任繼來，高 嵩，劉永旭，王雪明

(1.中國電力工程顧問集團(tuán)東北電力設(shè)計院有限公司，吉林 長春 130021）（2.中國能源建設(shè)集團(tuán)有限公司工程研究院，北京 100022)

0 引言

隨著我國2030年將實現(xiàn)“碳達(dá)峰”的政策要求。目前以消耗大量煤炭資源，造成環(huán)境污染的火力發(fā)電為主的能源結(jié)構(gòu)型式亟待轉(zhuǎn)型。但我國火電機組數(shù)量眾多，轉(zhuǎn)型尚需假以時日，對現(xiàn)役機組的節(jié)能降耗改造，是滿足日益增長的能源需求、保護(hù)環(huán)境，提高經(jīng)濟效益的友好過渡方式。

制粉系統(tǒng)是火電廠的主要系統(tǒng)之一，而中速磨煤機既是制粉系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，又是鍋爐燃燒系統(tǒng)的重要組成部分，其可靠性和經(jīng)濟性優(yōu)劣直接影響到機組的運行效益。常規(guī)的磨煤機驅(qū)動方式為異步電動機驅(qū)動，主要存在問題是電動機和磨煤機轉(zhuǎn)速難以匹配，從而造成功率因數(shù)低、能量損失大。在火電機組利用小時數(shù)持續(xù)降低的大環(huán)境下，磨煤機在低負(fù)荷運行時高能耗現(xiàn)象尤為突出[1]。

本文所述以永磁同步電動機作為能量轉(zhuǎn)換模塊的永磁調(diào)速驅(qū)動系統(tǒng)，從啟動方式、扭矩傳遞方式、電動機類別上等諸多方面都有別于異步電動機的“機電組合”常規(guī)驅(qū)動系統(tǒng)，是一種新型的調(diào)速驅(qū)動方式。

1 永磁驅(qū)動系統(tǒng)的技術(shù)分析

與永磁同步電動機配套的永磁驅(qū)動系統(tǒng)是一種經(jīng)長期研發(fā)并逐漸推廣的高效節(jié)能技術(shù)方式，近年來在煤礦、化工廠、水泥廠、礦山等工程項目中得以廣泛應(yīng)用，具有較好的節(jié)能效果。

1.1 永磁同步電動機的基本原理

電動機是以磁場為媒介進(jìn)行機械能和電能相互轉(zhuǎn)換的電磁裝置。一般來說，磁場可通過電流感應(yīng)和永磁體兩種方式建立。

永磁同步電動機采用強磁性釹鐵硼永磁體勵磁的方式產(chǎn)生驅(qū)動力，基本不需要無功勵磁電流，可顯著提高功率因數(shù)，減小定子電流和定子電阻損耗[2]；穩(wěn)定運行時，沒有轉(zhuǎn)子電阻損耗，從而使其效率和功率因數(shù)比同規(guī)格的異步電動機要高出很多；另外，在負(fù)載率較低(如30%負(fù)荷)時永磁同步電動機仍可保持較高的效率和功率因數(shù)，節(jié)能效果顯著。

1.2 永磁驅(qū)動系統(tǒng)組成

永磁驅(qū)動系統(tǒng)由三部分構(gòu)成：控制系統(tǒng)、啟動電源、永磁半直驅(qū)電動機。

永磁半直驅(qū)電動機單元為系統(tǒng)動力輸出單元，它由“低速永磁電動機+輸出行星級裝置”組成，其中輸出行星級裝置為一套主齒輪帶動多個副齒輪的傳動裝置，將電動機的動力均勻傳遞到磨輥架體上。永磁半直驅(qū)動系統(tǒng)與異步電動機驅(qū)動系統(tǒng)的“異步電動機+聯(lián)軸器+減速機+輸出行星級裝置”相比結(jié)構(gòu)更為簡單，兩者的結(jié)構(gòu)型式如圖1和圖2所示。從圖中可以看出，永磁電動機和輸出行星級裝置為直接連接的方式，在增加傳動效率同時，減少了軸線連接可能存在的故障點，提高了可靠性。

圖1 永磁驅(qū)動系統(tǒng)

圖2 異步電動機驅(qū)動系統(tǒng)

