傳統(tǒng)粉磨驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的減速機(jī)在偏載和沖擊載荷工況下運(yùn)行，存在故障率高、傳遞效率低、運(yùn)行和維護(hù)成本高等重大缺陷。為解決上述問(wèn)題，唐山某公司采用高效永磁和重載變頻驅(qū)動(dòng)技術(shù)，基于粉磨各種運(yùn)行工況，研制出2MW大功率永磁直驅(qū)系統(tǒng)，并成功應(yīng)用到了集團(tuán)某公司水泥粉預(yù)磨系統(tǒng)中。此系統(tǒng)自2015年帶料試車(chē)后，滿(mǎn)載連續(xù)運(yùn)行至今，各狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)值正常，項(xiàng)目實(shí)施達(dá)到了預(yù)期效果。

一、改造方案

1 .1 技術(shù)方案

立式粉磨直驅(qū)系統(tǒng)采用永磁直驅(qū)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)立磨磨盤(pán)，取代由異步電動(dòng)機(jī)和減速機(jī)組成的傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，同時(shí)取消了異步電動(dòng)機(jī)的潤(rùn)滑油站、水電阻柜等。改造后的直驅(qū)系統(tǒng)是一個(gè)個(gè)性化設(shè)計(jì)、 智能化運(yùn)行的柔性驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其特點(diǎn):

（1）驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)去掉了減速機(jī)，發(fā)生了結(jié)構(gòu)性變化。獨(dú)創(chuàng)的立磨直驅(qū)系統(tǒng)技術(shù)在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中去掉了減速機(jī)，徹底解決了水泥行業(yè)長(zhǎng)期存在的故障率高、運(yùn)維成本高等重大難題，為粉磨技術(shù)節(jié)能降耗提供最佳技術(shù)路徑。

（2）可調(diào)速控制系統(tǒng)。立磨采用具有調(diào)速功能的直驅(qū)系統(tǒng)，可以根據(jù)原料特性、摻加輔料特性的變化實(shí)現(xiàn)個(gè)性,化設(shè)計(jì)，還可以消除季節(jié)變化、耐磨件磨損等造成的不利影響，始終運(yùn)行在最佳狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)系統(tǒng)智能化運(yùn)行。

1.2 改造前設(shè)備情況

水泥預(yù)粉磨系統(tǒng)改造前，繞線(xiàn)異步電機(jī)參數(shù):型號(hào)YRKK710-6；額定功率2240kW；定子電壓 6 000 V;定子電流2633A；轉(zhuǎn)子電壓1872V；轉(zhuǎn)子電流736A；額定頻率50Hz；額定轉(zhuǎn)速993r/min；絕緣等級(jí)為F級(jí)，功率因數(shù)0.86；啟動(dòng)方式為水電阻；冷卻方式為IC61。減速機(jī)參 數(shù):型 號(hào)JLP220；輸 入功2300kW; 輸入轉(zhuǎn)速994r/min;速比為29.76∶1。

1.3 設(shè)備選型

1.3.1 永磁直驅(qū)電機(jī)

改造后永磁電機(jī)為低速低頻電機(jī)，額定轉(zhuǎn)速33.5r/min，直接匹配粉磨轉(zhuǎn)速，額定頻率20.1 Hz，啟動(dòng)方式為變頻啟動(dòng);電機(jī)定子為貼壁結(jié)構(gòu)，整體浸漆，有加強(qiáng)支撐的作用；電機(jī)轉(zhuǎn)子為永磁結(jié)構(gòu)，電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能更可靠；電機(jī)采用機(jī)殼強(qiáng)制水冷，在水泥生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件下，保證電機(jī)內(nèi)部清潔，提高電機(jī)壽命。

根據(jù)改造前設(shè)備參數(shù)及水泥預(yù)粉磨系統(tǒng)要求，設(shè)計(jì)永磁直驅(qū)電機(jī)結(jié)構(gòu)及電磁性能，永磁直驅(qū)電機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù):型號(hào) TYC2000-72；額定功率2000kW;電壓6 000 V;電流210A;額定頻率20.1Hz;額定轉(zhuǎn)速33.5r/min；絕緣等級(jí)為F級(jí)；功率因數(shù)0.96；啟動(dòng)方式為變頻驅(qū)動(dòng)；冷卻方式為水冷。

電機(jī)為立式結(jié)構(gòu)如圖1所示。機(jī)座與推力軸承組成支撐體系，推力軸承是電機(jī)的一部分，位于電機(jī)上部。推力軸承為靜壓結(jié)構(gòu)，稀油潤(rùn)滑，采用重力回油方式，大大減少了潤(rùn)滑油成本。

1.3.2 變頻控制系統(tǒng)

