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    低速大扭矩永磁直驅(qū)系統(tǒng)在火電廠鋼球磨煤機(jī)的應(yīng)用

    2018-03-13 10:25:55李志剛朱躍華
    山西電力 2018年1期
    關(guān)鍵詞:異步電機(jī)球磨機(jī)鋼球

    李志剛,郭 航,朱躍華

    (山西趙莊鑫光發(fā)電有限公司,山西長治 046600)

    0 引言

    發(fā)電廠輔機(jī)電動機(jī)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行,直接關(guān)系到廠用電率的高低。隨著電力供給側(cè)改革的不斷深化,以及競價上網(wǎng)等政策的逐步實施,降低廠用電率,減少發(fā)電成本,提高電價競爭力,節(jié)能降耗已成為各發(fā)電廠努力追求的目標(biāo)。在以低熱值煤或貧瘦煤、無煙煤為燃料的電廠,因燃煤硬度高,可磨系數(shù)低,多采用低速鋼球磨。這種磨煤機(jī)煤種適應(yīng)性好,但其重載工況而引起的高廠用電率、高損耗、噪音大的問題日益突出。以MGS4766型雙進(jìn)雙出鋼球磨煤機(jī)為例,分析不同驅(qū)動形式的特點(diǎn)。

    1 MGS4766型雙進(jìn)雙出磨煤機(jī)工作原理及異步電機(jī)驅(qū)動方式介紹

    該型磨煤機(jī)主要工作原理是:原煤通過給煤機(jī)從料斗卸下進(jìn)入混料箱內(nèi),經(jīng)旁路風(fēng)預(yù)干燥后,通過落煤管落到分離器底部,靠螺旋輸送裝置的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動將煤送入正在旋轉(zhuǎn)的筒體內(nèi)。磨煤機(jī)由主電機(jī)經(jīng)減速器及開式齒輪傳動帶動筒體旋轉(zhuǎn)。在筒體內(nèi)裝有一定量低鉻合金鋼球。通過筒體的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動將鋼球提升到一定高度,鋼球在自由瀉落和拋落過程中對煤進(jìn)行撞擊和研磨,直至將煤研磨成煤粉,然后與熱一次風(fēng)混合后送入鍋爐爐膛。

    驅(qū)動部分是由主驅(qū)動和輔助驅(qū)動裝置構(gòu)成,主驅(qū)動通過主電機(jī)經(jīng)主減速機(jī)驅(qū)動小齒輪傳動軸,小齒輪與固定在磨機(jī)上的大齒輪嚙合來驅(qū)動筒體旋轉(zhuǎn),輔助驅(qū)動裝置由輔助電動機(jī)經(jīng)過輔助減速機(jī),再經(jīng)過手動切換的離合器與主電機(jī)相連,用于磨機(jī)的啟動、停止及檢修維護(hù),如圖1所示。

    圖1 異步電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)示意圖

    2 傳統(tǒng)的異步電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)存在的問題

    a)傳動鏈長:可靠性較差,主電機(jī)采用滑動軸承,需配備油站,設(shè)備保養(yǎng)維護(hù)量大。

    b)傳動效率低:減速機(jī)存在功率損耗,傳動效率約為92%,且需要定期換油。

    c)磨料效率低:驅(qū)動系統(tǒng)不可調(diào)速,不能根據(jù)裝球量及進(jìn)煤量等變化工況,工作在最佳轉(zhuǎn)速;若使用液力耦合器調(diào)速,在液力耦合器中損耗部分能量,進(jìn)一步降低了傳動效率和磨料效率。

    d)起動困難:起動電流大,對電網(wǎng)、設(shè)備沖擊大,機(jī)械電氣設(shè)計保守。

    e)電機(jī)“大馬拉小車”現(xiàn)象嚴(yán)重:因鋼球磨煤機(jī)回轉(zhuǎn)磨筒內(nèi)長期裝有130 t左右的研磨用鋼球及一定量的煤,回轉(zhuǎn)筒在啟動時需要克服巨大的靜摩擦力和慣性。為了滿足啟動軸功率要求,所配套的異步電機(jī)選用重載型YTM三相異步電機(jī),功率達(dá)到2 500 kW。通過從同型號磨煤機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)分析,磨煤機(jī)在額定工況時,軸功率明顯下降,電機(jī)實際輸出軸功率約為1 760 kW,僅為電機(jī)額定功率的70%左右。而異步電機(jī)的高效工作區(qū)通常在85%~95%軸功率范圍。較低功率運(yùn)行時,存在效率低,功率因數(shù)低,能耗高等問題,而且隨著進(jìn)煤量的減小,其工作效率還將顯著下降。