1.3 永磁驅(qū)動系統(tǒng)特點

1.3.1 優(yōu)越性

1)高效率

通常電動機在驅(qū)動負(fù)載時，幾乎不會滿功率運行，這是由于一方面用戶在電動機選型時，一般是依據(jù)負(fù)載的極限工況來確定電動機功率，而極限工況在實際操作中幾乎難以達(dá)到；同時，為防止在異常工況時電動機燒損電動機，用戶也會給電動機的功率留一定裕量；另一方面，設(shè)計者在設(shè)計電動機時，為保證電動機的可靠性，通常會在用戶要求的功率基礎(chǔ)上，留一定的功率裕量。這樣導(dǎo)致在實際運行過程中，電動機90%以上的時間段工作在額定功率的70%以下。因此正常運行時，電動機通常工作在輕載區(qū)，效率較低。

永磁同步電動機的外特性效率曲線相比異步電動機，其在輕載時效率值要高很多；同時，由于永磁同步電動機的磁場產(chǎn)生于永磁體，從而避免通過勵磁電流來產(chǎn)生磁場而導(dǎo)致的勵磁損耗；此外，永磁電動機的功率因數(shù)不受電動機極數(shù)的影響，因此便于設(shè)計成多極電動機，這樣相比需要配置減速箱的異步電動機，可以做成直驅(qū)系統(tǒng)，從而省去了減速箱，提高了傳動效率。

2)高功率因數(shù)

異步電動機隨著極數(shù)的增加，根據(jù)異步電動機本身的勵磁特點，必然導(dǎo)致功率因數(shù)越來越低，如極數(shù)為8極電動機，其功率因數(shù)通常為0.85左右，極數(shù)越多，相應(yīng)功率因數(shù)更低。即使是功率因數(shù)最高的2極電動機，其功率因數(shù)也難以達(dá)到0.95。

由于永磁同步電動機在設(shè)計時，其功率因數(shù)可以調(diào)節(jié)，甚至可以設(shè)計為功率因數(shù)等于1，且與電動機極數(shù)無關(guān)。

電動機的功率因數(shù)高可以減小電動機電流，使電動機定子銅耗降低，更有利于節(jié)能；高功率因數(shù)也可以使電動機配套電源的容量更低；此外，其他輔助配套設(shè)施如開關(guān)，電纜等規(guī)格可以更小，相應(yīng)系統(tǒng)成本更低；同時，高極數(shù)設(shè)計，相應(yīng)電動機的體積可以做得更小，進(jìn)一步降低材料成本。

1.3.2 局限性

不可否認(rèn)，永磁電動機也有一些缺點，如啟動扭矩較大，需配置額外的啟動裝置；此外，由圖1可知，永磁電動機布置在磨煤機下方，比較異步電動機的布置，其所占空間較小，但檢修方式不靈活，需額外配置軌道和卷揚機等設(shè)施輔助檢修。

1.4 方案對比

通常來說，對于中速磨煤機這類運行負(fù)荷較為穩(wěn)定的設(shè)備，一般不采取變頻調(diào)速的裝置，原因是變頻調(diào)速旨在根據(jù)負(fù)荷變化，從而改變電機轉(zhuǎn)速達(dá)到節(jié)能的效果；對于中速磨煤機而言，一般運行負(fù)荷受限于磨煤機進(jìn)出口壓差和磨煤機出口溫度，前者控制了單臺負(fù)荷的上限值，后者控制負(fù)荷的下限值，因而其正常運行負(fù)荷十分穩(wěn)定，采用變頻裝置的節(jié)能效果并不明顯，且所配備的高壓變頻電機會大幅增加投資。

根據(jù)上述技術(shù)分析，僅將傳統(tǒng)異步電動機驅(qū)動系統(tǒng)和永磁調(diào)速驅(qū)動系統(tǒng)方案比較如表1所示。

表1 傳統(tǒng)異步電動機驅(qū)動系統(tǒng)和永磁調(diào)速驅(qū)動系統(tǒng)方案對比表

2 永磁驅(qū)動系統(tǒng)運行效果分析

下面以某600 MW示范電廠為例，分析其運行可靠性、節(jié)能效果以及經(jīng)濟性。

示范電廠單臺機組設(shè)置6臺中速磨煤機電動機，其中1臺為備用。經(jīng)過技術(shù)改造，磨煤機配套6臺套智能永磁驅(qū)動系統(tǒng)，單段母線下采用一拖三控制，共兩段母線：其中A段母線控制A、B、C三臺磨煤機，B段母線控制D、E、F三臺磨煤機。系統(tǒng)的功能實現(xiàn)方式為：A段母線下變頻切換單元A，與B段母線下的變頻切換單元B互為備用,根據(jù)機組運行工況，實現(xiàn)單一母線下可同時控制6臺磨煤機進(jìn)行變頻啟動、恒速運行、調(diào)速運行以及工頻和變頻切換等功能。 永磁驅(qū)動系統(tǒng)的控制邏輯如圖3所示。

