水泥行業(yè)是國家六大耗電行業(yè)之一，近幾年來采用變頻調(diào)速和高效節(jié)能電機(jī)已成為提高電機(jī)運(yùn)行效率的重要途徑。以某廠5000t/ｄ新型干法水泥熟料生產(chǎn)線為例，熟料生產(chǎn)用電設(shè)備分為主要用電設(shè)備與輔助用電設(shè)備，其主要用電設(shè)備有礦山開采、 生料制備、熟料燒成、水泥制成、水泥散裝／包裝發(fā)運(yùn)等主要生產(chǎn)工序，輔助用電設(shè)備有余熱發(fā)電、協(xié)同處置、脫硝工程、機(jī)電維修等輔助系統(tǒng)，約有電動(dòng)機(jī)1200臺(tái)，總裝機(jī)功率近6.0萬ｋＷ。

大部分設(shè)備是二十四小時(shí)連續(xù)工作，工作負(fù)荷相對(duì)穩(wěn)定，運(yùn)轉(zhuǎn)率較高。永磁同步電動(dòng)機(jī)主要應(yīng)用于水泥企業(yè)中的風(fēng)機(jī)與泵、球磨機(jī)、輸送設(shè)備、選粉機(jī)、輥壓機(jī)等。本文主要介紹永磁同步電動(dòng)機(jī)應(yīng)用于水泥企業(yè)煤磨系統(tǒng)和膠帶輸送系統(tǒng)技術(shù)改造后的節(jié)電效果。

１ 永磁同步電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)

永磁同步電動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、損耗低、效率高等特點(diǎn)，與直流電機(jī)相比，其無直流電機(jī)換向器和電刷長期連續(xù)工作處于空載或輕載狀態(tài)， 對(duì)換向器和碳刷易造成傷害等缺點(diǎn)，與異步電動(dòng)機(jī)相比，不需要無功勵(lì)磁電流，效率高，力矩慣量比大， 定子電流和定子電阻損耗較小，轉(zhuǎn)子參數(shù)可測(cè)、可控制性能好；與普通同步電動(dòng)機(jī)相比，因無勵(lì)磁裝置， 結(jié)構(gòu)簡化，效率得到了提高。永磁同步電動(dòng)機(jī)可替代三相異步電機(jī)，其節(jié)能效果顯著，在目前水泥工業(yè)已被優(yōu)先選用。

永磁同步電機(jī)的定子結(jié)構(gòu)和異步電動(dòng)機(jī)的定子基本相同，轉(zhuǎn)子由永磁體、導(dǎo)磁軛和轉(zhuǎn)軸組成。其中永磁體貼在導(dǎo)磁軛上，導(dǎo)磁軛為圓筒形，套在轉(zhuǎn)軸上。永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

２ 永磁同步電機(jī)在煤磨系統(tǒng)中的應(yīng)用

2.1 煤磨系統(tǒng)主電機(jī)改造情況

某水泥企業(yè)煤磨系統(tǒng)原采用異步電機(jī) - 減速機(jī) - 小齒輪 - 大齒輪模式來驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)部，由于異步電機(jī)和減速機(jī)的效率比較低，并且存在著故障、漏油頻發(fā)等一系列維修問題，嚴(yán)重影響了生產(chǎn)成本與效益。 于2016年9月對(duì)兩臺(tái)煤磨系統(tǒng)用主電機(jī)進(jìn)行改造， 采用永磁同步電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)球磨機(jī)小齒輪來運(yùn)轉(zhuǎn)。

原500ｋＷ異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)按最大負(fù)荷原則選取，在實(shí)際運(yùn)行中負(fù)載率較低，由于永磁電機(jī)可實(shí)現(xiàn)低速大轉(zhuǎn)矩的驅(qū)動(dòng)，使電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩提高。同時(shí)，永磁電機(jī)在低負(fù)載率時(shí)具有高效率和高功率因數(shù)特點(diǎn)，符合球磨機(jī)的運(yùn)作需求。永磁直接驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與常規(guī)異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的主要運(yùn)行參數(shù)比較見表 １，主要性能評(píng)價(jià)參數(shù)比較見表 ２。

由表2可知，異步電機(jī)的效率和功率因數(shù)隨負(fù)載率的降低而降低，而永磁電機(jī)的效率和功率因數(shù)幾乎不變。

2.2永磁直接驅(qū)動(dòng)煤磨系統(tǒng)節(jié)能分析

經(jīng)對(duì)煤磨系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)進(jìn)行測(cè)量，異步電機(jī)運(yùn)行電流為30～31Ａ，電機(jī)功率為408～422ｋＷ，計(jì)算時(shí)按照平均運(yùn)行功率為420ｋＷ，每天運(yùn)行時(shí)間為24ｈ，年運(yùn)行天數(shù)為330ｄ，電費(fèi)按0.5元／（ｋＷ·ｈ）進(jìn)行計(jì)算，其中未計(jì)算因功率因數(shù)提高節(jié)省的無功補(bǔ)償費(fèi)用，則煤磨系統(tǒng)主電機(jī)改造的節(jié)能潛力分析見表 ３。

