永磁電機(jī)在空冷風(fēng)機(jī)改造的經(jīng)濟(jì)性分析

趙瑞峰

（山西京玉發(fā)電有限責(zé)任公司， 山西 朔州 037200）

0 引言

單臺(tái)300 MW 機(jī)組直接空冷系統(tǒng)配置30 臺(tái)風(fēng)機(jī)，電機(jī)額定功率132 kW，額定電流240 A，風(fēng)機(jī)端額定轉(zhuǎn)速為105 r/min。在整個(gè)機(jī)組中空冷風(fēng)機(jī)耗電率占發(fā)電量的0.8%左右，是機(jī)組耗電量最大的輔機(jī)系統(tǒng)，風(fēng)機(jī)減速機(jī)需定期對(duì)齒輪潤(rùn)滑油進(jìn)行更換，同時(shí)隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，減速的故障率提高，減速機(jī)的送修費(fèi)用及減速機(jī)拆裝工時(shí)及影響的風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)間等都是一筆不小的支出。隨著永磁電機(jī)技術(shù)不斷更新及永磁材料價(jià)格的降低，多極低轉(zhuǎn)速永磁電機(jī)近年來(lái)的價(jià)格也開(kāi)始下降，同時(shí)由于體積重量的減小使得其應(yīng)用于直接空冷島直接驅(qū)動(dòng)低轉(zhuǎn)速風(fēng)機(jī)成為可能。為了驗(yàn)證永磁電機(jī)改造的可行性，抱著嚴(yán)謹(jǐn)負(fù)責(zé)的態(tài)度對(duì)其節(jié)能效果進(jìn)行了對(duì)比性驗(yàn)證[1]。

1 永磁電機(jī)的特點(diǎn)

1.1 低轉(zhuǎn)速永磁電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)

永磁電機(jī)采用永磁體勵(lì)磁，無(wú)須勵(lì)磁電流，轉(zhuǎn)子無(wú)銅耗，定子銅耗相對(duì)較小，電機(jī)效率高，相比異步電機(jī)，效率提高約3%～5%，不需要定子繞組的無(wú)功勵(lì)磁電流，功率因數(shù)也更高。

永磁電機(jī)的材料利用率高，同功率情況下，電機(jī)體積和重量比異步有較大減少，電機(jī)功率密度更大。

永磁電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)扇葉，沒(méi)有傳統(tǒng)應(yīng)用中的高速運(yùn)轉(zhuǎn)部分，機(jī)械損耗大幅減小，故障點(diǎn)少、運(yùn)行更加安全可靠，檢修周期長(zhǎng)。

電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)替代異步電動(dòng)機(jī)+減速機(jī)方式，使得結(jié)構(gòu)減少，可減輕空冷島整體支架的承重，重量輕、體積小吊裝施工、現(xiàn)場(chǎng)安裝方便快捷，可以大幅降低設(shè)備的檢修安裝時(shí)間。

電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)替代異步電動(dòng)機(jī)+減速機(jī)方式，省去了減速機(jī)及聯(lián)軸器的效率損失，提高傳動(dòng)效率[2]。

1.2 低轉(zhuǎn)速永磁電機(jī)的缺點(diǎn)

由于稀土永磁目前的價(jià)格還比較貴，稀土永磁電機(jī)的成本一般比異步電機(jī)高，使得永磁電機(jī)的價(jià)格較普通異步電機(jī)高。

由于永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子始終產(chǎn)生磁場(chǎng)，在風(fēng)力等外力作用下風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)從而產(chǎn)生電流，啟動(dòng)時(shí)會(huì)出現(xiàn)啟動(dòng)困難，需要在電機(jī)側(cè)加裝剎車制動(dòng)裝置來(lái)保證風(fēng)機(jī)在任何工況下可以順利啟動(dòng)。

2 方案簡(jiǎn)介

2.1 改造方案

采用低速大轉(zhuǎn)矩永磁電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)取代異步電動(dòng)機(jī)+聯(lián)軸器+減速機(jī)原運(yùn)行系統(tǒng)，電動(dòng)機(jī)輸出軸與風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)軸直接連接，縮減系統(tǒng)動(dòng)力與負(fù)載之間的傳動(dòng)鏈，動(dòng)力與負(fù)載直接接觸，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)傳動(dòng)效率最大化，同時(shí)永磁電機(jī)較傳統(tǒng)電機(jī)額定功率減少22 kW。

