一、引言
风机和水泵在国民经济各部门中应用的数量众多，分布面极广，耗电量巨大。据有关部门的统计，全国风机、水泵电动机装机总容量约35000MW，耗电量约占全国电力消耗总量的40％左右。目前，风机和水泵运行中还有很大的节能潜力，其潜力挖掘的焦点是提高风机和水泵的运行效率。据估计，提高风机和水泵系统运行效率的节能潜力可达（300～500）亿kW·h/年，相当于6～10个装机容量为1000MW级的大型火力发电厂的年发电总量。
在火力发电厂中，风机和水泵是电厂机组最主要的耗电设备，这些风机和水泵，由于受到电网负荷和机组调峰的影响，常常处于低负荷及变负荷运行状态，在风量的调节过程中，蕴藏着巨大的节能潜力。据统计：全国火力发电厂八种风机和水泵（送风机、引风机、一次风机、排粉风机，锅炉给水泵、循环水泵、凝结水泵、灰浆泵。）配套电动机的总容量为15000MW，年总用电量为520亿kW·h，占全国火电发电量的5.8％。发电厂辅机电动机的经济运行，直接关系到厂用电率的高低。随着电力行业改革的不断深化，厂网分家、竞价上网等政策的逐步实施，降低厂用电率，降低发电成本提高电价竞争力，已成为各发电厂努力追求的经济目标。
我国火电机组的平均煤耗相对较高，比发达国家高(0.07～0.1)kg/kW·h，而厂用电率的高低是影响供电煤耗和发电成本的主要因素之一。国产300MW机组的厂用电率平均为4.71％，而进口（GE公司）机组为3.81％。国产机组比进口机组约高20％左右。国产机组厂用电率偏高的原因主要是辅机电动机在经济运行方面存在问题和差距。
国外火电厂的风机和水泵已纷纷增设调速装置，而目前我国火电厂中除少量采用汽动给水泵，液力耦合器及双速电机外，多数风机和水泵仍然采用定速驱动。这种定速驱动的泵和风机，流量和压力的控制采用出口阀或风门挡板来调节，在出口阀或风门挡板处存在严重的节流损耗。尤其在机组改变负荷运行时，由于风机和水泵的最佳运行曲线偏离经济高效点，使运行效率大为降低。调查表明：我国50MW以上机组锅炉风机运行效率低于70％的占一半以上，低于50％的占1/5左右。50MW以下的机组，风机的效率更低。选择合适的节能设备迫在眉睫。
二、项目的必要性
风机等转动机械作为火电生产企业的主要电力耗能设备，一直以来是各生产企业节能改造的重点。目前，我国大部分转动机械配置的拖动电机额定参数大于实际需求，普遍存在“大马拉小车”的现象，极不经济，更不合乎国家节能减排的号召。因此，针对转动机械开展节能技术的研发和应用是十分必要的。
调速技术是目前企业针对转动机械经常采用且效果较为显著的一种节能技术。现阶段国内的企业大多使用液力偶合器或变频器来对风机、水泵等离心设备进行起动和调速。液耦由于其调速范围的局限性和设备自身的结构特点，给生产带来的问题比较多，特别是还要考虑定期加油和漏油污染的问题。所以，实际的应用也在逐年的减少。高低压变频器是一款结构复杂的电子设备。看似通用型的变频器恰恰也是它们无法与实际工况完美结合的最大障碍。众所周知，任何一款电子设备，影响他正常使用的因素都会很多很多，首先就是电压，由于大量电子元器件的使用，使变频器对电压非常敏感，而且这个影响是双方面恶性循环，一方面变频器需要很稳定的电压来保证运行，另一方面，变频器在运行时却产生了大量的谐波来污染电路，造成线路不稳，相电压不平衡，自身跳级以及其他运行的关键设备无辜报警停机的状况。可以说每一台电机都有其运行的独到特点，每个负载时时刻刻都会根据受电品质影响着电机的使用效率。
永磁驱动技术是近年来国际上发展的一项突破性新技术，是专门针对转动机械离心负载调速节能的适用技术。它具有高效节能、高可靠性、无刚性连接传递扭矩、可在恶劣环境下应用、极大减少系统整体振动、减少系统维护和延长系统使用寿命等特点，尤其是其不产生高次谐波且低速下不造成电机发热的优良调速特性，是其他电子调速产品所不具备的。特别是无刚性连接的这一特性，使电机和负载之间的振动得到有效的隔离，从而大大的延长了转动部件的使用寿命，因为永磁驱动技术改善了当前转动设备运转部件的使用环境，所以更使其成为转动机械，离心设备节能技术改造的首选。
三 、关键技术及创新点
（一）关键技术难点
现阶段永磁驱动设备在大功率设备上应用，存在的技术难点主要为传动产品的自身发热以及散热问题，以及调速不稳定、轴承监控不完善，安全问题，防尘防噪等问题。
