基于永磁理論的空預(yù)器傳動(dòng)系統(tǒng)改造及性能對(duì)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(tái)350Mw超臨界空冷機(jī)組,每臺(tái)鍋爐配置2臺(tái)容克式三分倉(cāng)空氣預(yù)熱器(以下簡(jiǎn)稱"空預(yù)器"),型號(hào)為2-29.5VI(50°)-2200(90”),由上海鍋爐廠有限公司生產(chǎn)?？疹A(yù)器減速機(jī)配置主、輔、氣馬達(dá)三套傳動(dòng)輸入系統(tǒng),臥式下輸出軸輸出,型號(hào)為sGw95A(Cw)正向、sGw95A(CCw)反向,傳動(dòng)系統(tǒng)額定輸出扭矩12500N·m,由河北北方減速機(jī)有限公司生產(chǎn)。

目前主電機(jī)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(yán)重或負(fù)荷增加時(shí),會(huì)使得油溫升高,易熔塞融化,傳動(dòng)油噴出,主電機(jī)動(dòng)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(bào)廢的事故也時(shí)常出現(xiàn),相關(guān)統(tǒng)計(jì)表明,空預(yù)器傳動(dòng)系統(tǒng)中液力耦合器的平均壽命約為半年[2]。當(dāng)主電機(jī)或液力耦合器出現(xiàn)故障時(shí),必須停機(jī),拆除主電機(jī)或液力耦合器。主電機(jī)故障后,輔電機(jī)投入運(yùn)行,空預(yù)器低速轉(zhuǎn)動(dòng),導(dǎo)致機(jī)組負(fù)荷下降,將造成極大的損失。

1永磁傳動(dòng)的基本原理

永磁傳動(dòng)建立在電磁渦流磁場(chǎng)作用力下,通過(guò)銅導(dǎo)體和永磁體之間的氣隙實(shí)現(xiàn)由電動(dòng)機(jī)到負(fù)載的轉(zhuǎn)矩傳輸,是一種不需要機(jī)械間剛性連接的新型傳動(dòng)方式,其依靠磁場(chǎng)感應(yīng)的作用進(jìn)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(qiáng)力稀土磁鐵,會(huì)產(chǎn)生超強(qiáng)的磁場(chǎng),電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)帶動(dòng)導(dǎo)體盤在磁盤產(chǎn)生的磁場(chǎng)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(chǎng)[3]。磁盤則相對(duì)導(dǎo)體盤產(chǎn)生了反磁場(chǎng),兩者之間相互作用,使得氣隙磁場(chǎng)傳遞扭矩帶動(dòng)負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)。

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

圖1中P點(diǎn)為主動(dòng)磁環(huán)下表面任意選取一點(diǎn):Q點(diǎn)為從動(dòng)磁環(huán)上表面任意選取一點(diǎn):D為磁環(huán)外徑:D0為磁環(huán)內(nèi)徑:r1為O點(diǎn)半徑:r2為P點(diǎn)半徑:r1-r2為0點(diǎn)至P點(diǎn)的向徑:g為主動(dòng)環(huán)與從動(dòng)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(jì)算公式為:

式中:n為磁極對(duì)數(shù):B1、B2為主、從動(dòng)磁環(huán)的剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度:μ0為真空磁導(dǎo)率:a為主動(dòng)磁環(huán)相對(duì)從動(dòng)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(duì)數(shù)n、磁隙g、磁環(huán)直徑D等數(shù)據(jù)有關(guān),磁極對(duì)數(shù)與磁環(huán)直徑在設(shè)計(jì)階段確定后便不會(huì)更改,因此,超離合調(diào)速型永磁聯(lián)軸器通過(guò)改變磁隙g來(lái)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(hù)電機(jī)及減速機(jī),當(dāng)空預(yù)器出現(xiàn)卡澀或傳動(dòng)力矩過(guò)大時(shí),永磁耦合器會(huì)自動(dòng)脫開,電機(jī)空轉(zhuǎn),不會(huì)把力矩傳遞給減速機(jī)。

