智能高效節(jié)能電機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用與實(shí)踐

朱庭樓，孫紅慶

(1.江蘇嘉瑞豐機(jī)電設(shè)備有限公司， 江蘇 金湖 211600；2.江蘇沙鋼集團(tuán)淮鋼特鋼股份有限公司， 江蘇 淮安 223002)

現(xiàn)代工業(yè)主要能源之一是電能，全世界的電能60%以上是被各種工業(yè)電機(jī)所消耗。由于歷史發(fā)展原因，我國(guó)工業(yè)電機(jī)能效普遍偏低[1]。近年來(lái)，國(guó)家通過(guò)政策引導(dǎo)，大力推進(jìn)工業(yè)電機(jī)節(jié)能改造，我國(guó)電機(jī)能效水平逐步提高，但是，工業(yè)電機(jī)節(jié)能總體水平還有很大的提升空間。據(jù)電力行業(yè)測(cè)算，工業(yè)電機(jī)能效每提高1%，每年可節(jié)約用電300億kW·h以上，直接經(jīng)濟(jì)效益超150億元。因此，逐步淘汰低效能電動(dòng)機(jī)，大力推廣普及高效節(jié)能電動(dòng)機(jī)應(yīng)用，是提高能源綜合利用效率的重要措施之一[2]。2020年05月29日，我國(guó)發(fā)布強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)《中小型三相異步電動(dòng)機(jī)能效限定值及能效等級(jí)》(GB 18613—2020)，規(guī)定自2021年6月1日起正式執(zhí)行。IE3效率將成為我國(guó)最低的三相異步電機(jī)能效限定值，低于IE3能效限定值的三相異步電機(jī)將不允許生產(chǎn)銷(xiāo)售[3]。工信部、市場(chǎng)監(jiān)管總局聯(lián)合發(fā)布的《電機(jī)能效提升計(jì)劃(2021-2023年)》指出，到2023年高效節(jié)能電機(jī)年產(chǎn)量達(dá)到1.7億kW，在役高效節(jié)能電機(jī)占比達(dá)到20%以上，實(shí)現(xiàn)年節(jié)約電能490億kW·h，相當(dāng)于年節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤1 500萬(wàn)t，減排二氧化碳2 800萬(wàn)t。這些政策都與我國(guó)碳達(dá)峰與碳中和的國(guó)際節(jié)能大環(huán)境相對(duì)應(yīng)，明確了電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能改造工程是國(guó)家節(jié)能減排工作的重點(diǎn)領(lǐng)域[4-5]。

高效節(jié)能電機(jī)是指采用新型電機(jī)設(shè)計(jì)方法、新工藝與新材料制造電機(jī)，通過(guò)降低電磁能、熱能和機(jī)械能的損耗，提高電動(dòng)機(jī)的輸出效率的新型電機(jī)。從目前我國(guó)電機(jī)行業(yè)應(yīng)用整體現(xiàn)狀分析可知，電機(jī)基本可以做到供需平衡。但是從局部看，我國(guó)中低端電機(jī)產(chǎn)能過(guò)剩，而高效節(jié)能電機(jī)則處于供不應(yīng)求的狀態(tài)，領(lǐng)域產(chǎn)品還嚴(yán)重依賴(lài)進(jìn)口。在這樣的背景下，高效節(jié)能電機(jī)系統(tǒng)改造未來(lái)有著廣闊前景。

1 智能高效節(jié)能電機(jī)系統(tǒng)

1.1 智能高效節(jié)能電機(jī)本體節(jié)能

我公司生產(chǎn)的智能高效節(jié)能電機(jī)，其主要技術(shù)點(diǎn)就是在永磁電機(jī)技術(shù)基礎(chǔ)上結(jié)合了磁阻技術(shù)，即永磁輔助磁阻同步電機(jī)這一創(chuàng)新技術(shù)，在永磁體材料選擇上采用磁密度更高的高牌號(hào)磁鋼，保證了更好的磁鋼具備更好的耐溫性能，通過(guò)設(shè)計(jì)成凸極磁路結(jié)構(gòu)，提高磁阻轉(zhuǎn)矩，使得智能高效節(jié)能電機(jī)在全負(fù)載狀態(tài)下都能保持著較高的效率。電機(jī)性能較傳統(tǒng)稀土永磁電機(jī)有一定的提升。

1.2 智能高效節(jié)能電機(jī)控制系統(tǒng)節(jié)能

現(xiàn)在工業(yè)應(yīng)用中基本通過(guò)變頻器和軟起動(dòng)器對(duì)電機(jī)做相應(yīng)的控制，改變電機(jī)的運(yùn)行速度主要通過(guò)變頻器進(jìn)行調(diào)節(jié)，大多數(shù)變頻器配合電機(jī)使用，只給出某個(gè)固定頻率，也就是讓電機(jī)維持在一個(gè)固定轉(zhuǎn)速，還有部分使用變頻器的場(chǎng)合，采用了某種參照量，做了一個(gè)PID調(diào)節(jié)的控制系統(tǒng)。

