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技術 | 永磁同步電動機在水泥工業節電中的應用

來源:《長治鋼鐵(集團)瑞昌水泥有限公司、首鋼長治鋼鐵有限公司、 山西省建築材料工業設計研究院》 發布日期:2019/9/17 編輯:徐展迪
核心提示:永磁同步電動機在水泥工業節電中的應用

水泥行業是國家六大耗電行業之一,近幾年來采用變頻調速和高效節能電機已成為提高電機運行效率的重要途徑。以某廠5000t/d新型幹法水泥熟料生産線為例,熟料生産用電設備分為主要用電設備與輔助用電設備,其主要用電設備有礦山開采、 生料制備、熟料燒成、水泥制成、水泥散裝/包裝發運等主要生産工序,輔助用電設備有餘熱發電、協同處置、脫硝工程、機電維修等輔助系統,約有電動機1200台,總裝機功率近6.0萬kW。


大部分設備是二十四小時連續工作,工作負荷相對穩定,運轉率較高。永磁同步電動機主要應用于水泥企業中的風機與泵、球磨機、輸送設備、選粉機、輥壓機等。本文主要介紹永磁同步電動機應用于水泥企業煤磨系統和膠帶輸送系統技術改造後的節電效果。


1 永磁同步電動機的特點


永磁同步電動機具有結構簡單、體積小、損耗低、效率高等特點,與直流電機相比,其無直流電機換向器和電刷長期連續工作處于空載或輕載狀态, 對換向器和碳刷易造成傷害等缺點,與異步電動機相比,不需要無功勵磁電流,效率高,力矩慣量比大, 定子電流和定子電阻損耗較小,轉子參數可測、可控制性能好;與普通同步電動機相比,因無勵磁裝置, 結構簡化,效率得到了提高。永磁同步電動機可替代三相異步電機,其節能效果顯著,在目前水泥工業已被優先選用。


永磁同步電機的定子結構和異步電動機的定子基本相同,轉子由永磁體、導磁轭和轉軸組成。其中永磁體貼在導磁轭上,導磁轭為圓筒形,套在轉軸上。永磁同步電機結構如圖1所示。

2 永磁同步電機在煤磨系統中的應用


2.1 煤磨系統主電機改造情況


某水泥企業煤磨系統原采用異步電機 - 減速機 - 小齒輪 - 大齒輪模式來驅動回轉部,由于異步電機和減速機的效率比較低,并且存在着故障、漏油頻發等一系列維修問題,嚴重影響了生産成本與效益。 于2016年9月對兩台煤磨系統用主電機進行改造, 采用永磁同步電機直接驅動球磨機小齒輪來運轉。


原500kW異步電機驅動系統按最大負荷原則選取,在實際運行中負載率較低,由于永磁電機可實現低速大轉矩的驅動,使電機的最大轉矩提高。同時,永磁電機在低負載率時具有高效率和高功率因數特點,符合球磨機的運作需求。永磁直接驅動系統與常規異步電機驅動系統的主要運行參數比較見表 1,主要性能評價參數比較見表 2。


由表2可知,異步電機的效率和功率因數随負載率的降低而降低,而永磁電機的效率和功率因數幾乎不變。


2.2永磁直接驅動煤磨系統節能分析


經對煤磨系統運行時進行測量,異步電機運行電流為30~31A,電機功率為408~422kW,計算時按照平均運行功率為420kW,每天運行時間為24h,年運行天數為330d,電費按0.5元/(kW·h)進行計算,其中未計算因功率因數提高節省的無功補償費用,則煤磨系統主電機改造的節能潛力分析見表 3。

煤磨系統主電機改造前平均耗電情況見表4, 煤磨系統主電機改造後一個月電耗統計數據見表5。結合表4、表5 可知,改造後單位煤粉的粉磨電耗從26.54kW·h/t 降至22.82kW·h/t,節電率達14% 。如按磨機台時産量17.75t計算,較改造節約66.03kW·h/t,若按2015年煤粉制備總量10.70萬t計算,年節電量約為39.8萬kW·h,折合電費約為19.9萬元。


2.3粉磨系統主電機改造經濟效益分析


本改造項目初期投資約60萬元,年綜合節電率為15.03% ,年節約費用為22.2萬元,三年可回收成本。具體如下:


(1)年節電量約為39.8萬kW·h,折合電費約為19.9萬元。

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

(3)永磁直接驅動電機機械結構簡單,沒有減速機、減速機稀油站、慢轉電機等設備,節約減速機及減速機油站備件、油品消耗費用0.8萬元/年。

(4)減少設備維護的勞動投入,同時降低工作人員的勞動強度。

(5)永磁直接驅動電機功率因數為0.95,遠高于原異步電機的0.83。經計算,直接驅動電機變頻器輸入側功率因數為0.99,供電變壓器二次低壓側功率因數不需要電容補償既可滿足要求,又可節約成本,節省采購電容一次性支出費用3萬元,平均每年可節省1萬元。


3 永磁電機在膠帶輸送系統中的應用


傳統的帶式輸送機驅動系統均采用異步電動機,經液力偶合器、減速器将動力傳給滾筒帶動皮帶運動,此種傳統的傳動方式存在明顯的缺點:驅動系統耗能高,啟動不平穩,負荷較重時啟動困難等,這直接影響着系統的整體效率。采用無齒輪永磁同步電機變頻驅動方式,整個驅動系統具有高效節能、噪聲低、維護少、輸出轉矩大,啟動平穩,結構緊湊,體積小,質量輕等優點。


某企業水泥調配庫底輸送皮帶機用電機于2016年 11月16日由三相異步電動機更換為永磁同步電機,即将Y225S - 4三相異步電動機更換為TYE4系列超高效永磁同步電機,其電動機技術參數比較見表6,電機更換前後電機運行數據比較見表7。


由表7可知,電流明顯降低,由異步電動機更換為永磁電機後平均節電量為6~7kW·h/h,年運行時間約為5000h,按照電價0.5元/(kW·h)計算, 每年可節約電費約1.75萬元。



4 結語


綜上所述,永磁電動機應用于水泥工業中時,其節電效果較好,可以推廣。永磁同步電動機具有較好的低轉速滿載、長時間運行的優勢,在水泥企業低于1000kW低效電動機進行改造替換的技術條件已經成熟。變頻器技術與永磁同步電動機技術的結合,可以實現異步或同步調速。水泥企業大型破碎機、輥壓機、立磨、風機等低效電動機的改造技術有待提高,尤其是2000kW以上永磁直接驅動大轉矩煤磨系統電機設計制造技術已進行有效評估,值得期待。


來源:《長治鋼鐵(集團)瑞昌水泥有限公司、首鋼長治鋼鐵有限公司、 山西省建築材料工業設計研究院》


作者:張曉峰、王永玲、牛建清


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