淺談稀土永磁同步電機(jī)在熱電廠的應(yīng)用

王文杰

杭州臨江環(huán)保熱電有限公司

0 前言

隨著能源雙控和節(jié)能減排政策的不斷加強(qiáng)，能源使用越來越受到企業(yè)的重視。熱電廠作為能源轉(zhuǎn)換企業(yè)，對(duì)如何降低能耗、做好節(jié)能改造、提高轉(zhuǎn)換效率，既是企業(yè)自身發(fā)展的需要，也是我國(guó)可持續(xù)發(fā)展的客觀要求。循環(huán)水泵作為熱電廠重要輔機(jī)之一，其運(yùn)行工況直接影響到系統(tǒng)安全和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

1 改造前循環(huán)水泵運(yùn)行情況及分析

杭州臨江環(huán)保熱電有限公司有3臺(tái)130 t/h高溫高壓循環(huán)流化床鍋爐、2臺(tái)15 MW和1臺(tái)7.5 MW背壓汽輪機(jī)組，3臺(tái)KQAN350-M13/333循環(huán)水泵。循環(huán)水泵容積流量為726～1 210 m3/h、揚(yáng)程25～35 m、設(shè)計(jì)效率82%；配套電機(jī)Y2-315S-4、額定電壓380 V、額定功率110 kW、功率因數(shù)0.88。循環(huán)水泵為低揚(yáng)程大流量泵，配套電機(jī)導(dǎo)磁材料為熱軋硅鋼片，#3循環(huán)水泵配有ABB變頻器，可根據(jù)運(yùn)行需要切換工/變頻狀態(tài)。循環(huán)水泵投運(yùn)時(shí)間已達(dá)10年，且熱軋硅鋼片能耗較高，故需進(jìn)行改造。

1.1 水泵運(yùn)行工況

3臺(tái)循環(huán)水泵出口母管連通，即出口壓力相同，系統(tǒng)流程圖見圖1。當(dāng)鍋爐、汽機(jī)負(fù)荷逐步增加時(shí)，循環(huán)水需求也同步增加，此時(shí)需開啟2臺(tái)循環(huán)水泵才能滿足系統(tǒng)冷卻水要求，通常#2、#3泵運(yùn)行，#1泵備用，出口壓力為0.25～0.3 MPa。通過整理2020年3-7月耗電量和循環(huán)水泵出口壓力，發(fā)現(xiàn)水泵電機(jī)能耗與出口壓力呈正相關(guān)關(guān)系，見圖2。

圖1 循環(huán)水泵系統(tǒng)流程圖

圖2 循環(huán)水泵出口壓力與日耗電量的曲線對(duì)照表

1.2 循環(huán)水泵能耗情況

2020年5月8日至6月8日#2循環(huán)水泵電量統(tǒng)計(jì)見表1。

表1 #2循環(huán)水泵耗電量統(tǒng)計(jì)表

根據(jù)表1可看出，#2循環(huán)水泵電機(jī)平均負(fù)載率為77.8%，在合理范圍內(nèi)，說明電機(jī)處于最佳負(fù)載率區(qū)間運(yùn)行。但由于配套電機(jī)為Y2系列，根據(jù)公式計(jì)算電動(dòng)機(jī)效率，其中：

P——電動(dòng)機(jī)額定有功功率，單位：千瓦（kW）；

U——電動(dòng)機(jī)額定電壓，單位：伏特（V）；

I——電動(dòng)機(jī)額定電流，單位：安培（A）；

cos?——電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)，

將電動(dòng)機(jī)銘牌參數(shù)置入上公式，得出電動(dòng)機(jī)效率η=94.5%。查閱低壓電動(dòng)機(jī)能效等級(jí)對(duì)照表（見表2）可知，循環(huán)水泵電機(jī)為三級(jí)能效等級(jí)，屬高能耗，為淘汰設(shè)備。

本屆民族運(yùn)動(dòng)會(huì)將有來自全省各州市、云南民族大學(xué)和云南師范大學(xué)18個(gè)代表團(tuán)共1899名運(yùn)動(dòng)員參賽，競(jìng)賽項(xiàng)目預(yù)計(jì)將產(chǎn)生135個(gè)金獎(jiǎng)，表演類項(xiàng)目預(yù)計(jì)將產(chǎn)生17個(gè)金獎(jiǎng)。

表2 電動(dòng)機(jī)能效等級(jí)