2.2 節(jié)能效果對(duì)比方案

如表1 所示，由于永磁電機(jī)較傳統(tǒng)異步電機(jī)額定功率降低22 kW，理論上在運(yùn)行于額定功率時(shí)功率下降22 kW，永磁電機(jī)較傳統(tǒng)異步電機(jī)節(jié)能約16.67%，同時(shí)由于優(yōu)化減速機(jī)的中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)使得傳動(dòng)效率提高4.79%，即額定功率下?lián)Q算永磁電機(jī)較傳統(tǒng)異步電機(jī)節(jié)能約20.66%。但由于風(fēng)機(jī)屬于變頻器驅(qū)動(dòng)，全年寬幅運(yùn)行于不同頻率區(qū)間，所有使用理論計(jì)算的節(jié)電率不能代表空冷風(fēng)機(jī)正常工況下的節(jié)能量，需先計(jì)算出不同頻率下的節(jié)電量，再根據(jù)全年該頻率的運(yùn)行小時(shí)計(jì)算該頻率節(jié)電率，最后全年頻率分布情況綜合計(jì)算全年節(jié)電情況。

3 節(jié)電及計(jì)算方法

3.1 運(yùn)行數(shù)據(jù)采集

為了更加真實(shí)準(zhǔn)確反映永磁電機(jī)的節(jié)能效果，在相近位置布置一臺(tái)永磁電機(jī)與其運(yùn)行工況接近的異步電機(jī)進(jìn)行對(duì)比。因功率參數(shù)為瞬時(shí)量，存在波動(dòng)情況，用瞬時(shí)功率計(jì)算節(jié)能效果可能存在誤差，因此在永磁電機(jī)和異步電機(jī)變頻器出線后分別掛一臺(tái)電度表計(jì)量用電量的來(lái)計(jì)算節(jié)電量。在得出各頻率下電量差值后，乘以各頻率全年運(yùn)行小時(shí)數(shù)求和可得出永磁電機(jī)對(duì)比異步電機(jī)全年節(jié)電量，即：

式中：W 為風(fēng)機(jī)電量，kWh；T 為運(yùn)行時(shí)間，h；

3.2 全年風(fēng)機(jī)運(yùn)行頻率分布統(tǒng)計(jì)

因機(jī)組的負(fù)荷率動(dòng)態(tài)變化，且隨著季節(jié)的環(huán)境溫度和天氣的變化空冷風(fēng)機(jī)運(yùn)行的頻率變化頻繁，全年風(fēng)機(jī)處于寬頻變化范圍，為盡可能保證計(jì)算接近真實(shí)情況，將頻率0～50 Hz 范圍每間隔5 Hz 拆分成9個(gè)區(qū)間段來(lái)統(tǒng)計(jì)每個(gè)區(qū)間的運(yùn)行時(shí)間，2021 年機(jī)組各頻率段運(yùn)行時(shí)間見(jiàn)表2。為了驗(yàn)證SIS 數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，將各頻率運(yùn)行小時(shí)求和得出風(fēng)機(jī)的全年運(yùn)行小時(shí)數(shù)為6 930 h，查的機(jī)組可靠性全年運(yùn)行小時(shí)為6 631 h，偏差299 h，由于機(jī)組啟動(dòng)前及停機(jī)后仍然需要一段時(shí)間來(lái)保持真空，風(fēng)機(jī)不會(huì)馬上停運(yùn)，因此從SIS 取得的頻率分布數(shù)據(jù)合理。

表2 根據(jù)SIS 系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)各頻率段運(yùn)行時(shí)間

3.3 進(jìn)一步驗(yàn)證全年風(fēng)機(jī)運(yùn)行頻率合理性

通過(guò)變頻器運(yùn)行數(shù)據(jù)讀取15 Hz、20 Hz、25 Hz、30 Hz、35 Hz、40 Hz、45 Hz、50 Hz 的中間頻率的功率作為平均數(shù)來(lái)計(jì)算全年的耗電量，W=PT（W 為電量、P 為穩(wěn)定60 min 功率、T 為運(yùn)行時(shí)間），計(jì)算的2021年度耗電量為683.25 萬(wàn)kW·h，見(jiàn)表3。