煤磨系統(tǒng)主電機(jī)改造前平均耗電情況見表4， 煤磨系統(tǒng)主電機(jī)改造后一個(gè)月電耗統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見表5。結(jié)合表4、表5 可知，改造后單位煤粉的粉磨電耗從26.54ｋＷ·ｈ/ｔ 降至22.82ｋＷ·ｈ/ｔ，節(jié)電率達(dá)14％ 。如按磨機(jī)臺(tái)時(shí)產(chǎn)量17.75ｔ計(jì)算，較改造節(jié)約66.0３ｋＷ·ｈ/ｔ，若按2015年煤粉制備總量10.70萬ｔ計(jì)算，年節(jié)電量約為39.8萬ｋＷ·ｈ，折合電費(fèi)約為19.9萬元。

2.3粉磨系統(tǒng)主電機(jī)改造經(jīng)濟(jì)效益分析

本改造項(xiàng)目初期投資約60萬元，年綜合節(jié)電率為15.03％ ，年節(jié)約費(fèi)用為22.2萬元，三年可回收成本。具體如下：

（１）年節(jié)電量約為39.8萬ｋＷ·ｈ，折合電費(fèi)約為19.9萬元。

（２）減速機(jī)稀油站油泵功率2.2ｋＷ，年節(jié)電量約為1.1 萬ｋＷ·ｈ，折合電費(fèi)為0.5萬元。

（３）永磁直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單，沒有減速機(jī)、減速機(jī)稀油站、慢轉(zhuǎn)電機(jī)等設(shè)備，節(jié)約減速機(jī)及減速機(jī)油站備件、油品消耗費(fèi)用0.8萬元/年。

（４）減少設(shè)備維護(hù)的勞動(dòng)投入，同時(shí)降低工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

（５）永磁直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率因數(shù)為0.95，遠(yuǎn)高于原異步電機(jī)的0.83。經(jīng)計(jì)算，直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)變頻器輸入側(cè)功率因數(shù)為0.99，供電變壓器二次低壓側(cè)功率因數(shù)不需要電容補(bǔ)償既可滿足要求，又可節(jié)約成本，節(jié)省采購電容一次性支出費(fèi)用3萬元，平均每年可節(jié)省1萬元。

３ 永磁電機(jī)在膠帶輸送系統(tǒng)中的應(yīng)用

傳統(tǒng)的帶式輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)均采用異步電動(dòng)機(jī)，經(jīng)液力偶合器、減速器將動(dòng)力傳給滾筒帶動(dòng)皮帶運(yùn)動(dòng)，此種傳統(tǒng)的傳動(dòng)方式存在明顯的缺點(diǎn)：驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)耗能高，啟動(dòng)不平穩(wěn)，負(fù)荷較重時(shí)啟動(dòng)困難等，這直接影響著系統(tǒng)的整體效率。采用無齒輪永磁同步電機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)方式，整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有高效節(jié)能、噪聲低、維護(hù)少、輸出轉(zhuǎn)矩大，啟動(dòng)平穩(wěn)，結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)。

某企業(yè)水泥調(diào)配庫底輸送皮帶機(jī)用電機(jī)于2016年 11月16日由三相異步電動(dòng)機(jī)更換為永磁同步電機(jī)，即將Ｙ225S - ４三相異步電動(dòng)機(jī)更換為TYE４系列超高效永磁同步電機(jī)，其電動(dòng)機(jī)技術(shù)參數(shù)比較見表６，電機(jī)更換前后電機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)比較見表７。

由表7可知，電流明顯降低，由異步電動(dòng)機(jī)更換為永磁電機(jī)后平均節(jié)電量為6～7ｋＷ·ｈ/ｈ，年運(yùn)行時(shí)間約為5000ｈ，按照電價(jià)0.5元/（ｋＷ·ｈ）計(jì)算， 每年可節(jié)約電費(fèi)約1.75萬元。

４ 結(jié)語

綜上所述，永磁電動(dòng)機(jī)應(yīng)用于水泥工業(yè)中時(shí)，其節(jié)電效果較好，可以推廣。永磁同步電動(dòng)機(jī)具有較好的低轉(zhuǎn)速滿載、長時(shí)間運(yùn)行的優(yōu)勢(shì)，在水泥企業(yè)低于1000ｋＷ低效電動(dòng)機(jī)進(jìn)行改造替換的技術(shù)條件已經(jīng)成熟。變頻器技術(shù)與永磁同步電動(dòng)機(jī)技術(shù)的結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)異步或同步調(diào)速。水泥企業(yè)大型破碎機(jī)、輥壓機(jī)、立磨、風(fēng)機(jī)等低效電動(dòng)機(jī)的改造技術(shù)有待提高，尤其是2000ｋＷ以上永磁直接驅(qū)動(dòng)大轉(zhuǎn)矩煤磨系統(tǒng)電機(jī)設(shè)計(jì)制造技術(shù)已進(jìn)行有效評(píng)估，值得期待。

來源：《長治鋼鐵（集團(tuán)）瑞昌水泥有限公司、首鋼長治鋼鐵有限公司、 山西省建筑材料工業(yè)設(shè)計(jì)研究院》

作者：張曉峰、王永玲、牛建清

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