煤基乙醇裝置電機(jī)節(jié)能改造總結(jié)

魏銀萍

(陜西延長(zhǎng)石油興化新能源有限公司，陜西 興平 713100)

0 引 言

能源是人類社會(huì)活動(dòng)的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。近年來(lái)，隨著化石能源資源供應(yīng)的日益緊張和生態(tài)環(huán)境的不斷惡化，節(jié)約能源已成為我國(guó)可持續(xù)發(fā)展的一項(xiàng)長(zhǎng)期發(fā)展戰(zhàn)略，國(guó)家出臺(tái)了一系列關(guān)于節(jié)能的政策法規(guī)，將節(jié)能作為我國(guó)能源消費(fèi)革命的主陣地。電機(jī)作為重點(diǎn)工業(yè)用能設(shè)備，其高效節(jié)能技術(shù)的推廣應(yīng)用可有效減少不必要的電力和能源浪費(fèi)。為貫徹落實(shí)國(guó)家節(jié)能減排規(guī)劃和工業(yè)節(jié)能規(guī)劃，推動(dòng)高效電機(jī)開(kāi)發(fā)和推廣應(yīng)用，促進(jìn)電機(jī)產(chǎn)業(yè)升級(jí)，全面提高電機(jī)能效水平，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)工業(yè)經(jīng)濟(jì)綠色高質(zhì)量發(fā)展，2021年10月工業(yè)和信息化部、市場(chǎng)監(jiān)督管理總局聯(lián)合發(fā)布的《電機(jī)能效提升計(jì)劃(2021—2023年)》提出，2023年高效節(jié)能電機(jī)年產(chǎn)量達(dá)到1.7×108kW，在役高效節(jié)能電機(jī)占比達(dá)20%以上，實(shí)現(xiàn)年節(jié)電量490×108kW·h，相當(dāng)于年節(jié)約標(biāo)煤15 000 kt、年減排CO228 000 kt。

陜西興化集團(tuán)有限責(zé)任公司(簡(jiǎn)稱興化集團(tuán))始建于1965年，主要生產(chǎn)氨醇、硝酸銨、純堿、氯化銨等傳統(tǒng)化工產(chǎn)品，近年來(lái)逐步向有機(jī)化工方向轉(zhuǎn)型，其生產(chǎn)裝置大多建成時(shí)間較早，所用電機(jī)效率低、能耗大。為積極響應(yīng)國(guó)家節(jié)能降碳政策、踐行企業(yè)環(huán)境保護(hù)主體責(zé)任，于2021年開(kāi)始開(kāi)展電機(jī)節(jié)能改造工作。通過(guò)對(duì)現(xiàn)有各生產(chǎn)裝置電機(jī)實(shí)際運(yùn)行情況的充分摸排與論證，結(jié)合外部市場(chǎng)調(diào)研、技術(shù)比選情況，確定先以陜西延長(zhǎng)石油興化新能源有限公司(簡(jiǎn)稱興化新能源公司)2017年1月建成投產(chǎn)的100 kt/a煤基乙醇裝置作為電機(jī)節(jié)能改造的示范點(diǎn)，最終實(shí)現(xiàn)由點(diǎn)及面在興化集團(tuán)內(nèi)部全面推行。煤基乙醇裝置完成節(jié)能電機(jī)更換后，發(fā)現(xiàn)其總用電負(fù)荷下降，但個(gè)別節(jié)能電機(jī)能耗存在不降反升的現(xiàn)象，后經(jīng)工藝人員、設(shè)備人員和電機(jī)廠家三方協(xié)作，這些節(jié)能電機(jī)能耗得以下降。以下對(duì)有關(guān)情況作一介紹。

1 節(jié)能電機(jī)簡(jiǎn)介

1.1 節(jié)能電機(jī)節(jié)能原理

高效節(jié)能電機(jī)采用新設(shè)計(jì)、新工藝、新材料等，通過(guò)降低電磁能、熱能和機(jī)械能損耗等來(lái)提高電機(jī)的輸出效率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)節(jié)能。高效節(jié)能電機(jī)與傳統(tǒng)電機(jī)相比，通常情況下其效率可提高4%左右。