    3 新型驅(qū)動系統(tǒng)介紹

    面對傳統(tǒng)異步驅(qū)動系統(tǒng)的固有問題。通過分析,在當(dāng)前技術(shù)和裝備制造能力可行的前提下,選取了高速永磁同步電機(jī)、低速永磁同步直驅(qū)系統(tǒng)與傳統(tǒng)異步電機(jī)驅(qū)動方式進(jìn)行優(yōu)化比較。

    3.1 高速永磁同步電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)介紹

    高速永磁同步電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)與異步電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)配置基本一致,只是把原系統(tǒng)中的異步電機(jī)更換為永磁同步電機(jī),如圖2所示。電機(jī)的軸承與異步電機(jī)一樣,仍采用滑動軸承,配置潤滑油站。

    圖2 高速永磁電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)示意圖

    3.2 低速永磁直驅(qū)系統(tǒng)介紹

    低速永磁直驅(qū)系統(tǒng)是在發(fā)揮永磁同步電機(jī)技術(shù)優(yōu)勢的基礎(chǔ)上,對磨煤機(jī)驅(qū)動方式的一種創(chuàng)新。該系統(tǒng)由特殊設(shè)計的低轉(zhuǎn)速大扭矩永磁同步電機(jī)+矢量控制變頻器組成,電機(jī)通過聯(lián)軸器直接與開式齒輪中的小齒輪直接連接,取消了傳統(tǒng)驅(qū)動系統(tǒng)中的主減速機(jī)、離合器、慢傳動裝置,如圖3所示。電機(jī)軸承采用滾動軸承,無需配置油站。

    圖3 永磁直驅(qū)系統(tǒng)示意圖

    3.3 3種驅(qū)動系統(tǒng)優(yōu)化配置情況

    從表1可以看出,高速永磁電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)與異步電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)配置基本一致。在初期優(yōu)化方案中選擇高速永磁同步電機(jī)方案,主要是從技術(shù)難度和制造工藝方面考慮。

    表1 驅(qū)動配置情況表

    4 高速永磁同步電機(jī)驅(qū)動與異步電機(jī)驅(qū)動比較

    高速永磁同步電機(jī)兼有感應(yīng)電動機(jī)和電勵磁同步電動機(jī)的特點(diǎn)。其主要區(qū)別是在轉(zhuǎn)子部分,其轉(zhuǎn)子裝有稀土永磁材料,提供恒定磁場,同時嵌置銅條啟動鼠籠。電機(jī)啟動時,依靠定子旋轉(zhuǎn)磁場與啟動鼠籠相互作用,經(jīng)過一個短暫的異步啟動過程后,電機(jī)進(jìn)入同步轉(zhuǎn)速運(yùn)行。該電機(jī)結(jié)構(gòu)減小了定子電流與電源電壓之間的相位角,降低了定子輸入電流,提高了功率因數(shù)。同時,轉(zhuǎn)子不存在感應(yīng)電流,因此電機(jī)的銅損耗大幅度降低,電機(jī)的溫升下降。在相同的工作負(fù)載下,可以采用更小的冷卻風(fēng)扇,降低機(jī)械風(fēng)磨阻力損耗,在鐵耗、雜散損耗不變的情況下,總的損耗有所降低[1]。

    其突出的優(yōu)點(diǎn)是無滑差,轉(zhuǎn)速與負(fù)載大小無關(guān),啟動轉(zhuǎn)矩大,體積小,噪音低,振動小。對于鋼球磨的重載工況,尤其是具有在25%至120%負(fù)荷下,較寬的高效運(yùn)行范圍,不但使得其在額定負(fù)載時有明顯的節(jié)電效果,而且在輕載時的節(jié)能效果更為顯著[2],如圖4所示。

    按照額定工況,進(jìn)行仿真分析,結(jié)果如表2所示。

    從分析結(jié)果看,采用永磁電機(jī)替代異步電機(jī),綜合電耗減少106.14 kW,運(yùn)行電流下降25.67%,節(jié)電率達(dá)到5.49%。使用高速永磁電機(jī)的技術(shù)方向是可行的,在對已投運(yùn)的1 700 kW磨煤機(jī)運(yùn)行情況調(diào)研后,發(fā)現(xiàn)該方案仍存在如下問題。

    a)啟動沖擊大:因永磁電機(jī)的啟動電流可以達(dá)到額定電流的8倍以上,所以啟動轉(zhuǎn)矩大,啟動時間短,對減速箱、聯(lián)軸器、大小齒輪沖擊力大,頻繁啟動容易造成機(jī)械損傷。