表3 異步電機(jī)各頻率耗電量

在節(jié)能數(shù)據(jù)電量統(tǒng)計(jì)中機(jī)組空冷系統(tǒng)的2021 年總耗電量為691.75 萬(wàn)kW·h，通過(guò)不同頻率下電機(jī)的功率與運(yùn)行小時(shí)數(shù)計(jì)算出年度耗電量683.25 萬(wàn)kW·h，偏差8.5 kW·h，誤差為1.2%，在合理范圍，說(shuō)明通過(guò)SIS 取數(shù)統(tǒng)計(jì)的全年頻率分布較合理。

因此，在計(jì)算出各頻率下永磁電機(jī)與異步電機(jī)耗電量差后，與各頻率運(yùn)行小時(shí)乘積即可求出該頻率段下的節(jié)電量，再將所有頻率段下的節(jié)電電量求和即可求出永磁電機(jī)對(duì)比異步電機(jī)全年的節(jié)電量。

3.4 全年節(jié)電量計(jì)算

2022 年8 月10 日—2022 年8 月20 日期間對(duì)永磁電機(jī)241 與異步電機(jī)251 兩臺(tái)風(fēng)機(jī)在不同頻率下運(yùn)行相同時(shí)間抄錄的電度表統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

表4 永磁與異步電機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)比

根據(jù)表4 通過(guò)電度表計(jì)量電量計(jì)算的各頻率下的節(jié)電率，依據(jù)2021 年各頻率運(yùn)行小時(shí)數(shù)通過(guò)公式W節(jié)=（W異步1-W永磁1）×T1+（W異步2-W永磁2）×T2+…+（W異步n-W永磁n）×Tn計(jì)算出2021 年永磁電機(jī)對(duì)比異步電機(jī)全節(jié)電量為22.56 萬(wàn)kW·h，節(jié)電率為3.3%，見(jiàn)表5。折每臺(tái)風(fēng)機(jī)0.75 萬(wàn)kW·h，費(fèi)用0.3 萬(wàn)元。

表5 2021 年頻率分布計(jì)算節(jié)電量

4 維護(hù)成本節(jié)約計(jì)算

4.1 異步電機(jī)每年維護(hù)費(fèi)用

原有空冷風(fēng)機(jī)采用異步電機(jī)+減速機(jī)驅(qū)動(dòng)模式，電機(jī)及減速機(jī)均需定期進(jìn)行保養(yǎng)維護(hù)，保養(yǎng)維護(hù)項(xiàng)目如下：

按照每臺(tái)減速機(jī)3 年（18 000 h）更換齒輪油約70 L 計(jì)算（每年利用小時(shí)數(shù)7 197 h），每年更換齒輪油約23 L，約0.67 萬(wàn)元。

每臺(tái)減速機(jī)按五年維修一次計(jì)劃，費(fèi)用約5 萬(wàn)元/臺(tái)，折合每年每臺(tái)減速機(jī)維修費(fèi)用1 萬(wàn)元/臺(tái)。

電機(jī)軸承更換費(fèi)：每臺(tái)電機(jī)每2 年更換2 套軸承，合計(jì)0.22 萬(wàn)元，折合每年每臺(tái)電機(jī)更換軸承0.11萬(wàn)元。

人工費(fèi)：每年更換軸承、拆卸電機(jī)、拆卸減速機(jī)等全部工作需進(jìn)行電機(jī)、減速機(jī)拆卸安裝，每次預(yù)計(jì)時(shí)間4 個(gè)工作日，人員數(shù)量5 人，人員費(fèi)用300 元/天，合計(jì)0.6 萬(wàn)元/年。

