基于永磁理论的空预器传动系统改造及性能对比

引言

内蒙古京能康巴什热电有限公司一、二期工程均为两台350Mw超临界空冷机组,每台锅炉配置2台容克式三分仓空气预热器(以下简称"空预器"),型号为2-29.5VI(50°)-2200(90”),由上海锅炉厂有限公司生产。空预器减速机配置主、辅、气马达三套传动输入系统,卧式下输出轴输出,型号为sGw95A(Cw)正向、sGw95A(CCw)反向,传动系统额定输出扭矩12500N·m,由河北北方减速机有限公司生产。

目前主电机侧使用的液力耦合器经常出现漏油现象,导致传递能力下降,影响空预器换热效果。漏油严重或负荷增加时,会使得油温升高,易熔塞融化,传动油喷出,主电机动力切断,空预器停转。除此之外,液力耦合器壳体开裂造成报废的事故也时常出现,相关统计表明,空预器传动系统中液力耦合器的平均寿命约为半年[2]。当主电机或液力耦合器出现故障时,必须停机,拆除主电机或液力耦合器。主电机故障后,辅电机投入运行,空预器低速转动,导致机组负荷下降,将造成极大的损失。

1永磁传动的基本原理

永磁传动建立在电磁涡流磁场作用力下,通过铜导体和永磁体之间的气隙实现由电动机到负载的转矩传输,是一种不需要机械间刚性连接的新型传动方式,其依靠磁场感应的作用进行扭矩传输。永磁联轴器一般安装有铜制导体盘,铝制的磁盘中则镶嵌有强力稀土磁铁,会产生超强的磁场,电机转动会带动导体盘在磁盘产生的磁场中旋转,切割磁力线,从而在导体盘中产生感应磁场[3]。磁盘则相对导体盘产生了反磁场,两者之间相互作用,使得气隙磁场传递扭矩带动负载转动。

永磁联轴器基于永磁传动原理设计,其力学模型如图1所示。

图1中P点为主动磁环下表面任意选取一点:Q点为从动磁环上表面任意选取一点:D为磁环外径:D0为磁环内径:r1为O点半径:r2为P点半径:r1-r2为0点至P点的向径:g为主动环与从动环之间的磁隙:h为磁环厚度:

永磁联轴器扭矩(单位为N)m)传递计算公式为:

式中:n为磁极对数:B1、B2为主、从动磁环的剩余磁感应强度:μ0为真空磁导率:a为主动磁环相对从动磁环的转角:8=-A＋a,A为同一磁环上相邻两磁极之间的缝隙:R1=D0:R2=D:d为力矩。

由上述分析可知,永磁联轴器所能传递的扭矩与磁极对数n、磁隙g、磁环直径D等数据有关,磁极对数与磁环直径在设计阶段确定后便不会更改,因此,超离合调速型永磁联轴器通过改变磁隙g来调节扭矩的传递效率。

2永磁联轴器的形式

目前主流的盘式永磁联轴器有限矩型与超离合型两种形式:

(1)限矩型永磁耦合器可以保护电机及减速机,当空预器出现卡涩或传动力矩过大时,永磁耦合器会自动脱开,电机空转,不会把力矩传递给减速机。

(2)超离合永磁调速器结构如图2所示,主要由五部分组成:连接法兰、永磁盘、导体盘(铜或铝)、转臂组件、调速机构。永磁盘镶有永磁体(强力稀土磁铁),通过连接法兰与负载轴连接。导体盘与调速机构连接,电机通过膜片联轴器与调速机构相连从而带动导体盘转动。当气隙需要调整时,电动执行器带动转臂组件,转臂组件带动调速机构外筒旋转,外筒旋转通过调速机构内螺旋槽转化为直线运动,使导体盘轴向滑动。负载转速随着气隙的逐渐增大而减小,当气隙到达一定程度时,负载转速降为0。另外,还有支座用于支撑永磁本体,避免电机轴与负载轴承载附加力。连接法兰用于连接固定磁盘与减速机负载轴。

图2超离合永磁调速器机构

超离合调速型永磁联轴器是为空预器传动系统特别设计的联轴器,其调速范围可达0%~98%,可使电机与减速机完全脱离,即可替代超越离合器与液力耦合器,可以在不停机情况下拆装检修电机。它解决了在空预器传动系统中应用的几个关键问题:一是超离合永磁联轴器长时间运行,导体盘上温度不会升高,其温度比环境温度高约5C,不会对导体盘和系统其他元器件产生任何影响:二是超离合永磁联轴器克服了气流和剩磁对输出转速的影响,输出转速可以调节为0,满足不停机状态下拆装电机的需求:三是超离合永磁联轴器无附加轴向力产生,且支座的设计大大提高了系统的稳定性。

3超离合永磁联轴器在空预器传动系统中的具体应用

康巴什电厂1号、2号机组利用停机检修对空预器传动系统进行升级改造,用超离合永磁调速器替代了液力耦合器。永磁调速器的功率按照主电机功率15kw进行选型,最大转速为3600r/min,额定转矩为97.12N·m。空预器启动时采用气动马达、辅电机、主电机依次启动的方式,以减小启动时对减速箱的冲击。永磁调速器自2015年5月投运以来,无故障产生,运行一切正常。