（二）主要创新点
1、以降低永磁传动产品的温度为出发点，增加产品的散热性能。比如改变永磁产品的机械结构，增加散热面积；增强空气流通，加快散热；使用其它介质（比冷却水）加快永磁传动产品的散热；加装散热装置，比如加装空气冷却散热片。
加装散热片的永磁偶合器
加装风机蜗壳结构防尘散热的永磁偶合器
2、实现永磁耦合器稳定调速，可自动控制。
3、形成标准化安装手册，实现安装流程规范化。
4、实现对永磁偶合器的防尘和降噪的措施。
四、技术、经济可行性及可靠性分析、论证
（一）永磁调速偶合器原理结构
调速型永磁耦合器结构简图
永磁涡流柔性传动是一种高科技专利技术,该产品在全国已经获得多项专利，是传动行业的又一次技术创新。
永磁涡流传动装置的主要结构是由安装在电机端的导体盘和安装在负载端的永磁盘两部分构成，当电机带动导体盘旋转时与安装在负载端的永磁盘产生切割磁力线运动，进而在导体盘中产生涡流，该涡流在导体盘周围生成反感磁场，从而带动永磁盘旋转，实现能量的气隙传递。通过调整导体盘与永磁盘之间的气隙大小实现传递扭矩的改变，从而改变负载的转速，降低电机的运行电流从而达到节能的目的。永磁偶合器正是在这样原理的基础上，再结合稀土永磁技术、传动新技术及高精度装备制造技术的应用而研发产生的。 该产品具有高效节能、使用寿命长、清洁环保、无级调速、缓冲启动、减少震动、维护量少、使用成本低、综合效益好等独有特点，广泛应用于军工、发电、石油化工、冶金、矿山等多种行业，特别适合风机、水泵等离心式负载的调速和传动，目前在国内很多家企业使用。
（二）永磁调速耦合器的核心价值
永磁耦合器是通过铜/铝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的装置，可实现电动机和负载间无机械链接的传动方式。其主要结构为：
◆永磁转子组件，由若干稀土永磁体组成，连接于负载侧。
◆铜/铝导体转子组件，连接于电机侧。
永磁耦合器则是具备调整气隙的机构及其执行器, 可在线随时调整气隙达到调整负载设备的输出转速, 达到调速节能的目的。
由于电机旋转时，带动铜盘在磁盘所产生的强磁场中切割磁力线，因而在铜盘中产生涡流电流，该涡流电流反过来在铜盘周围产生反感磁场，阻止铜盘与磁盘的相对运动，从而实现了电机与负载之间的扭矩传输。电机与负载之间的扭矩传输，不同于常规的机械连接方式，是通过气隙连接的，它不仅可以通过调整气隙实现转速调整，还带来很多其它调速方式所不具备的优点。
永磁耦合器是通过调节扭矩来实现速度控制，电机输出到铜/铝导体转子的扭矩和永磁转子输出到负载的扭矩是相等的。这样，我们可以根据负载实际运行过程中扭矩的大小来调整电机输出端扭矩。负载要求扭矩小，电机输出扭矩小，相应输出功率也小。
(功率 = 扭矩 x 转速)
永磁偶合器可以通过调节铜盘和磁盘之间的气隙来改变电机与负载之间的转速差，从而实现调速：在电机转速不变的情况下，调节风机或水泵的转速，从而管网的压力或者流量就会变化，来满足实际工况的需要。
当系统运转时，负载端的速度根据负载需要的扭矩来改变空气间隙来调节。负载需要的能量决定电机消耗的能量。根据实际应用，在全速运转时，永磁偶合器的工作效率能达到97%以上，而透过永磁耦合器调速后的能耗则降低到原来能耗的85% ~ 70%。永磁偶合器相对于其它调速装置的优点不仅限于节能。安装永磁偶合器之后，在对系统的总体评估中，总回报提高、节能效果、生产能力提高、设备寿命延长、维修率下降以及运行负担的减少都很明显。
l 减低振动和容许偏心
80%以上的转动设备都是由于振动而出现故障的，大多数的振动都是因为轴心偏移，另外是由于设备的不平衡和共振。振动会破坏密封圈的弹力，升高轴承和设备的温度。永磁偶合器技术提供了一种最好的解决振动方法。永磁驱动技术减振的关键在于通过空气间隙传递扭矩，而没有直接的物理连接。空气间隙最小为3mm。转动机械的轴中心找正，一般可允许的偏心为0.05 mm 以内，需要激光对心。永磁驱动技术允许最大3~5 mm 的偏离而且运转时没有振动，更直接的方便了安装和维护直接就可以进行对心安装。
l 冲击型负载和堵转自动保护
由于电机和负载的轴端没有直接的物理连接，振动不会传递，对于冲击型负载及有堵转可能的过程中具有通过滑差实现缓冲与自动保护功能, 故障大大减少。因此可以很简单的解决驱动系统的问题。