    圖4 電機(jī)負(fù)載—效率曲線

    表2 仿真數(shù)據(jù)表

    b)啟動籠條及永磁體過熱:永磁同步電動機(jī)由于在轉(zhuǎn)子上安放了永磁體,既有平均轉(zhuǎn)矩,又有脈動轉(zhuǎn)矩,且這些轉(zhuǎn)矩的幅值都隨著電動機(jī)轉(zhuǎn)速的改變而變化,使得其起動過程比感應(yīng)電動機(jī)更為復(fù)雜。因此起動過程的時間以及起動籠條的發(fā)熱問題嚴(yán)重。上籠條的溫升仿真計算值達(dá)到425 K。但考慮到實際的散熱,上籠條實際平均溫升應(yīng)為計算值得1/3~1/2,但不排除個別局部熱點(diǎn)的存在,存在籠條熔斷以及磁鋼退磁等風(fēng)險。

    c)軸承檢修困難:因轉(zhuǎn)子內(nèi)的永磁體的強(qiáng)磁性,拆除軸承后,轉(zhuǎn)子吸附定子鐵芯,同時容易吸附金屬顆粒,對軸承現(xiàn)場檢修帶來很大困難。

    d)系統(tǒng)效率提高不大:驅(qū)動系統(tǒng)仍然保留了減速機(jī)、慢傳系統(tǒng)、油站,相關(guān)能量損耗沒有減少。

    5 磨機(jī)調(diào)速的必要性及永磁直驅(qū)方案分析

    5.1 火電廠球磨機(jī)變工況下內(nèi)筒轉(zhuǎn)速的分析

    根據(jù)MGS4766型磨煤機(jī)技術(shù)資料,該型磨煤機(jī)轉(zhuǎn)速是以傳統(tǒng)臨界轉(zhuǎn)速理論值計算,按照78~86%的轉(zhuǎn)速率確定的。未考慮摩擦系數(shù)變化、多層鋼球與煤塊的混合運(yùn)動介質(zhì)變化,是采用單球延球磨機(jī)筒體運(yùn)動計算獲得。而在電廠實際生產(chǎn)中,摩擦系數(shù)、襯板磨損狀況、煤質(zhì)硬度、入磨煤量等都會影響內(nèi)筒物料的運(yùn)動狀態(tài),而且這些因素在變負(fù)荷工作時也是變化的[3]。應(yīng)該說球磨機(jī)的額定運(yùn)行速度和生產(chǎn)需要速度之間存在一定的偏差。

    球磨機(jī)筒體內(nèi)鋼球的運(yùn)動可以歸納為3種典型狀態(tài):瀉落式、離心式和拋落式,如圖5所示[4]。

    圖5 球磨機(jī)筒體內(nèi)鋼球運(yùn)動狀態(tài)

    當(dāng)球磨機(jī)轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)低于臨界轉(zhuǎn)速時,鋼球提升高度較低,鋼球在簡體內(nèi)滑動或滾動,呈瀉落狀態(tài),如圖5a所示,此時煤塊僅在筒體內(nèi)受到鋼球與鋼球、鋼球與筒體之間的磨剝作用,球磨機(jī)的研磨效果較差。當(dāng)球磨機(jī)轉(zhuǎn)速大于臨界轉(zhuǎn)速時,鋼球?qū)㈦S筒體一起旋轉(zhuǎn)而作圓周運(yùn)動,如圖5b所示,此時煤塊幾乎不被磨碎。當(dāng)球磨機(jī)轉(zhuǎn)速略低于臨界轉(zhuǎn)速時,鋼球提升一定高度后,將脫離筒體呈拋物線落下,如圖5c所示,此時煤塊在鋼球提升階段受到磨剝作用,而在鋼球的落點(diǎn)處受到強(qiáng)大的沖擊力作用,此時研磨效果最佳[5]。

    考慮到高速永磁電機(jī)驅(qū)動技術(shù)的不足,結(jié)合火電廠機(jī)組是經(jīng)常性變負(fù)荷運(yùn)行的實際情況,在磨煤機(jī)進(jìn)煤量和入爐煤細(xì)度一定的情況下,根據(jù)襯瓦磨損情況和裝球量,可以通過改變球磨轉(zhuǎn)速,改變磨礦介質(zhì)的運(yùn)動軌跡,以達(dá)到研磨空間利用率的最大化[6]。

