的速度进行调节，可实现零转速启动、软制动连续调节，精确调速，满足各种生产工艺工况的需要，随时显示电机电流、电压、频率、电机转速等运行状态，具有明显的节能效果。但是工作时产生谐波，电子组件多，相应的故障率高且老化快，对环境要求高，同时还要考虑进出敷设电缆、专用房子及加装空调等费用，高压变频器的寿命一般为5～8年，且随着使用年限增加，安全性变差，故障率逐年提高，需要专业人员维护，维护费用相对较高。永磁调速器调速是近年来国际上开发的一项突破性新技术，电动机与负载设备转轴之间无须机械连接。它具有高效节能、安全可靠、改造简单、无刚性连接传递扭矩、适应恶劣环境、系统维护少和使用寿命长（达30 年）等特点，成功地解决了负载旋转系统中的对启动、减震、调速及过载保护等问题。尤其是其不产生高次谐波，低速下不造成电机发热以及优良的调速特性更使其成为风机及泵类设备节能改造的理想选择［1］。

2 永磁调速技术在大型石膏制硫酸装置窑尾热风机改造上的应用

2.1 改造背景

山东鲁北企业集团总公司大型石膏制硫酸装置窑尾热风机采用液力耦合器调速，调速范围为50%～97%，存在转速不稳，运转效率低，发热厉害，轴封、轴承等部件经常漏油需要更换及严重浪费人力等问题。为了提高石膏制硫酸装置运转效率、降低能耗，拟对热风机的调速方式进行升级改造。经过各方面的综合考虑，选用永磁调速器代替液力耦合器。

双筒型永磁调速器是青岛斯普瑞能源科技有限公司专利技术，具有响应速度快、调节范围广、设备体积小、故障率低、后期维护成本低、安全可靠、使用寿命长等优点，可在-10～50 ℃下，各种恶劣环境（包括腐蚀、爆炸、潮湿、粉尘较高的场合）中长期使用。

永磁调速器本体包括：（1）永磁体转子（连接于负载侧）；（2）导体转子（连接于电机侧）；（3）调速机构。调速机构可调节永磁体转子和导体转子的相对位置，改变两者之间磁场耦合的面积，从而改变传递的扭矩。耦合面积增大，通过永磁调速器传递的扭矩就随之增大，负载转速相应提高；耦合面积变小，通过永磁调速器传递的扭矩就随之变小，负载转速相应降低。永磁调速器结构组成及调速原理分别见图1、图2。

图1 永磁调速器结构组成

图2 永磁调速器调速原理

永磁调速器的控制中心可以是PLC（可编程逻辑控制器）控制、智能仪表控制，也可以是DCS（分布式控制系统）控制（见图3）。

图3 永磁调速器控制系统

2.2 改造方案

根据目前的情况，在DCS控制系统上新增操作界面，控制永磁调速器的自带电动执行器，调节永磁体转子和导体转子的相对位置，进而调节负载的转速，从而达到节能的目的。改造的内容主要包括：

（1）取消原液力耦合器及配套油水系统，将永磁调速器安装在电机与风机之间；

（2）原系统电机与风机轴间距约1 080 mm，风机侧加装膜片联轴器，电机侧通过锁紧盘安装在电机轴上，原基础无须改造；

（3）电动执行器动力电缆、信号电缆的长度不够，须重新敷设约150 m。

2.2.1 设备参数

风机及电机设计参数分别见表1、表2。

表1 风机设计参数

表2 电机设计参数

永磁调速器主要设备见表3。

表3 永磁调速装置主要设备

2.2.2 技术要求

1） 永磁调速器的使用原则

（1）永磁调速器结构形式为双筒型结构，冷却形式为空冷型。

（2）永磁调速器安装占用的轴向空间：电机与负载轴端距（借用液力偶合器安装尺寸）1 080 mm。占用的径向空间：永磁设备本体最大直径≤740 mm。

（3）永磁调速器应满足电机和负载间的功率和性能匹配。

（4）永磁调速器及其配套装置必须能够适应现场环境要求。

2） 永磁调速器的性能指标

（1）负载的调速范围是0～97%，且连续可调，具有明显的节能效果。

（2）实现负载转速的远程DCS或PLC调节控制，同时具备就地手动机械调节功能作为补充控制方式。

（3）实现电机的软启动、软停机，可延长关联电器使用寿命。

（4）对中误差：允许0.5 mm 对心误差；允许0.5°误差。

（5）适应于各种恶劣的工况：电网电压波动较大、谐波严重、易燃、易爆、高温、低温、潮湿及粉尘含量大等场所。

（6）在正常使用及维护条件下，永磁调速器本体使用寿命25 年（25 年内永磁体磁力强度衰退小于1%），在使用寿命期限内若永磁调速器本体出现质量问题卖方免费维修（不含轴承易损件）。

（7）由于永磁调速器是非机械连接的调速装置，负载和电机没有机械硬连接，隔离了振动的传递，因此极大地减小了振动和噪声。

3 改造效果

窑尾两台热风机进行永磁调速改造后，与原来液力耦合器调速进行比较，在满负荷情况下，改造前运行电流45.00 A（接近满负荷），采用永磁调速技术改造后，热风机运行电流40.96 A，运行电流减少4.04 A，节电率达到8.98%。

改造前热风机按年运行7 200 h计，年耗电量为324万kW·h；采用永磁调速器后，按节电率8.98%计算，年节电量为29.09万kW·h，按当前电价0.72元/（kW·h）计算，窑尾热风机节电费用约为21万元/a（未计算液力耦合器运行费用），节能效果十分显著。

永磁调速器具有结构简单、无谐波、延长电机和轴承使用寿命、适应性强、自身损耗小的结构特点。与高压变频器调速和液力耦合器调速等相比，永磁调速器调速维护简单，可靠度高，安装调试方便，改造容易且周期短，避免了联轴器磨损问题、液压油污染环境等问题，并在解决振动等方面有着无可比拟的优势［2］。

4 结论

经过一段时间的运行，永磁调速器节电率达到9%左右，效果良好，极大地降低了生产成本，减小了设备维护成本。其具有高效节能、运行可靠、无刚性连接传递扭矩、极大减少系统振动、适应各种恶劣环境、系统维护费用低和使用寿命长等特点［3］。无论是从经济效益还是从设备的安全稳定性来看，永磁调速器调速与液力耦合器调速和高压变频器调速相比具有无可比拟的优势，具有较好的应用前景和推广价值。