綜上所述，#2循環(huán)水泵處于高能耗運(yùn)行狀態(tài)，具有較大節(jié)能空間。

2 循環(huán)水泵電動(dòng)機(jī)的改造

前面提到，電機(jī)高能耗多是由于本身效率不高引起的，因此，如何提高電動(dòng)機(jī)效率是主要議題。電動(dòng)機(jī)效率與類型有關(guān)，Y系列為鼠籠型轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)，導(dǎo)磁材料為熱軋硅鋼片，能耗高、效率低、環(huán)保性差，不符合《中小型三相異步電動(dòng)機(jī)能效限定值及能效等級(jí)》（GB18613-2012）標(biāo)準(zhǔn)中能效限定值要求。

2.1 永磁同步電動(dòng)機(jī)

永磁同步電動(dòng)機(jī)(PMSM)是在稀土永磁材料的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、體積小、重量輕、損耗少、效率高等顯著特點(diǎn)[2]。永磁同步電動(dòng)機(jī)與普通異步電動(dòng)機(jī)的區(qū)別在于轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，永磁同步電動(dòng)機(jī)是永磁機(jī)固定在轉(zhuǎn)子上，無需勵(lì)磁，從而達(dá)到節(jié)能目的。根據(jù)永磁體在轉(zhuǎn)子上的安裝方式，可分為表貼式（SPM）和內(nèi)置式(IPM)，詳見圖3。

圖3 永磁同步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

表貼式SPM電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造容易、成本低，但調(diào)速范圍小，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速大于基速時(shí)，功率因數(shù)迅速降低，帶負(fù)載能力差。為此選用調(diào)速性能好、電機(jī)恒功率運(yùn)行范圍大的內(nèi)置式IPM型電機(jī)。但內(nèi)置式IPM型電機(jī)在啟動(dòng)時(shí)由于轉(zhuǎn)子慣量大，磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)太快，靜止的電機(jī)根本無法跟隨旋轉(zhuǎn)，故必須加入帶有矢量控制的變頻器進(jìn)行輔助。啟動(dòng)時(shí)，變頻器輸出從0開始，逐漸上升到工作頻率，電機(jī)則隨著變頻器輸出頻率同步旋轉(zhuǎn)。

2.2 永磁同步電動(dòng)機(jī)型號(hào)的確定

循環(huán)水泵原Y系列電動(dòng)機(jī)參數(shù)，見表3。

表3 Y系列電動(dòng)機(jī)參數(shù)表

同步電機(jī)額定頻率為f＝100 Hz。

綜上，確定永磁同步電動(dòng)機(jī)性能參數(shù)，見表4。

表4 永磁同步電動(dòng)機(jī)參數(shù)

此外，前面提到IPM永磁同步電機(jī)啟動(dòng)時(shí)需變頻器參與輸出頻率調(diào)節(jié)，輔助啟動(dòng)，故選擇具有矢量控制功能的ABB ACS580系列變頻器。

3 永磁同步電動(dòng)機(jī)的改造

圖4、圖5分別是改造前后現(xiàn)場(chǎng)照片。

圖4 改造前現(xiàn)場(chǎng)照片

圖5 改造后現(xiàn)場(chǎng)照片

4 改造效果分析

在系統(tǒng)用水量保持穩(wěn)定的工況下，對(duì)改造前后循環(huán)水泵日均耗電量進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，見表5。

表5 改造前后循環(huán)水泵日均耗電量

改造前后循環(huán)水泵出口壓力與電量對(duì)應(yīng)曲線見圖6。

圖6 改造前后循環(huán)水泵出口壓力與電量曲線

可見，在相同工況下，永磁同步電機(jī)改造完成后實(shí)際循環(huán)水泵出口壓力降低了0.1 MPa，日均耗電量下降了385 kWh。

根據(jù)節(jié)電率公式：

得出，節(jié)電率η=8.21%，按年運(yùn)行7 000 h計(jì)算，每年可節(jié)約電能7.93萬kWh；按0.447元/kWh計(jì)算，每年可節(jié)約電費(fèi)50 261.75元，同時(shí)可減少CO2排放量79.1 t。

表6為改造投入資產(chǎn)表。

表6 改造投入資產(chǎn)

根據(jù)年節(jié)約電費(fèi)50 261.75元，得出靜態(tài)投資回收期=7.1萬÷5.02萬×12=17個(gè)月，即1.4年即可收回投資成本。

5 結(jié)論

稀土永磁同步電機(jī)節(jié)能改造具有一定的推廣價(jià)值。