變頻驅(qū)動(dòng)裝置作為永磁電動(dòng)機(jī)的低頻電源，使系統(tǒng)具有軟啟動(dòng)功能。完美無(wú)諧波高壓變頻采 用若干個(gè)低壓PWM變頻功率單元串聯(lián)的方式實(shí)現(xiàn)直接高壓輸出。重載變頻驅(qū)動(dòng)裝置如圖2所示。

6kV電壓等級(jí)采用３6脈沖的整流電路結(jié)構(gòu)，輸入電流波形接近正弦波。由于輸入電流諧波失真很低，變頻驅(qū)動(dòng)裝置輸入的綜合因數(shù)可達(dá)到0.95以上。根據(jù)水泥預(yù)粉磨轉(zhuǎn)速及永磁電機(jī)特性，考慮水泥磨過(guò)載等因素，變頻器選型為2300kW電壓源型完美無(wú)諧波變頻器，其技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

由15組巴氏合金可傾式靜壓推力瓦和鍛鋼鏡板構(gòu)成，用于承受立磨的軸向動(dòng)、靜載荷。裝配后任意一組瓦間的高度差不超過(guò)0.03mm， 并做可追溯性標(biāo)識(shí)；安裝到推力軸承箱體上后需作研刮處理，負(fù)荷承載工作瓦面每平方厘米內(nèi)應(yīng)有1~3個(gè)接觸點(diǎn)，局部接觸面積每處不應(yīng)大于瓦面的2%，但最大不超過(guò)16cm2，其總和不應(yīng)超過(guò)瓦面的 5%。

此次改造中，推力軸承配備的高低壓供油系統(tǒng)仍使用原減速機(jī)的XGD-C200/6 00(Ⅱ)型潤(rùn)滑裝置，除了高壓油出口由16路改為15路外，其他無(wú)實(shí)質(zhì)性改動(dòng)。推力軸承結(jié)構(gòu)如圖3所示。

二、項(xiàng)目實(shí)施

2.1 項(xiàng)目組織

2014年初，開(kāi)始項(xiàng)目前期的測(cè)繪調(diào)研工作，主要調(diào)研內(nèi)容：磨機(jī)需要的研磨功率、磨盤(pán)轉(zhuǎn)速、電力系統(tǒng)電壓等級(jí)、磨機(jī)下部的安裝空間、設(shè)備安裝機(jī)械電氣接口、振動(dòng)源及其分布、歷史生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)、傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)備在運(yùn)行中出現(xiàn)的問(wèn)題、生產(chǎn)工藝對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的要求等。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)空間核算， 完成永磁直驅(qū)電機(jī)的外形和定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，分析原系統(tǒng)歷史運(yùn)行參數(shù)等相關(guān)數(shù)據(jù)選型配套的重載變頻驅(qū)動(dòng)裝置。歷時(shí)４個(gè)半月完成設(shè)備材料采購(gòu)和電機(jī)生產(chǎn)制造。

2.2 安裝調(diào)試

安裝前要完成吊車(chē)布置、安裝材料進(jìn)場(chǎng)、設(shè)計(jì)圖紙與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際核對(duì)等前期準(zhǔn)備工作。根據(jù)永磁直驅(qū)電機(jī)安裝要求，改造安裝底座和潤(rùn)滑油站、接引冷卻用水。同時(shí)，完成變頻驅(qū)動(dòng)裝置就位固定及電氣接線(xiàn)。永磁直驅(qū)電機(jī)就位后，用2500V兆歐表測(cè)試其絕緣性能。安裝完成后的直驅(qū)立磨如圖4所示。

所有安裝工作完成后，對(duì)其進(jìn)行檢查，包括新安裝設(shè)備的機(jī)械電氣接口，正常運(yùn)行所需的冷卻、潤(rùn)滑條件，磨機(jī)系統(tǒng)中的其他相關(guān)設(shè)備等。檢查完畢，各崗位人員就位，開(kāi)始直驅(qū)系統(tǒng)調(diào)試工作。

試運(yùn)行時(shí)，先帶磨盤(pán)空轉(zhuǎn)，監(jiān)測(cè)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的相關(guān)溫度、冷卻水流量?jī)x表顯示是否正常，直驅(qū)控制系統(tǒng)與DCS系統(tǒng)的聯(lián)鎖控制保護(hù)是否正確等。然后分50%、80%和滿(mǎn)載三個(gè)階段帶載調(diào)試，每階段運(yùn)行至少半小時(shí)，檢查機(jī)械部分以及各監(jiān)測(cè)參數(shù)是否正常。帶滿(mǎn)載后連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行72h，對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性及設(shè)備可靠性進(jìn)行考核。