l 功率质量（不产生谐波和电磁干扰）
永磁耦合器不会受电网质量的影响，在电网质量很差或者在低压期间都可以工作。只要有有效的能量使电机转动，永磁偶合器就可以工作。同时，永磁驱动技术也不会影响设备的功率质量。不会产生谐波，瞬时高压或者其他与功率质量有关的问题。
投资总成本(或投资效益)应关注以下几个环节的总和
◆初期投资(初购 + 改造/安装)
◆运行成本(自身耗电)
◆维护成本
◆停机成本, 环境成本(二次污染问题)
（三）风机调速系统永磁耦合器技术改造可行性
1. 采用调速型液力耦合器，虽然前几年使用液力偶合器调速运行状况比较乐观，但液力偶合器由于工况环境恶劣及液力偶合设备不同程度的老化原因，漏油会成为常态，从而导致风机运行不稳定，而且故障频繁，维护困难，导致系统故障率提高，给企业造成巨大的经济损失和安全隐患。
2.电机：采用6KV高效电机替换原380V的315KW三相异步电动机，电机位置需要向电机尾部方向移动，给永磁驱动装置的改造提供了充足空间。
3.风机：采用原系统风机，位置不动，原液力偶合器器更换为与风机相适配的调速型永磁偶合器。
4. 调速型永磁耦合器：将一次风机的电机基础底座向电机方向后面扩展，电机向后移动，风机和电机之间加装调速型永磁偶合器。永磁偶合器使用原液力耦合器固定基座进行匹配安装，一段连接电机，另一端连接315KW一次风机。
5.电动执行器
永磁耦合器配套稳定可靠的电动执行机构, 可充分满足现场风机调速和工作环境要求。执行器防护等级为 IP55 或NEMA 4X, 使用220V或380V电源, 接收 4～20 mA 模拟信号可实现比例控制。所接受来自锅炉系统风压或风量信号（DCS系统）。控制信号应包括速度调节信号及故障状态下使永磁偶合器气隙推至最大的信号（AO）。现场具备电缆供电动执行器动力和信号传输使用。
6.DCS控制方式
电动执行器使用现场锅炉系统风压或风量输出信号（或者由系统提供控制信号）进行遥控。永磁偶合器附带的控制器通过处理接收信号实现现场对负载调速。安装永磁偶合器以后，直接通过永磁偶合器降低流量，不需传统的的过程控制硬件设备(如控制阀门，已经安装可以实施配合调整状态)，负载将在最优化的速度下运行，增加能源效率，减少运行和维护成本。
五、对安全、环境、健康的影响性分析
1.环境保护设计及监管依据以下标准:
l 《工业企业厂界噪声标准》（GB12348－90）中的Ⅲ类标准；
l 《城市区域环境噪声标准》（GB3096－93）中的Ⅲ类标准；
l 大气污染物综合排放标准》（GB8978－1996）中的二级排放标准。
2.环境污染源
本公司永磁偶合器本体属于环境污染很小的纯机械设备，调速控制系统在生产过程中应用了工业控制自动化技术，，其主要污染源为少量的噪声和固体废弃物。此外，锅炉风机运行现场有粉尘产生，需要对永磁耦合器进行防尘保护。
3.环境保护措施
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固 废 物 |
不合格元器件直接由提供单位回收，其他固废物集中由废品收购站回收。 |
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噪 声 |
充分利用隔声保护罩进行设备合理降噪布局，所有设备指定专人定期保养、检修，避免产生不正常的高噪声。 |
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粉尘 |
采用风机蜗壳结构，粉尘不会进入永磁偶合器设备内部，不影响设备的正常运行。 |
（二）安全防护方案
在永磁耦合器设计、施工、结构以及用电设备上均按有关永磁耦合器设计规程要求，安装防尘降噪隔离罩，做好防漏电的接地设计，布置设备位置时应充分考虑工人操作及维修空间。由于永偶合器本身属于高速运行的机械设备，现场运行应划清安全通道，对职工定期进行安全生产教育，并制订严格的操作规程，杜绝事故发生，保障生产安全。永磁偶合器的安全防护办法如下图所示。
安全防护措施一
安全防护措施二
本改造项目的实施将大大提升一次风机的安全和可靠水平，并提高整个锅炉系统的运行效率，改造后的使用效果将大大降低现场工作人员的检修、维护工作量，因此，项目的实施对安全、环境、健康不存在任何危害。
六、经济、社会效益分析
（一）节能经济效益分析