    5.2 低速永磁直驅(qū)系統(tǒng)特點(diǎn)及對比

    目前,空冷島風(fēng)機(jī)、帶式輸送機(jī)的驅(qū)動系統(tǒng)已經(jīng)有低速永磁直驅(qū)應(yīng)用先例,本工程輔機(jī)冷卻塔風(fēng)機(jī)及輸煤帶式輸送機(jī)也全部采用了低速永磁直驅(qū)技術(shù),但電機(jī)電壓均為380 V,功率在70~300 kW之間[7]。磨煤機(jī)采用電機(jī)與小齒輪直接連接的直接驅(qū)動方式,可以徹底取消多余傳動環(huán)節(jié)和輔助設(shè)備,實現(xiàn)磨煤機(jī)效率與節(jié)能率的雙提高。但磨煤機(jī)小齒輪額定轉(zhuǎn)速僅為130 r/min,額定轉(zhuǎn)動力矩卻達(dá)到140 kN·m,額定電壓10 kV,這種功率級別的電機(jī),行業(yè)內(nèi)沒有先例。驅(qū)動系統(tǒng)需要達(dá)到上述技術(shù)要求,必須進(jìn)行特殊設(shè)計。該系統(tǒng)在兼有高速永磁同步電機(jī)優(yōu)勢的基礎(chǔ)上,還有如下特點(diǎn)[8]。

    a)電機(jī)多級、非工頻:根據(jù)轉(zhuǎn)速、極對數(shù)、電源頻率三者對應(yīng)關(guān)系,電機(jī)為了實現(xiàn)低轉(zhuǎn)速采用了32極的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu),考慮到電機(jī)中心高及體積,電源頻率確定為34.67 Hz的非工頻。電機(jī)外形如圖6所示。

    圖6 永磁直驅(qū)電機(jī)外形圖

    b)矢量變頻驅(qū)動:為了滿足磨煤機(jī)大轉(zhuǎn)矩啟動和非工頻電源兩個要求,電機(jī)一對一單元制配套了高壓變頻器(不設(shè)旁路)[9]。在控制方式上,有用采用普通V/F變頻控制,以防止在重載啟動時電機(jī)發(fā)生瞬時失步,從而引起轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速振蕩,造成啟動失敗,而是采用了高精度的閉環(huán)矢量控制,通過在電機(jī)上安裝絕對值編碼器[10],實時獲取電機(jī)轉(zhuǎn)子空間位置,變頻器通過坐標(biāo)變換,將三相交流系統(tǒng)等效變換為M-T兩相系統(tǒng),將電機(jī)定子電流矢量分解成兩個直流分量(即磁通分量和轉(zhuǎn)矩分量),從而達(dá)到分別控制電機(jī)的磁通和轉(zhuǎn)矩的目的,獲得了與直流調(diào)速系統(tǒng)同樣好的控制效果[11]。系統(tǒng)示意圖如圖7所示。

    c)使用滾動軸承:因電機(jī)轉(zhuǎn)速低,滑動軸承無法形成穩(wěn)定油膜,電機(jī)采用了滾動軸承,取消了潤滑油站。

    d)解體支撐裝置:電機(jī)內(nèi)部特別設(shè)計了轉(zhuǎn)子支撐裝置,在拆除端蓋后,轉(zhuǎn)子與定子保持一定間隙不發(fā)生吸附,便于現(xiàn)場更換軸承。

    圖7 磨煤機(jī)永磁直驅(qū)電氣系統(tǒng)示意圖

    e)取消慢傳機(jī)構(gòu):矢量變頻可以實現(xiàn)0.01 Hz的高精度頻率控制,同時在零轉(zhuǎn)速時依然可輸出額定轉(zhuǎn)矩,現(xiàn)場采用向變頻器發(fā)出點(diǎn)動信號的方式,實現(xiàn)了檢修所需的定位及緩慢轉(zhuǎn)動要求。

    f)軟啟動、軟停車:使用變頻器后,通過優(yōu)化電源輸出曲線,改變了球磨機(jī)啟動特性,電機(jī)功率選擇無需考慮啟動過載轉(zhuǎn)矩,啟動平穩(wěn),實現(xiàn)了無機(jī)械沖擊、無電網(wǎng)啟動電流沖擊[12]。

    g) 調(diào)速:變頻器接入全廠profibus總線,接收FCS系統(tǒng)的調(diào)節(jié)指令,實現(xiàn)按生產(chǎn)工藝要求,對轉(zhuǎn)速的實時調(diào)節(jié),控制合理的球磨運(yùn)行轉(zhuǎn)速,保持研磨狀態(tài)中球—煤塊的良好運(yùn)動軌跡,最大限度利用球磨機(jī)內(nèi)筒有效空間,發(fā)揮球磨機(jī)最大的工作效率,使磨煤機(jī)達(dá)到最佳運(yùn)行工況。

