350 MW火電機(jī)組磨煤機(jī)永磁同步電機(jī)節(jié)能改造性能分析

王曉楠，呂艷會(huì)

（1.國(guó)電科學(xué)技術(shù)研究院有限公司沈陽(yáng)分公司，遼寧 沈陽(yáng) 110000；2.華晨寶馬汽車有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110000）

0 引 言

為了響應(yīng)國(guó)家環(huán)保政策及節(jié)能降耗的要求，火力發(fā)電企業(yè)已將降低發(fā)電成本做為長(zhǎng)遠(yuǎn)目標(biāo)考慮[1]。各發(fā)電企業(yè)均努力尋求新技術(shù)、新設(shè)備以求提高廠用輔機(jī)運(yùn)行效率、降低廠用電率，從而降低企業(yè)生產(chǎn)成本，提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益和綜合競(jìng)爭(zhēng)能力[2-3]。

在眾多降低廠用輔機(jī)設(shè)備能耗的方法中，采用高效節(jié)能永磁同步電動(dòng)機(jī)效果明顯，用其替換高壓感應(yīng)異步電動(dòng)機(jī)已在火力發(fā)電企業(yè)中得到廣泛應(yīng)用[4-6]。相較于普通異步電動(dòng)機(jī)，高壓永磁同步電動(dòng)機(jī)采用永磁體勵(lì)磁，無(wú)需外部提供勵(lì)磁電流，無(wú)功功率小，在各種負(fù)荷下均能保持較高的功率因數(shù)[7]。永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速無(wú)滑差，無(wú)轉(zhuǎn)子基波鐵耗和銅耗，電機(jī)定子電流相對(duì)較小，進(jìn)而電機(jī)損耗和線路損耗有效降低[8]。同時(shí)，永磁電動(dòng)機(jī)具有高而平的效率特性曲線，能在較為寬泛的負(fù)荷工作區(qū)間內(nèi)保持很高的效率，特別是在低負(fù)載工況下節(jié)能效果更為顯著。

本文以某350 MW火力發(fā)電廠磨煤機(jī)永磁同步電機(jī)改造項(xiàng)目為例，通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比分析，探討永磁同步電機(jī)的節(jié)能效果。

1 試驗(yàn)對(duì)象及試驗(yàn)方法

某火力發(fā)電廠設(shè)計(jì)為2臺(tái)350 MW機(jī)組，1號(hào)機(jī)組1B磨煤機(jī)電機(jī)采用普通異步電動(dòng)機(jī)，2號(hào)機(jī)組2B磨煤機(jī)經(jīng)改造，將原異步電動(dòng)機(jī)更換為永磁同步電機(jī)。兩種電動(dòng)機(jī)參數(shù)如表1所示。

表1 磨煤機(jī)電機(jī)技術(shù)參數(shù)

試驗(yàn)過(guò)程中保持兩臺(tái)機(jī)組運(yùn)行工況相同。在某一典型工況下磨煤機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行，分別考察異步電機(jī)和永磁同步電機(jī)的運(yùn)行情況。期間保持給煤量不變，監(jiān)測(cè)磨煤機(jī)給煤量、分離器出口擋板開(kāi)度、磨煤機(jī)出口風(fēng)壓及電機(jī)溫度等參數(shù)。利用功率分析儀，記錄電機(jī)電壓、電流信號(hào)，計(jì)算出相應(yīng)的有功功率、無(wú)功功率和功率因數(shù)等參數(shù)。同時(shí)測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)速，進(jìn)行風(fēng)機(jī)功率 修正。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

記錄4個(gè)典型工況下的運(yùn)行參數(shù)，分別對(duì)應(yīng)給煤量30 t/h、40 t/h、50 t/h及55 t/h。每個(gè)工況下穩(wěn)定運(yùn)行1 h，持續(xù)記錄運(yùn)行數(shù)據(jù)，計(jì)算該時(shí)間內(nèi)各參數(shù)的平均值，如表2所示。

