火電廠中速磨永磁調速驅動系統(tǒng)的應用和分析

任繼來，高 嵩，劉永旭，王雪明

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

0 引言

隨著我國2030年將實現“碳達峰”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)電為主的能源結構型式亟待轉型。但我國火電機組數量眾多，轉型尚需假以時日，對現役機組的節(jié)能降耗改造，是滿足日益增長的能源需求、保護環(huán)境，提高經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)的關鍵設備，又是鍋爐燃燒系統(tǒng)的重要組成部分，其可靠性和經濟性優(yōu)劣直接影響到機組的運行效益。常規(guī)的磨煤機驅動方式為異步電動機驅動，主要存在問題是電動機和磨煤機轉速難以匹配，從而造成功率因數低、能量損失大。在火電機組利用小時數持續(xù)降低的大環(huán)境下，磨煤機在低負荷運行時高能耗現象尤為突出[1]。

本文所述以永磁同步電動機作為能量轉換模塊的永磁調速驅動系統(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)驅動系統(tǒng)，是一種新型的調速驅動方式。

1 永磁驅動系統(tǒng)的技術分析

與永磁同步電動機配套的永磁驅動系統(tǒng)是一種經長期研發(fā)并逐漸推廣的高效節(jié)能技術方式，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行機械能和電能相互轉換的電磁裝置。一般來說，磁場可通過電流感應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生驅動力，基本不需要無功勵磁電流，可顯著提高功率因數，減小定子電流和定子電阻損耗[2]；穩(wěn)定運行時，沒有轉子電阻損耗，從而使其效率和功率因數比同規(guī)格的異步電動機要高出很多；另外，在負載率較低(如30%負荷)時永磁同步電動機仍可保持較高的效率和功率因數，節(jié)能效果顯著。

1.2 永磁驅動系統(tǒng)組成

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

永磁半直驅電動機單元為系統(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。永磁半直驅動系統(tǒng)與異步電動機驅動系統(tǒng)的“異步電動機+聯(lián)軸器+減速機+輸出行星級裝置”相比結構更為簡單，兩者的結構型式如圖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 永磁驅動系統(tǒng)

圖2 異步電動機驅動系統(tǒng)

1.3 永磁驅動系統(tǒng)特點

1.3.1 優(yōu)越性

1)高效率

通常電動機在驅動負載時，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，一般是依據負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，設計者在設計電動機時，為保證電動機的可靠性，通常會在用戶要求的功率基礎上，留一定的功率裕量。這樣導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生于永磁體，從而避免通過勵磁電流來產生磁場而導致的勵磁損耗；此外，永磁電動機的功率因數不受電動機極數的影響，因此便于設計成多極電動機，這樣相比需要配置減速箱的異步電動機，可以做成直驅系統(tǒng)，從而省去了減速箱，提高了傳動效率。

2)高功率因數

異步電動機隨著極數的增加，根據異步電動機本身的勵磁特點，必然導致功率因數越來越低，如極數為8極電動機，其功率因數通常為0.85左右，極數越多，相應功率因數更低。即使是功率因數最高的2極電動機，其功率因數也難以達到0.95。

由于永磁同步電動機在設計時，其功率因數可以調節(jié)，甚至可以設計為功率因數等于1，且與電動機極數無關。

電動機的功率因數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，其他輔助配套設施如開關，電纜等規(guī)格可以更小，相應系統(tǒng)成本更低；同時，高極數設計，相應電動機的體積可以做得更小，進一步降低材料成本。

1.3.2 局限性

不可否認，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荷較為穩(wěn)定的設備，一般不采取變頻調速的裝置，原因是變頻調速旨在根據負荷變化，從而改變電機轉速達到節(jié)能的效果；對于中速磨煤機而言，一般運行負荷受限于磨煤機進出口壓差和磨煤機出口溫度，前者控制了單臺負荷的上限值，后者控制負荷的下限值，因而其正常運行負荷十分穩(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。