    對比分析磨煤機(jī)在滿載額定工況下異步電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)與永磁直驅(qū)系統(tǒng)的節(jié)能性如表3所示。

    根據(jù)對某礦山同類型直驅(qū)磨機(jī)的調(diào)研,磨機(jī)額定轉(zhuǎn)速比內(nèi)筒臨界轉(zhuǎn)速偏高,有一定的降速余量。磨煤機(jī)變速運(yùn)行后,節(jié)能量將進(jìn)一步增加,根據(jù)磨煤機(jī)轉(zhuǎn)速與功率的關(guān)系公式P=Tn/9 550(P為功率,T為扭矩,n為轉(zhuǎn)速)可以看出,磨機(jī)功率與轉(zhuǎn)速成正比。即磨機(jī)轉(zhuǎn)速降低10%,磨機(jī)功率將有不低于10%的降低。另外,磨煤機(jī)變速運(yùn)行可以大大增加電廠對電網(wǎng)的調(diào)峰負(fù)荷適應(yīng)性。

    目前,國內(nèi)幾乎所有的燃煤電廠(煤粉爐)當(dāng)電網(wǎng)的負(fù)荷下降到一定數(shù)值后,就需要停止相應(yīng)數(shù)量的磨煤機(jī)來適應(yīng)負(fù)荷要求,當(dāng)負(fù)荷指令回升后,電廠又需要重新啟動磨煤機(jī)來進(jìn)行響應(yīng)。當(dāng)電廠協(xié)調(diào)方式投入自動發(fā)電控制ACE(automaticgenerationcontrol)后,電廠的負(fù)荷指令變化率越來越快,這就增加了磨煤機(jī)的啟停次數(shù),而且在啟停過程中電廠負(fù)荷響應(yīng)速度會變慢,往往無法滿足電網(wǎng)調(diào)峰要求。磨煤機(jī)實行變速運(yùn)行后,以上情況將得到很大緩解。通過在周邊礦山實際調(diào)研,磨機(jī)回轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)速降低1轉(zhuǎn)(5%額定轉(zhuǎn)速),磨機(jī)額定出力不變,在原有節(jié)電率的基礎(chǔ)上,可額外產(chǎn)生15%的節(jié)電效果。所以,從技術(shù)角度看磨煤機(jī)應(yīng)用低速永磁直驅(qū)系統(tǒng)是可行的。

    表3 異步驅(qū)動系統(tǒng)與永磁直驅(qū)系統(tǒng)節(jié)能對比表

    6 技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析及節(jié)能環(huán)保收益

    6.1 投資對比

    表4 兩種驅(qū)動方式投資對比表

    表4對兩種驅(qū)動方式的投資情況進(jìn)行了比對。

    6.2 節(jié)能經(jīng)濟(jì)收益對比

    由表5可以看出使用低速變頻永磁直驅(qū)系統(tǒng),除省去大量有功電外,還將免去了大量減速器、油站維護(hù)費(fèi)用。同時由于電機(jī)功率因數(shù)高,大大降低了變壓器、電纜內(nèi)的無功損耗。雖然初期投資比異步機(jī)系統(tǒng)多1 390萬元,但每年可節(jié)省電費(fèi)382.135萬元,僅需4 a即可收回投資。

    表5 節(jié)能效益對比表

    6.3 環(huán)保效益對比

    本工程10臺低速永磁直驅(qū)系統(tǒng)年可節(jié)約用電1 175.8萬kW·h。每年可全廠可節(jié)約標(biāo)煤4 703.2 t,可減少的污染物排放量如表6所示。

    表6 減排情況表

    7 結(jié)論

    本工程輔機(jī)冷卻塔風(fēng)機(jī)及輸煤帶式輸送機(jī)全部采用了低速永磁直驅(qū)技術(shù),通過配套應(yīng)用高壓2 000 kW級低速大扭矩變頻永磁直驅(qū)系統(tǒng),可以提升行業(yè)裝備研發(fā)制造水平。該型低速永磁直驅(qū)系統(tǒng)同樣適用于中速磨、水泵及風(fēng)機(jī)類設(shè)備,對于提高驅(qū)動系統(tǒng)總體效率,減少廠用電,提高設(shè)備維護(hù)性,延長設(shè)備壽命具有積極作用,同時更加有利于提高火電廠節(jié)能減排,增加電網(wǎng)負(fù)荷適應(yīng)性,具備在火電行業(yè)大力推廣的價值。

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