2.3 遇到問(wèn)題

（1）電機(jī)繞組溫度偏高。

問(wèn)題描述：永磁直驅(qū)電機(jī)選用了機(jī)殼水冷方案，安裝在封閉廠(chǎng)房?jī)?nèi)；由于現(xiàn)場(chǎng)冷卻水溫度夏天最高時(shí)達(dá)到36℃，且水泥工序位于冷卻水系統(tǒng)的末梢，電機(jī)冷卻水量小；封閉廠(chǎng)房?jī)?nèi)空氣流通較差，室內(nèi)溫度夏天最高時(shí)達(dá)到41℃；水泥的生產(chǎn)根據(jù)銷(xiāo)售情況時(shí)緊時(shí)松，特別緊張時(shí)磨機(jī)甚至超負(fù)荷運(yùn)行。以上情況導(dǎo)致電機(jī)繞組溫度在夏天時(shí)最高達(dá)到120 ℃。

解決方案：將冷卻水系統(tǒng)的備用泵開(kāi)啟，增加水量；增加輔助風(fēng)冷，加強(qiáng)電機(jī)散熱效果。

效果：磨機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，電機(jī)繞組溫度可穩(wěn)定在108 ℃長(zhǎng)期運(yùn)行，對(duì)于F級(jí)絕緣的電機(jī)來(lái)說(shuō)，此溫度可保證整個(gè)壽命期內(nèi)的電機(jī)安全性。

（2）推力軸承無(wú)法實(shí)現(xiàn)重力回油。

推力軸承本身設(shè)計(jì)的是重力回油，但是在運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)回油口太小，回油量不夠，無(wú)法實(shí)現(xiàn)重力回油。為了不耽誤生產(chǎn)，采用了主動(dòng)回油方案，臨時(shí)增加了回油泵。

經(jīng)過(guò)分析計(jì)算和評(píng)估，從推力軸承箱壁上的觀(guān)察窗接引了一路回油，重力回油問(wèn)題得以解決，油位也能保持在設(shè)計(jì)要求的高度，不影響推力軸承的軸承運(yùn)行。

三、改造效果

3.1 實(shí)施效果

從水泥磨系統(tǒng)和永磁直驅(qū)系統(tǒng)的多年運(yùn)行情況來(lái)看，與傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)相比，永磁直驅(qū)系統(tǒng)組成設(shè)備少，傳動(dòng)環(huán)節(jié)減少，設(shè)備故障率低，可靠性提高;永磁直驅(qū)系統(tǒng)中永磁電機(jī)和變頻器效率都高達(dá)95%以上，改造后整套系統(tǒng)效率大幅提高；減少了減速機(jī)及其附屬設(shè)備，運(yùn)行維護(hù)成本降低；采用變頻調(diào)速系統(tǒng)，主機(jī)設(shè)備操作靈活，適應(yīng)各種工況。直驅(qū)控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)磨盤(pán)轉(zhuǎn)速勻速提升啟機(jī)過(guò)程；中磨盤(pán)出料均勻增加，消除了對(duì)立磨循環(huán)斗提機(jī)的沖擊。

3.2 經(jīng)濟(jì)效益

（1）節(jié)電效果明顯。兩種驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。與采用原驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的A立磨運(yùn)行相比，B立磨采用直驅(qū)系統(tǒng)后節(jié)電率約為9.6%，按全年產(chǎn)能100萬(wàn)t水泥計(jì)算，年均節(jié)約電費(fèi)約50萬(wàn)元。

（2）運(yùn)維成本降低。與原系統(tǒng)相比，由于沒(méi)有了減速機(jī)，年可直接節(jié)省減速機(jī)維修費(fèi)和備件費(fèi)約４0萬(wàn)元。而且，由于直驅(qū)系統(tǒng)所需潤(rùn)滑油量比原系統(tǒng)少，減少了一臺(tái)潤(rùn)滑油站，相應(yīng)的潤(rùn)滑油消耗和輔助電耗都大幅減少。

此改造項(xiàng)目年均節(jié)約運(yùn)行和維護(hù)成本合計(jì)100多萬(wàn)元。

四、整體評(píng)價(jià)

建材行業(yè)專(zhuān)家對(duì)此改造項(xiàng)目的評(píng)價(jià)為“永磁直驅(qū)技術(shù)在國(guó)內(nèi)外水泥立磨上首次設(shè)計(jì)應(yīng)用，技術(shù)達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。對(duì)提高水泥生產(chǎn)效率、節(jié)能減排、清潔生產(chǎn)等效果顯著。該技術(shù)符合國(guó)家節(jié)能減排政策，對(duì)水泥行業(yè)技術(shù)進(jìn)步具有重要的示范作用。”同時(shí)，永磁直驅(qū)系統(tǒng)的可調(diào)速特性，打破了傳統(tǒng)立磨驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)定速運(yùn)行模式，為高效節(jié)能粉磨技術(shù)未來(lái)發(fā)展提供了良好的技術(shù)支撐。

來(lái)源：《陜西北元集團(tuán)水泥有限公司》

作者：薛錦衛(wèi)，賀喜貴

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