(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(jī)構(gòu)。永磁盤鑲有永磁體(強(qiáng)力稀土磁鐵),通過(guò)連接法蘭與負(fù)載軸連接。導(dǎo)體盤與調(diào)速機(jī)構(gòu)連接,電機(jī)通過(guò)膜片聯(lián)軸器與調(diào)速機(jī)構(gòu)相連從而帶動(dòng)導(dǎo)體盤轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)氣隙需要調(diào)整時(shí),電動(dòng)執(zhí)行器帶動(dòng)轉(zhuǎn)臂組件,轉(zhuǎn)臂組件帶動(dòng)調(diào)速機(jī)構(gòu)外筒旋轉(zhuǎn),外筒旋轉(zhuǎn)通過(guò)調(diào)速機(jī)構(gòu)內(nèi)螺旋槽轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng),使導(dǎo)體盤軸向滑動(dòng)。負(fù)載轉(zhuǎn)速隨著氣隙的逐漸增大而減小,當(dāng)氣隙到達(dá)一定程度時(shí),負(fù)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(jī)軸與負(fù)載軸承載附加力。連接法蘭用于連接固定磁盤與減速機(jī)負(fù)載軸。

圖2超離合永磁調(diào)速器機(jī)構(gòu)

超離合調(diào)速型永磁聯(lián)軸器是為空預(yù)器傳動(dòng)系統(tǒng)特別設(shè)計(jì)的聯(lián)軸器,其調(diào)速范圍可達(dá)0%~98%,可使電機(jī)與減速機(jī)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(jī)情況下拆裝檢修電機(jī)。它解決了在空預(yù)器傳動(dòng)系統(tǒng)中應(yīng)用的幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題:一是超離合永磁聯(lián)軸器長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行,導(dǎo)體盤上溫度不會(huì)升高,其溫度比環(huán)境溫度高約5C,不會(huì)對(duì)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(duì)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(jī)狀態(tài)下拆裝電機(jī)的需求:三是超離合永磁聯(lián)軸器無(wú)附加軸向力產(chǎn)生,且支座的設(shè)計(jì)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(dòng)系統(tǒng)中的具體應(yīng)用

康巴什電廠1號(hào)、2號(hào)機(jī)組利用停機(jī)檢修對(duì)空預(yù)器傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)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(jī)功率15kw進(jìn)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(dòng)時(shí)采用氣動(dòng)馬達(dá)、輔電機(jī)、主電機(jī)依次啟動(dòng)的方式,以減小啟動(dòng)時(shí)對(duì)減速箱的沖擊。永磁調(diào)速器自2015年5月投運(yùn)以來(lái),無(wú)故障產(chǎn)生,運(yùn)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(jī)端后,在空預(yù)器啟動(dòng)過(guò)程中,先啟動(dòng)氣動(dòng)馬達(dá)、輔電機(jī)低速運(yùn)行,待空預(yù)器轉(zhuǎn)速達(dá)到設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速后,啟動(dòng)主電機(jī)運(yùn)行,同時(shí)停運(yùn)輔電機(jī),調(diào)整永磁調(diào)速器的氣隙至最大,輔電機(jī)與傳動(dòng)系統(tǒng)完全分離,不再跟轉(zhuǎn):如果主電機(jī)發(fā)生故障,則會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)輔電機(jī),執(zhí)行器自動(dòng)調(diào)整超離合永磁調(diào)速器,動(dòng)力平緩接入系統(tǒng),空預(yù)器仍正常運(yùn)行。輔電機(jī)起到了備用主電機(jī)的作用。改造前后參數(shù)對(duì)比如表1所示。

該傳動(dòng)系統(tǒng)改造后,主輔電機(jī)的動(dòng)力回路由兩套回路組成,分別給主、輔電機(jī)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(shí)現(xiàn)雙重保護(hù),保證在任意時(shí)刻,只能有一臺(tái)電機(jī)運(yùn)行。電動(dòng)執(zhí)行器控制主電機(jī)端的超離合永磁調(diào)速器,通過(guò)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)執(zhí)行器改變超離合永磁調(diào)速器的氣隙,實(shí)現(xiàn)主電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。當(dāng)主電機(jī)發(fā)生故障時(shí),系統(tǒng)將自動(dòng)切換到輔電機(jī)運(yùn)行?？刂苹芈房蓪?shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程DCs/就地控制,遠(yuǎn)程控制回路中的DCs負(fù)責(zé)發(fā)出各種指令信號(hào)和接收故障信號(hào):為方便調(diào)試及滿足其他運(yùn)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(dòng)裝置中的作用,現(xiàn)對(duì)康巴什電廠空預(yù)器主電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)改造前后各項(xiàng)性能進(jìn)行對(duì)比,如表2所示。

結(jié)合表2,從以下六個(gè)方面進(jìn)行分析:

第一,從轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)與精度方面來(lái)看。液力耦合器采用改變液體壓力的方式進(jìn)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(lái)同類型機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)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(dá)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(duì)比。液力耦合器通過(guò)調(diào)節(jié)內(nèi)部液體的充滿程度實(shí)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(dòng)系統(tǒng)改造后,經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè),永磁調(diào)速器的傳動(dòng)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(lái)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(jī)相關(guān),一般需要10~20s的時(shí)間完成充液率調(diào)節(jié)。永磁調(diào)速器通過(guò)控制氣隙進(jìn)行調(diào)速,其響應(yīng)速度與電動(dòng)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(lái)看。改造前,1號(hào)機(jī)組空預(yù)器主電機(jī)振動(dòng)噪聲較大,液力耦合器經(jīng)常出現(xiàn)雙向振動(dòng),當(dāng)振動(dòng)到達(dá)一定程度時(shí)會(huì)導(dǎo)致電機(jī)軸斷裂[8]。電機(jī)振動(dòng)位移經(jīng)測(cè)量為50~100μm。改造后,動(dòng)力端與負(fù)載端無(wú)機(jī)械接觸,電機(jī)振動(dòng)值降低,啟動(dòng)與運(yùn)行的聲音平穩(wěn),優(yōu)于未改造側(cè)電機(jī),電機(jī)振動(dòng)位移經(jīng)測(cè)量為10~30μm。

第四,從對(duì)中校準(zhǔn)方面來(lái)看。液力耦合器的質(zhì)心對(duì)軸線的偏移需小于0.04mm,需要精準(zhǔn)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(hù)檢修的人工與時(shí)間成本。

第五,從設(shè)備的使用壽命方面來(lái)看。由表1中電流參數(shù)可知,永磁軟啟動(dòng)性能優(yōu)于液力耦合器,電機(jī)啟動(dòng)電流相較于液力耦合器下降20%~25%,永磁調(diào)速器對(duì)于電機(jī)及減速箱的保護(hù)都具有長(zhǎng)期的經(jīng)濟(jì)效益。永磁調(diào)速器無(wú)機(jī)械接觸,使用過(guò)程中免拆裝,無(wú)維修成本,減少了停機(jī)維護(hù)時(shí)間,提升了生產(chǎn)效率。

第六,從節(jié)能方面來(lái)看。液力耦合器的過(guò)載系數(shù)隨著內(nèi)部充液率的不同(40%~80%)會(huì)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(huì)導(dǎo)致傳動(dòng)效率嚴(yán)重降低。永磁調(diào)速器的氣隙磁通量等影響傳動(dòng)效率的因素均可控,能保證以恒定的高效率傳動(dòng),因此具有一定的節(jié)能效益。以1號(hào)、2號(hào)機(jī)組空預(yù)器電機(jī)15kw輸入功率計(jì)算,假定輸入功率可降低至80%,即12kw。單臺(tái)空預(yù)器節(jié)能效益計(jì)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(yùn)行時(shí)間:Dy為年運(yùn)行天數(shù):71為液力耦合器傳動(dòng)效率:72為永磁調(diào)速器傳動(dòng)效率:p為電費(fèi)單價(jià)。

由康巴什電廠1號(hào)機(jī)組改造現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)對(duì)比得知,永磁調(diào)速器傳動(dòng)效率比液力耦合器提升了8%,永磁調(diào)速器每日運(yùn)行24h,電費(fèi)以0.4元/(kw·h)計(jì)算,可以得出每年單臺(tái)空預(yù)器可以節(jié)省的費(fèi)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(jī)與減速箱之間由機(jī)械連接變?yōu)榉菣C(jī)械連接,使主電機(jī)具備緩沖啟動(dòng)功能,并使主電機(jī)側(cè)傳動(dòng)系統(tǒng)具備輸出轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)功能,可以對(duì)空預(yù)器轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)顯示,在環(huán)境溫度為6℃時(shí),根據(jù)對(duì)主電機(jī)側(cè)輸出轉(zhuǎn)速、氣隙、輸入轉(zhuǎn)矩等進(jìn)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(wú)磁泄漏、噪聲泄漏,滿足空預(yù)器傳動(dòng)系統(tǒng)使用要求,證明超離合永磁調(diào)速器對(duì)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(zhǎng)久運(yùn)行,避免了空預(yù)器傳動(dòng)系統(tǒng)漏油以及溫度升高產(chǎn)生的熔塞問(wèn)題,降低了設(shè)備的維護(hù)成本。

5結(jié)語(yǔ)

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(hào)、2號(hào)機(jī)組實(shí)際運(yùn)行工況,提出了一種可行的傳動(dòng)系統(tǒng)升級(jí)改造方案。從改造后的運(yùn)行狀況來(lái)看,改造后空預(yù)器的運(yùn)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(yùn)行成本,為同類機(jī)組的改造提供了很好的借鑒。