根據上述技術分析，僅將傳統(tǒng)異步電動機驅動系統(tǒng)和永磁調速驅動系統(tǒng)方案比較如表1所示。

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

2 永磁驅動系統(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)能效果以及經濟性。

示范電廠單臺機組設置6臺中速磨煤機電動機，其中1臺為備用。經過技術改造，磨煤機配套6臺套智能永磁驅動系統(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,根據機組運行工況，實現單一母線下可同時控制6臺磨煤機進行變頻啟動、恒速運行、調速運行以及工頻和變頻切換等功能。 永磁驅動系統(tǒng)的控制邏輯如圖3所示。

圖3 永磁驅動系統(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 結構及扭矩傳遞

中速磨煤機常規(guī)“機電組合”驅動系統(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。

示范電廠應用同軸直驅系統(tǒng)由“低轉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)，結構更加優(yōu)越，扭矩傳遞方式更加可靠，整個驅動系統(tǒng)“熵減焓增”特征明顯，系統(tǒng)基本實現免維護。

2.1.3 可靠性對比

兩類中速磨煤機驅動系統(tǒng)可靠性對比如表2所示。

表2 中速磨煤機驅動系統(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 電能轉換裝置

示范電廠應用的永磁驅動系統(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；永磁驅動系統(tǒng)無垂直軸螺旋錐傘齒輪副，縮短驅動鏈，降低能量傳遞過程中的損失，從而提高驅動系統(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)驅動系統(tǒng)，綜合效率提高12%以上。

兩類驅動系統(tǒng)效能對比如表3所示。

表3 中速磨煤機驅動系統(tǒng)效能對比表

2.3 實測節(jié)能數據

示范電廠600MW機組每臺鍋爐磨煤機配有6臺中速磨煤機，示范應用了智能永磁驅動系統(tǒng)。通過現場調研，調取分散控制系統(tǒng)(distributed control system，DCS)錄波數據進行數據采集，其中包含鍋爐的2020年7月的電量報表數據，磨煤機給煤量的統(tǒng)計數據；電動機的電壓數據取自母線電壓二次側電壓，電流取自電流保護電流互感器(current transformer，CT)二次側電流。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、入口風溫、入口風壓保持穩(wěn)定，從磨煤機有功功率角度來看，智能永磁驅動系統(tǒng)較比常規(guī)驅動系統(tǒng)，綜合節(jié)能12.36%，節(jié)能效果顯著，對比如表4所示。

表4 改造前后驅動系統(tǒng)數據對比表

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

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峰的低負荷運行模式，且煤質來源的不穩(wěn)定也會進一步造成負荷波動。永磁驅動系統(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載率50%～100%。

2)降頻降速運行模式，通常匹配磨煤機的負載率20%～50%。

3)超頻超速運行模式，通常匹配磨煤機的負載率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物料變換的寬泛性。在磨煤機安全系數允許范圍內，通常可將磨盤轉速提高10%～15%[3]，調整磨輥壓力，匹配一次風量，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峰需求。當磨煤機出力大幅度降低時，常規(guī)驅動系統(tǒng)效率迅速下降，永磁驅動系統(tǒng)效率基本保持不變，此時節(jié)能效果可達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 經濟性分析

根據示范電廠改造前后的電動機功率對比和上述技術分析，節(jié)電收益效果相關計算如表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，平均單臺永磁驅動系統(tǒng)造價高出常規(guī)驅動系統(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，永磁驅動系統(tǒng)增量靜態(tài)投資回收期為2.57 a，以10%內部收益率計的動態(tài)投資回收期為3.11 a，投資回報率十分良好。

4 結語

根據本文所述技術、經濟分析以及實測數據，永磁驅動系統(tǒng)具有調節(jié)智能、高效、高功率因數、節(jié)電效果好等諸多優(yōu)點；其軟啟動特效和直聯(lián)驅動方式增加了系統(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性。一定程度上減少了配套附屬電氣設備的投資。另外系統(tǒng)靜態(tài)投資回收期小于3 a，經濟效益良好。

長期來看，隨著材料研發(fā)逐步推廣、設計優(yōu)化以及運行操作的標準化，永磁電機的不可逆退磁問題可以得到進一步改善。因此從未來發(fā)展趨勢來說，永磁調速驅動系統(tǒng)的可靠性、節(jié)能性、靈活性、免維護特性、投資回報收益率高等特點可以廣泛應用的大容量火電機組的磨煤機節(jié)能升級改造，提高電廠運行的經濟性，符合國家節(jié)能減排的產業(yè)政策。