由表2可見(jiàn)，磨煤機(jī)在相同工況下給煤量基本保持一致，永磁電機(jī)運(yùn)行電流明顯小于異步電機(jī)，且功率因數(shù)始終維持在0.9以上的較高水平，明顯高于異步電機(jī)。功率方面，永磁同步電機(jī)平均有功功率始終低于異步電機(jī)，消耗的電能較少。相比兩者所需無(wú)功功率，永磁同步電機(jī)優(yōu)勢(shì)更為明顯，異步電機(jī)運(yùn)行需要大量無(wú)功功率，而永磁同步電機(jī)則基本沒(méi)有無(wú)功功率需求。

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出不同工況下兩種電機(jī)功率因數(shù)及電機(jī)效率曲線，如圖1、圖2所示。

表2 磨煤機(jī)電機(jī)運(yùn)行參數(shù)

圖1 磨煤機(jī)電機(jī)功率因數(shù)對(duì)比曲線

圖2 磨煤機(jī)電機(jī)效率對(duì)比曲線

由圖1可知，異步電機(jī)運(yùn)行效率在低負(fù)荷時(shí)處于較低水平，只有50%左右，直至約80%負(fù)荷時(shí)才達(dá)到較高水平。而永磁同步電機(jī)在低負(fù)荷區(qū)間就能夠在高功率因數(shù)下運(yùn)行，已接近額定參數(shù)水平。由圖2可知，異步電機(jī)在低負(fù)荷下效率較低，相比之下永磁同步電機(jī)在輕載時(shí)也能保持較高的電機(jī)效率，兩者之間的差距在此工況下最為明顯。對(duì)比兩種電動(dòng)機(jī)在不同工況下的電機(jī)電流，如圖3所示。

在相同負(fù)荷下，永磁電機(jī)的定子電流明顯更低，僅為異步電機(jī)的40%～60%，且在低負(fù)荷區(qū)間電流降低比率較大。由于電機(jī)電流的有效降低，定子損耗也隨之降低，這也是永磁電機(jī)高效節(jié)能的原因之一。

圖3 磨煤機(jī)電機(jī)定子電流對(duì)比曲線

計(jì)算各工況下試驗(yàn)起止時(shí)間段內(nèi)消耗的電量值，將其折算至每小時(shí)的電量值。同時(shí)依據(jù)公式計(jì)算永磁電機(jī)綜合節(jié)電率，結(jié)果如表3所示。

其中：WAM為異步電動(dòng)機(jī)的有功電量；WPMSM為永磁同步電機(jī)的有功電量；QAM為異步電動(dòng)機(jī)的無(wú)功電量；QPMSM為永磁同步電機(jī)的有功電量；KQ為無(wú)功經(jīng)濟(jì)當(dāng)量，電動(dòng)機(jī)電源由發(fā)變組高廠變提供，KQ取0.06。

由表3可知，永磁電機(jī)在30 t/h負(fù)荷階段，節(jié)約有功電量12.5%；在40 t/h負(fù)荷階段，節(jié)約有功電量5.77%；在50 t/h負(fù)荷階段，節(jié)約有功電量7.32%；在55 t/h負(fù)荷階段，節(jié)約有功電量6.91%，節(jié)能效果明顯。

無(wú)功方面，異步電機(jī)為電網(wǎng)中無(wú)功功率的主要消耗者，而永磁同步電機(jī)運(yùn)行中無(wú)無(wú)功損耗，減少了大量的無(wú)功功率損耗。無(wú)功功率損耗的減小，相關(guān)設(shè)備及轉(zhuǎn)子損耗也隨之減小，同時(shí)提高了電壓水平，提高了系統(tǒng)功率因數(shù)及系統(tǒng)設(shè)備用電效率。

表3 磨煤機(jī)電機(jī)運(yùn)行參數(shù)

3 結(jié) 論

根據(jù)磨煤機(jī)更換為高壓永磁同步電機(jī)后對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，永磁同步電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定，較之異步電機(jī)具有更大的轉(zhuǎn)矩，具有更高的功率因數(shù)、更小的損耗等優(yōu)點(diǎn)。在不同工況下，永磁同步電機(jī)有功功率損耗小，無(wú)功功率基本無(wú)損耗，功率因數(shù)及運(yùn)行效率均明顯高于異步電機(jī)，尤其在中、低負(fù)荷工況下節(jié)能效果更為明顯。改造后電能損耗大大減少，用電效率提高，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益。