智能高效節(jié)能電機(jī)控制系統(tǒng)吸收了變頻器的全部?jī)?yōu)點(diǎn)，并根據(jù)地理位置，晝夜溫差等環(huán)境因素，通過(guò)算法和模糊控制的手段，使得在工業(yè)應(yīng)用中，在滿(mǎn)足負(fù)載工藝需求下，達(dá)到更加經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的目的。工業(yè)生產(chǎn)中風(fēng)機(jī)和泵類(lèi)系統(tǒng)約消耗了工業(yè)電動(dòng)機(jī)用電的40%；而在通過(guò)智能高效節(jié)能電機(jī)系統(tǒng)改造風(fēng)機(jī)和泵類(lèi)電機(jī)節(jié)能有著及其明顯的節(jié)能效果，如在南京鋼鐵、沙鋼、淮鋼、中信泰富集團(tuán)和青島鋼鐵等大量應(yīng)用案例都獲得超過(guò)了20%以上的節(jié)能率果。

1.3 工作原理

智能高效節(jié)能電機(jī)屬于永磁磁阻型電機(jī)，電機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示，屬于開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)類(lèi)型，其電機(jī)定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)外形與開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)相似，為雙凸極結(jié)構(gòu)，但其控制方法與開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)不同，不是采用磁阻電機(jī)相位控制法，而是采用自己設(shè)計(jì)的電流控制法。研究和測(cè)試結(jié)果表明，永磁磁阻高效節(jié)能電機(jī)的力矩電流比可達(dá)開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的1.7倍，是感應(yīng)電機(jī)的3.6倍，力矩慣量比是開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的1.4倍，是感應(yīng)電機(jī)的10倍，永磁同步電機(jī)的3.6倍。電機(jī)控制電路如圖1(b)所示，由六個(gè)開(kāi)關(guān)管的通斷實(shí)現(xiàn)三相輪流導(dǎo)通，控制電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。

圖1 電機(jī)結(jié)構(gòu)及控制電路圖

1.4 智能高效節(jié)能電機(jī)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

(1)效率高，節(jié)能效果好。和普通的電機(jī)相比較，在設(shè)計(jì)上，除了使用更優(yōu)質(zhì)的材料外，智能高效節(jié)能電機(jī)也更多地考慮了降低電磁能、熱能以及機(jī)械能的損耗等因素，因此使用效率更高。

(2)智能高效節(jié)能電機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間越長(zhǎng)，節(jié)能效果越明顯，經(jīng)濟(jì)效益越好。由于它的高效性，可節(jié)約能源和降低長(zhǎng)期運(yùn)行成本，企業(yè)如果想在固定的資金投入下取得最大的投資回報(bào)，智能高效節(jié)能電機(jī)系統(tǒng)在這方面就能夠很好的實(shí)現(xiàn)。

(3)溫升小，設(shè)備的使用壽命延長(zhǎng)，可靠性提高。高效節(jié)能電機(jī)的設(shè)計(jì)采用了降低損耗的設(shè)計(jì)，使溫度升高系數(shù)大大的減小，因此使用壽命更長(zhǎng)。

(4)減少了對(duì)環(huán)境的污染。由于智能高效節(jié)能電機(jī)的效率相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)高出很多，因此每年就可以節(jié)約更多的電能，同時(shí)也減少了二氧化碳排量。

2 案例分析

現(xiàn)以某鋼鐵有限公司煉鋼廠2號(hào)泵房LF供水泵為例，分析智能高效節(jié)能電機(jī)系統(tǒng)的節(jié)能測(cè)試結(jié)果。

2.1 改造前電機(jī)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

改造前原電機(jī)數(shù)據(jù)煉鋼廠2號(hào)泵房LF供水泵電表起始讀數(shù)如圖2所示

圖2 改造前初始數(shù)據(jù)

改造前原電機(jī)工作360 h后再次統(tǒng)計(jì)原電機(jī)數(shù)據(jù)，煉鋼廠2號(hào)泵房LF供水泵如圖3所示。改造前電機(jī)參數(shù)見(jiàn)表1，改造前節(jié)電率數(shù)據(jù)見(jiàn)表2，改造后電機(jī)參數(shù)見(jiàn)表3， 改造后節(jié)電率數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

表1 改造前電機(jī)參數(shù)

表2 改造前節(jié)電率數(shù)據(jù)

表3 改造后電機(jī)參數(shù)

表4 改造后節(jié)電率數(shù)據(jù)

圖3 改造前運(yùn)行360 h后數(shù)據(jù)