綜合計(jì)算每臺(tái)設(shè)備年維護(hù)費(fèi)用0.67+1+0.11+0.6=2.38 萬(wàn)元。

4.2 永磁電機(jī)每年維護(hù)費(fèi)用

永磁電機(jī)在改造后將優(yōu)化原有的減速機(jī)，由經(jīng)減速機(jī)驅(qū)動(dòng)變?yōu)橹苯域?qū)動(dòng)，從而省去減速機(jī)的檢修維護(hù)費(fèi)用；永磁直驅(qū)電機(jī)由于轉(zhuǎn)速較低，電機(jī)的軸承壽命增加，每年對(duì)電機(jī)軸承油脂進(jìn)行更換即可，費(fèi)用可忽略；永磁電機(jī)取消拆卸電機(jī)、拆卸減速機(jī)等全部工作，此部分費(fèi)用基本為0。

綜上對(duì)比，更換永磁電機(jī)后單臺(tái)電機(jī)年維護(hù)成本相比異步電機(jī)加減速機(jī)模式降低2.38 萬(wàn)元。

5 其他節(jié)能影響因素

空冷風(fēng)機(jī)目前的異步電機(jī)+減速機(jī)組合模式因軸距長(zhǎng)震動(dòng)偏大，不能超頻運(yùn)行，在更換永磁直驅(qū)電機(jī)后直驅(qū)模式下振動(dòng)減小，可滿足風(fēng)機(jī)超頻5 Hz 運(yùn)行，整島更換后在夏季高溫時(shí)段全島30 臺(tái)風(fēng)機(jī)均可超頻5 Hz 運(yùn)行，對(duì)機(jī)組背壓降低較為有利。根據(jù)以往風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化估算全島超頻運(yùn)行可降低背壓2 kPa左右，按照每月發(fā)電量1.5 億kW·h，夏季4 個(gè)月總發(fā)電量6 億kW·h，1 kPa 對(duì)應(yīng)1.5 g/kW·h 計(jì)算可節(jié)約標(biāo)煤約1 800 t，按照市場(chǎng)價(jià)格700 元/t 計(jì)算年節(jié)約費(fèi)用約126 萬(wàn)元，折合每臺(tái)風(fēng)機(jī)4.2 萬(wàn)元。

6 結(jié)論

6.1 經(jīng)濟(jì)性

根據(jù)節(jié)能計(jì)算永磁電機(jī)改造后只有在20 Hz以內(nèi)節(jié)電率能達(dá)到15%左右，節(jié)能效果較為明顯，在風(fēng)機(jī)頻率高于20 Hz后節(jié)電率只有3%左右，基本沒(méi)有節(jié)能效果，由于機(jī)組只有在冬季極寒天氣下風(fēng)機(jī)頻率才能降到20 Hz以下，全年大部分時(shí)間運(yùn)行頻率均大于20 Hz，致使全年綜合節(jié)電率在3.3%左右，因此單純節(jié)電方面考慮，永磁電機(jī)改造不具備經(jīng)濟(jì)性。

從風(fēng)機(jī)超頻運(yùn)行降低機(jī)組背壓方面每臺(tái)風(fēng)機(jī)每年節(jié)約煤耗支出4.2 萬(wàn)元，從節(jié)省設(shè)備維護(hù)方面每年可節(jié)省維護(hù)成本約2.38 萬(wàn)元，每年每臺(tái)風(fēng)機(jī)可節(jié)約約6.58 萬(wàn)元。

6.2 運(yùn)行可靠性

永磁電機(jī)直驅(qū)模式由于簡(jiǎn)化了減速機(jī)，使得設(shè)備數(shù)量減少?gòu)亩鴾p少了故障點(diǎn)，同時(shí)永磁電機(jī)一般屬于免維護(hù)產(chǎn)品，只需定期對(duì)電機(jī)軸承油脂進(jìn)行更換使得設(shè)備運(yùn)行可靠性提高，有利于設(shè)備的長(zhǎng)周期運(yùn)行。

在考量永磁電機(jī)改造的可行性時(shí)應(yīng)考量廠內(nèi)現(xiàn)有設(shè)備的運(yùn)行健康狀況，如減速機(jī)運(yùn)行年限、維護(hù)質(zhì)量等，同時(shí)考慮風(fēng)機(jī)有無(wú)超頻運(yùn)行需求，不能單純考慮節(jié)電率，需綜合考慮投資與回報(bào)率。