圖3 永磁驅(qū)動系統(tǒng)的控制邏輯簡圖

2.1 可靠性分析

2.1.1 啟動方式

永磁驅(qū)動系統(tǒng)采用變頻軟啟動，啟動時間為60 s，略高于異步電動機硬啟動17 s的啟動時間，但徹底消除硬啟動6～8倍大電流對電動機的損害，同時避免了硬啟動對傳動鏈上各個設(shè)備或模塊的撕裂性沖擊。而且，磨煤機啟動時間可以通過在母線并聯(lián)的方式降低，示范電廠的單段母線上就可以同時啟動6臺磨煤機。

2.1.2 結(jié)構(gòu)及扭矩傳遞

中速磨煤機常規(guī)“機電組合”驅(qū)動系統(tǒng)通常由“異步電動機+高速聯(lián)軸器+直交軸齒輪箱+輸出行星級裝置”組成。

示范電廠應(yīng)用同軸直驅(qū)系統(tǒng)由“低轉(zhuǎn)速大扭矩智能永磁同步電動機+輸出行星級裝置”組成，系統(tǒng)取消了高速聯(lián)軸器、減少了換向傳遞并放大扭矩的直交軸齒輪箱(減速機)，結(jié)構(gòu)更加優(yōu)越，扭矩傳遞方式更加可靠，整個驅(qū)動系統(tǒng)“熵減焓增”特征明顯，系統(tǒng)基本實現(xiàn)免維護(hù)。

2.1.3 可靠性對比

兩類中速磨煤機驅(qū)動系統(tǒng)可靠性對比如表2所示。

表2 中速磨煤機驅(qū)動系統(tǒng)可靠性對比表

2.2 節(jié)能分析

2.2.1 啟動過程

由于驅(qū)動系統(tǒng)采用變頻軟啟動，從而消除電動機額定功率過度冗余，一定程度上緩解了常規(guī)驅(qū)動系統(tǒng)存在的“大馬拉小車”問題，使得磨煤機在啟動過程中可提高5%～7%的效率。

2.2.2 電能轉(zhuǎn)換裝置

示范電廠應(yīng)用的永磁驅(qū)動系統(tǒng)，配備的是能效等級不低于IE3的智能永磁同步電動機，該永磁同步電動機在磨煤機額定出力狀態(tài)下效率比常規(guī)驅(qū)動系統(tǒng)配備的異步電動機高出3.5%～5.5%。

2.2.3 扭矩傳遞方式

常規(guī)驅(qū)動系統(tǒng)所采用的垂直軸螺旋錐傘齒輪副，同時具備扭矩傳遞、換向、放大功能，輸入軸軸承與錐齒輪均高速運行，承受軸向徑向合力；永磁驅(qū)動系統(tǒng)無垂直軸螺旋錐傘齒輪副，縮短驅(qū)動鏈，降低能量傳遞過程中的損失，從而提高驅(qū)動系統(tǒng)效率3.5%～ 4.5%，可延長軸承壽命、提高傳遞效率。

2.2.4 效能對比

通過以上三項措施，該系統(tǒng)在全運行周期過程中，較之常規(guī)驅(qū)動系統(tǒng)，綜合效率提高12%以上。

兩類驅(qū)動系統(tǒng)效能對比如表3所示。

表3 中速磨煤機驅(qū)動系統(tǒng)效能對比表

2.3 實測節(jié)能數(shù)據(jù)

示范電廠600MW機組每臺鍋爐磨煤機配有6臺中速磨煤機，示范應(yīng)用了智能永磁驅(qū)動系統(tǒng)。通過現(xiàn)場調(diào)研，調(diào)取分散控制系統(tǒng)(distributed control system，DCS)錄波數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，其中包含鍋爐的2020年7月的電量報表數(shù)據(jù)，磨煤機給煤量的統(tǒng)計數(shù)據(jù)；電動機的電壓數(shù)據(jù)取自母線電壓二次側(cè)電壓，電流取自電流保護(hù)電流互感器(current transformer，CT)二次側(cè)電流。在去掉最高(A磨，摻燒后煤種差異偏大)和最低(C磨，備用磨煤機)單耗磨進(jìn)行節(jié)電率統(tǒng)計的前提下，在同一摻燒比例下控制基本量相同的給煤量、出口溫度、入口溫度、入口風(fēng)溫、入口風(fēng)壓保持穩(wěn)定，從磨煤機有功功率角度來看，智能永磁驅(qū)動系統(tǒng)較比常規(guī)驅(qū)動系統(tǒng)，綜合節(jié)能12.36%，節(jié)能效果顯著，對比如表4所示。