超离合永磁调速器应用在空预器辅电机端后,在空预器启动过程中,先启动气动马达、辅电机低速运行,待空预器转速达到设计转速后,启动主电机运行,同时停运辅电机,调整永磁调速器的气隙至最大,辅电机与传动系统完全分离,不再跟转:如果主电机发生故障,则会自动启动辅电机,执行器自动调整超离合永磁调速器,动力平缓接入系统,空预器仍正常运行。辅电机起到了备用主电机的作用。改造前后参数对比如表1所示。

该传动系统改造后,主辅电机的动力回路由两套回路组成,分别给主、辅电机供电,一用一备。两者控制逻辑在软件和硬件中都有互锁功能,实现双重保护,保证在任意时刻,只能有一台电机运行。电动执行器控制主电机端的超离合永磁调速器,通过实时调节执行器改变超离合永磁调速器的气隙,实现主电机转速调节。当主电机发生故障时,系统将自动切换到辅电机运行。控制回路可实现远程DCs/就地控制,远程控制回路中的DCs负责发出各种指令信号和接收故障信号:为方便调试及满足其他运行工况的需要,设置了就地控制。

4改造效果分析

为更好地分析超离合永磁调速器在空预器传动装置中的作用,现对康巴什电厂空预器主电机传动系统改造前后各项性能进行对比,如表2所示。

结合表2,从以下六个方面进行分析:

第一,从转速调节与精度方面来看。液力耦合器采用改变液体压力的方式进行调速,属于低效调速方式,且调速范围有限(0~20%)。由近年来同类型机组运行数据统计可知,高转速下液力耦合器转速损失在3%~10%,低转速下转速损失最高可达20%:永磁调速器在高转速下转速损失在1%~3%,低转速下转速损失小于4%。图3为两者在不同输入转速下的转速丢失率对比。液力耦合器通过调节内部液体的充满程度实现调速,其调节精度较差:永磁调速器采用调节气隙的方式改变输出转速,其调节精度比液力耦合器更加可控。传动系统改造后,经现场检测,永磁调速器的传动效率比原液力耦合器提升了约8%。

第二,从响应速度方面来看。液力耦合器调节转速需要填充或排出内部液体,响应速度与泵机相关,一般需要10~20s的时间完成充液率调节。永磁调速器通过控制气隙进行调速,其响应速度与电动执行器相关,一般需要5~10s完成气隙调节。

第三,从系统减振方面来看。改造前,1号机组空预器主电机振动噪声较大,液力耦合器经常出现双向振动,当振动到达一定程度时会导致电机轴断裂[8]。电机振动位移经测量为50~100μm。改造后,动力端与负载端无机械接触,电机振动值降低,启动与运行的声音平稳,优于未改造侧电机,电机振动位移经测量为10~30μm。

第四,从对中校准方面来看。液力耦合器的质心对轴线的偏移需小于0.04mm,需要精准找正。永磁调速器导体盘与磁盘同心度则允许有1mm的误差,气隙的轴向、径向误差只需控制在0.5mm以内。装配要求的降低,可以减少维护检修的人工与时间成本。

第五,从设备的使用寿命方面来看。由表1中电流参数可知,永磁软启动性能优于液力耦合器,电机启动电流相较于液力耦合器下降20%~25%,永磁调速器对于电机及减速箱的保护都具有长期的经济效益。永磁调速器无机械接触,使用过程中免拆装,无维修成本,减少了停机维护时间,提升了生产效率。

第六,从节能方面来看。液力耦合器的过载系数随着内部充液率的不同(40%~80%)会在一定范围内改变,但液力耦合器内部存在温升变化、液量难以精确控制等因素,会导致传动效率严重降低。永磁调速器的气隙磁通量等影响传动效率的因素均可控,能保证以恒定的高效率传动,因此具有一定的节能效益。以1号、2号机组空预器电机15kw输入功率计算,假定输入功率可降低至80%,即12kw。单台空预器节能效益计算公式如下:

式中:E为年节能效益:P为输入功率:T为每日运行时间:Dy为年运行天数:71为液力耦合器传动效率:72为永磁调速器传动效率:p为电费单价。

由康巴什电厂1号机组改造现场检测对比得知,永磁调速器传动效率比液力耦合器提升了8%,永磁调速器每日运行24h,电费以0.4元/(kw·h)计算,可以得出每年单台空预器可以节省的费用为3363.84元。

康巴什电厂将液力耦合器替换为超离合永磁调速器,将主电机与减速箱之间由机械连接变为非机械连接,使主电机具备缓冲启动功能,并使主电机侧传动系统具备输出转速调节功能,可以对空预器转速进行调整。现场测试数据显示,在环境温度为6℃时,根据对主电机侧输出转速、气隙、输入转矩等进行调整,确定其额定扭矩为97.12N·m,最大扭矩为242.8N·m,扭矩传输效率大于97%,无磁泄漏、噪声泄漏,满足空预器传动系统使用要求,证明超离合永磁调速器对解决目前空预器液力耦合器的常见故障起到了积极作用,保证了空预器的长久运行,避免了空预器传动系统漏油以及温度升高产生的熔塞问题,降低了设备的维护成本。

5结语

本文基于平面永磁力矩传递理论,结合京能康巴什电厂1号、2号机组实际运行工况,提出了一种可行的传动系统升级改造方案。从改造后的运行状况来看,改造后空预器的运行性能得到了明显提升,起到了一定的节能效果,降低了空预器的生产运行成本,为同类机组的改造提供了很好的借鉴。