1 . 节能原理
阀门调节方式耗能情况：
根据风机、水泵系统设计原则，为了保证负荷最大时风机或水泵系统满足输出要求，通常需要按系统的最大输出能力配备风机水泵系统。而真正实用中，绝大多数情况下并非需要系统在满负荷下使用，而是根据负载的实际需要，通过流量控制元件如阀门或风门挡板等实现流量或压力的调节，以满足生产过程中的需要。最典型的控制流量或压力的方法是使用阀门或风门挡板。
此时，风机或水泵系统的效率＝电机效率×调节流量或转速或压力控制原件的效率×风机或水泵效率×输送管道的效率。
如果其它效率在恒定的情况下，系统效率取决于调节流量或转速或压力控制设备的效率。由于阀门或风门挡板是通过调节开度来实现输出流量或压力的调节，电机和负载的转速并未发生变化，根据相似定律，输入功率并不会因为阀门开度变化而变化。当阀门或风门挡板开度<100%或调节器非直通型，流体经过阀门或风门挡板都会造成非常大的能量损失，同时在阀门或风门挡板两端产生很大的压差，特别是在风机或水泵输出端的压力增高，使得风机或水泵运转点偏离最佳的效率点，因此，阀门开度减小时，电机输入功率不会随着减小，因此很多能量被浪费掉。
采用永磁调速改造的系统耗能情况：
从流体力学的原理得知，使用感应电机驱动的离心式负载，轴功率P与流量Q，扬程H的关系为：
离心式负载特性曲线
其中：Horsepower：轴功率曲线、Speed：转速及流量曲线、Torque：压力曲线
如图所示：当电机的转速由n1变化到n2时, Q、H、P与转速的关系如下:
 （1）
 （2）
=  （3） 可见流量Q和电机的转速n是成正比关系的，而扬程与转速的二次方成正比，所需的轴功率P与转速的立方成正比关系。所以当需要80％的额定流量时，通过调节电机的转速至额定转速的80％，此时系统的扬程仅为原来的64%，此时所需功率将仅为原来的51.2％，即：
离心式负载调速性能表
|
转速
(%) |
流量
(%) |
压力
(%) |
轴功率
(%) |
节电率
(%) |
备注 |
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100 |
100 |
100 |
100 |
0 |
在实际运行中，由于转速下降会引起其机泵系统效率下降，加上调速装置效率的影响，实际节电率小于表中所列数值。 |
|
90 |
90 |
81 |
72.9 |
27.1 |
|
80 |
80 |
64 |
51.2 |
48.8 |
|
70 |
70 |
49 |
34.4 |
65.6 |
|
60 |
60 |
36 |
21.6 |
78.4 |
|
50 |
50 |
25 |
12.5 |
87.5 |
从泵的运行曲线来分析采用永磁调速后的节能效果：
图3 离心式负载的运行曲线
当所需流量从Q1减小到Q2时，如果采用调节阀门的办法，管网阻力将会增加，管网特性曲线上移，系统的运行工况点从A点变到新的运行工况点B运行，所需轴功率P2与面积H2×Q2成正比；如果采用调速控制方式，泵转速由n1下降到n2，其管网特性并不发生改变，但泵的特性曲线将下移，因此其运行工况点由A点移至C点。此时所需轴功率P3与面积HB×Q2成正比。从理论上分析，所节约的轴功率Delt(P)与（H2-HB）×（C-B）的面积成正比。
在实际运行中，系统能够调节的空间通常是在考虑流量满足的同时还必须考虑系统的扬程能不能满足要求。通过实践的统计，离心式水泵或风机负载通过调速控制可节能10％～50％。
（二） 社会效益分析
节能增效在能源日趋紧张的今天已成为全社会的一项重要问题，也是企业创收，产业升级的重要方法。对提升企业核心竞争力有着巨大的推动作用。
永磁调速耦合器节能技术并非只是简单的利用磁体的同性相斥、异性相吸的作用，它是传动技术、材料技术、制造技术、控制技术的集成，是符合节能和环保政策要求的产品，是与环境友好的创新技术产品。
永磁驱动技术的应用，不仅是节能减排技术的创新，而且还是积极响应国家节能减排政策的示范项目，具有很强的示范作用。我们坚信，随着新技术、新工艺、新结构、新材料的出现，必将迎来永磁驱动节能技术发展的热潮。该项技术的应用必将给企业带来巨大的社会和经济效益。
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