改造前電機(jī)的平均功耗：電機(jī)的平均小時(shí)電耗=(電表終讀數(shù)-電表起讀數(shù))×互感器變比/(計(jì)時(shí)器終讀數(shù)-計(jì)時(shí)器起讀數(shù))=(81 203 -80 568)kW·h×60/(475.41 h -116.04 h)=106.02 kW·h/h。

2.2 改造后電機(jī)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

安裝智能高效節(jié)能電機(jī)系統(tǒng)后，煉鋼廠2號(hào)泵房LF供水泵改造后初始讀數(shù)如圖4所示(計(jì)時(shí)器開(kāi)始時(shí)已復(fù)位)。

圖4 供水泵改造后初始數(shù)據(jù)

改造后高效節(jié)能電機(jī)工作360 h后再次統(tǒng)計(jì)電機(jī)數(shù)據(jù)，煉鋼廠2號(hào)泵房LF供水泵改造后如圖5所示。

圖5 供水泵改造后運(yùn)行360 h后數(shù)據(jù)

改造后電機(jī)的平均功耗：電機(jī)的平均小時(shí)電耗=(電表終讀數(shù)-電表起讀數(shù))×互感器變比÷(計(jì)時(shí)器終讀數(shù)-計(jì)時(shí)器起讀數(shù))= (82 977-82 427) kW·h×60÷(430.29 h -2.32 h)=77.11 kW·h/h。

3 改造前后電機(jī)節(jié)電率數(shù)據(jù)

節(jié)電率=[(改造前的原電機(jī)平均功率-智能高效節(jié)能電機(jī)的平均功率)÷改造前的原電機(jī)平均功率]×100%=(106.02-77.11) kW·h/h÷106.02 kW·h/h=27.27%。

表5 節(jié)電率數(shù)據(jù)

4 效益分析

按每年8 000 h時(shí)長(zhǎng)計(jì)算。

改造后單臺(tái)電機(jī)年節(jié)電量為：

單臺(tái)電機(jī)節(jié)年=全年電機(jī)工作時(shí)長(zhǎng)×(電機(jī)改造前平均小時(shí)電耗-改造后平均小時(shí)電耗)=8 000 h×(106.02-77.11)kW·h =231 280 kW·h

年節(jié)約用電費(fèi)用：

年節(jié)約電費(fèi)=年節(jié)約電量×工廠電費(fèi)單價(jià)=231 280 kW·h×0.55 元/(kW·h)=127 204元

年節(jié)約標(biāo)煤：

年節(jié)約標(biāo)煤=年節(jié)約電量×折標(biāo)準(zhǔn)煤系數(shù)=231 280 kW·h×289 gce/(kW·h)÷1 000 000=66.84 tce

年折合減排CO2：

年減排CO2=年節(jié)約電度×CO2排放因子(根據(jù)生態(tài)環(huán)境部應(yīng)對(duì)氣候變化司文件規(guī)定，華東地區(qū)CO2排放因子取0.703 5 kgCO2/(kW·h)=231 280 kW·h×0.703 5÷1 000=162.7 t

5 結(jié)語(yǔ)

(1)智能系統(tǒng)應(yīng)用于電機(jī)的運(yùn)行，在保證安全可靠運(yùn)行的情況下，高效率和高功率因數(shù)不受運(yùn)行負(fù)載制約，同時(shí)高啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，具有抗過(guò)載能力等優(yōu)點(diǎn)，不但達(dá)到節(jié)能的效果，對(duì)于安全穩(wěn)定生產(chǎn)也起到了一定的保護(hù)作用。

(2)在同等條件下，對(duì)原電機(jī)和試用電機(jī)的用電量進(jìn)行測(cè)量和計(jì)算，平均節(jié)電率達(dá)到了27.27%，完全符合技術(shù)協(xié)議要求的15%和20%節(jié)電率。

(3)按每年8 000 h時(shí)長(zhǎng)計(jì)算，單臺(tái)電機(jī)年節(jié)電量為231 280 kW·h，相當(dāng)于節(jié)約標(biāo)煤66.84 t，折合減排CO2162.7 t，社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益顯著。

(4)改造后泵的流量與壓力和原電機(jī)泵相比基本相同，完全滿(mǎn)足工藝生產(chǎn)的要求。

通過(guò)此案例應(yīng)用，《電動(dòng)機(jī)能效限定值及能效等級(jí)》(GB 18613—2020)滿(mǎn)足國(guó)家對(duì)電機(jī)能效提升的要求，同時(shí)可以認(rèn)定該智能高效節(jié)能電機(jī)系統(tǒng)，不僅具備很高的節(jié)電率、能在兩年左右收回投資成本，整個(gè)系統(tǒng)還具有較高的功率因數(shù)和啟動(dòng)電流小等特點(diǎn)，對(duì)廠內(nèi)電網(wǎng)無(wú)沖擊，在電機(jī)節(jié)能改造中應(yīng)大力推廣使用。