表4 改造前后驅(qū)動系統(tǒng)數(shù)據(jù)對比表

通過對示范電廠運行情況的了解，自2020年5月28日投運至調(diào)研日2020年12月16日，磨煤機電動機未出現(xiàn)過發(fā)熱、震動情況，驅(qū)動系統(tǒng)運行平穩(wěn)。變頻切換單元經(jīng)受了機組深度調(diào)峰、頻繁啟動等考驗，目前沒有出現(xiàn)啟動困難的情況。

2.4 運行靈活性分析

如今，火電企業(yè)競爭激烈，機組多處于靈活性調(diào)峰的低負(fù)荷運行模式，且煤質(zhì)來源的不穩(wěn)定也會進(jìn)一步造成負(fù)荷波動。永磁驅(qū)動系統(tǒng)可采用以下工作模式：

1)工頻恒速運行模式，通常匹配磨煤機的負(fù)載率50%～100%。

2)降頻降速運行模式，通常匹配磨煤機的負(fù)載率20%～50%。

3)超頻超速運行模式，通常匹配磨煤機的負(fù)載率100%～120%。

該系統(tǒng)所具備的“超頻超速”運行模式，充分提高了磨煤機適應(yīng)物料變換的寬泛性。在磨煤機安全系數(shù)允許范圍內(nèi)，通?？蓪⒛ケP轉(zhuǎn)速提高10%～15%[3]，調(diào)整磨輥壓力，匹配一次風(fēng)量，可將磨煤機額定出力提高8%～12%。

而“降頻降速”運行模式則充分滿足靈活性深度調(diào)峰需求。當(dāng)磨煤機出力大幅度降低時，常規(guī)驅(qū)動系統(tǒng)效率迅速下降，永磁驅(qū)動系統(tǒng)效率基本保持不變，此時節(jié)能效果可達(dá)17%～35%。通過整體降速，從根本上解決由于物料減少、料層變薄而引發(fā)的磨煤機振動問題，更能延長磨盤磨輥的使用壽命，減少大修及更換頻次，節(jié)省大量維修費用。

3 經(jīng)濟性分析

根據(jù)示范電廠改造前后的電動機功率對比和上述技術(shù)分析，節(jié)電收益效果相關(guān)計算如表5所示。

表5 節(jié)電收益效果表(單臺機組)

單段母線下采用一拖三控制(共兩段母線)的形式，平均單臺永磁驅(qū)動系統(tǒng)造價高出常規(guī)驅(qū)動系統(tǒng)約40萬元，6臺永磁同步電動機系統(tǒng)比常規(guī)異步電動機系統(tǒng)高240萬元。

以傳統(tǒng)異步電動機系統(tǒng)為基準(zhǔn)，永磁驅(qū)動系統(tǒng)增量靜態(tài)投資回收期為2.57 a，以10%內(nèi)部收益率計的動態(tài)投資回收期為3.11 a，投資回報率十分良好。

4 結(jié)語

根據(jù)本文所述技術(shù)、經(jīng)濟分析以及實測數(shù)據(jù)，永磁驅(qū)動系統(tǒng)具有調(diào)節(jié)智能、高效、高功率因數(shù)、節(jié)電效果好等諸多優(yōu)點；其軟啟動特效和直聯(lián)驅(qū)動方式增加了系統(tǒng)的可靠性、減少系統(tǒng)損耗、減小了空間占地；同時“超頻超速”和“降頻降速”的運行模式增強了機組適應(yīng)性。一定程度上減少了配套附屬電氣設(shè)備的投資。另外系統(tǒng)靜態(tài)投資回收期小于3 a，經(jīng)濟效益良好。

長期來看，隨著材料研發(fā)逐步推廣、設(shè)計優(yōu)化以及運行操作的標(biāo)準(zhǔn)化，永磁電機的不可逆退磁問題可以得到進(jìn)一步改善。因此從未來發(fā)展趨勢來說，永磁調(diào)速驅(qū)動系統(tǒng)的可靠性、節(jié)能性、靈活性、免維護(hù)特性、投資回報收益率高等特點可以廣泛應(yīng)用的大容量火電機組的磨煤機節(jié)能升級改造，提高電廠運行的經(jīng)濟性，符合國家節(jié)能減排的產(chǎn)業(yè)政策。