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

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。

[1] 唐任遠(yuǎn).稀土永磁電機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)與高性能電機(jī)開發(fā) [J].沈陽工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2005,27(2):162-166．

[2] 鄭超迪，楊向宇，蘭志勇.永磁同步電機(jī)瞬態(tài)啟動的有限元分析 [J].微電機(jī)，2011,44(02):13-15．

[3] 任玉艷，李國強(qiáng)．磨煤機(jī)最佳轉(zhuǎn)速研究 [J].科技博覽,2005，25(增):51-55．

[4] 潘笑.滾筒式鋼球磨煤機(jī)動態(tài)特性分析 [J].湖北電力，1997(2):13-15．

[5] 徐金苗，吳阿峰,樊曉茹，等.磨煤機(jī)配套鋼球的選型及技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究 [J].南方能源建設(shè),2015,2(s1):178-183．

[6] 趙珊珊.火電廠中鋼球磨煤機(jī)的優(yōu)化控制 [D].北京：華北電力大學(xué)，2012．

[7] 蘭志勇.內(nèi)嵌式正弦波永磁同步電機(jī)設(shè)計及優(yōu)化 [D].廣州：華南理工大學(xué)，2012．

[8] 劉全新，劉加嶺，杜傳明，等.淺談大扭矩永磁同步電機(jī)在工程中的應(yīng)用 [J].山東工業(yè)技術(shù)，2016（2） :115-116．

[9] 梁艷，李永東.無傳感器永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)概述[J].電氣傳動，2003，33 （4） :4-9．

[10]王慶龍，張興，張崇巍.永磁同步電機(jī)矢量控制雙滑模模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速辨識 [J].中國電機(jī)工程學(xué)報，2014，34 （6）：897-902．

[11] 劉軍.永磁電動機(jī)控制系統(tǒng)若干問題的研究 [D].上海：華東理工大學(xué)，2010．

[12] 胡奇鋒.永磁同步電機(jī)高性能調(diào)速控制系統(tǒng)研究 [D].杭州：浙江大學(xué)，2004．