電機(jī)在能量轉(zhuǎn)化過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生能量損耗。電機(jī)的能量損耗一般分為定子鐵損耗、定子銅損耗、機(jī)械損耗、轉(zhuǎn)子銅損耗、附加損耗，有針對(duì)性的能效提升措施主要有：① 將熱軋電工鋼改為低損耗、高磁感的冷軋無(wú)取向電工鋼，可降低定子鐵損耗；② 增加定子有效材料用量、改進(jìn)線圈結(jié)構(gòu)方式，可降低定子銅損耗；③ 適當(dāng)減小風(fēng)扇尺寸、改進(jìn)風(fēng)扇結(jié)構(gòu)或改善通風(fēng)結(jié)構(gòu)等，可降低機(jī)械損耗；④ 增加轉(zhuǎn)子有效材料用量，可降低轉(zhuǎn)子銅損耗；⑤ 改變定子繞組形式、改善定子與轉(zhuǎn)子槽配合或適當(dāng)加大氣隙，可降低附加損耗。這五種方法中，有的方法對(duì)電機(jī)能效的提升效果不明顯，有的需要投入的成本又太大，基本上只有通過(guò)適當(dāng)減小風(fēng)扇尺寸、改進(jìn)風(fēng)扇結(jié)構(gòu)或改善通風(fēng)結(jié)構(gòu)的方式(降低機(jī)械損耗)制作的節(jié)能電機(jī)綜合節(jié)能效果最好，此舉幾乎可在制作成本不變的情況下提高電機(jī)能效約35%。

1.2 電機(jī)能效分級(jí)

自2021年6月1日起，《電動(dòng)機(jī)能效限定值及能效等級(jí)》(GB 18613—2020)正式實(shí)施。GB 18613—2020能效三級(jí)、能效二級(jí)、能效一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)分別與國(guó)際電機(jī)標(biāo)準(zhǔn)IEC60034-01之IE3、IE4、IE5保持了一致，即IE3成為我國(guó)最低的三相異步電動(dòng)機(jī)能效限定值(三級(jí)能效)，低于IE3能效限定值的三相異步電動(dòng)機(jī)(如YE2系列電動(dòng)機(jī)等)不允許再生產(chǎn)銷售；而GB 18613—2020能效三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)分別相當(dāng)于原《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—2012)能效二級(jí)水平、《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—2006)能效一級(jí)水平。

1.3 節(jié)能電機(jī)的優(yōu)勢(shì)

1.3.1 節(jié)能效果好

電機(jī)效率是指電機(jī)輸出功率與輸入功率之比，普通電機(jī)的效率一般在75%～92%之間，剩余25%～8%的部分在設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中以摩擦、阻力、發(fā)熱等形式被消耗掉，從而造成一定的電能浪費(fèi)。高效節(jié)能電機(jī)則是通過(guò)對(duì)電機(jī)零部件制作及組裝過(guò)程的不斷優(yōu)化改進(jìn)來(lái)提升電機(jī)的運(yùn)行效率，以降低系統(tǒng)電耗、實(shí)現(xiàn)節(jié)能目標(biāo)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，高效節(jié)能電機(jī)相較于普通電機(jī)效率平均可提高4%左右，消耗電量降低15%左右，系統(tǒng)熱損降低的同時(shí)可延長(zhǎng)電機(jī)使用壽命，使電機(jī)更耐用、運(yùn)行更可靠，長(zhǎng)期運(yùn)行成本低，節(jié)能效益可觀。除能量轉(zhuǎn)化效率高外，高效節(jié)能電機(jī)在整個(gè)配套系統(tǒng)優(yōu)化方面也有一定的能效優(yōu)勢(shì)，其所具有的高傳輸比可優(yōu)化整個(gè)電力傳輸系統(tǒng)，通過(guò)牽動(dòng)上下游控制模塊進(jìn)一步提升節(jié)能效果。

1.3.2 環(huán)保效益好

高效節(jié)能電機(jī)的應(yīng)用，可顯著降低系統(tǒng)運(yùn)行電耗，從而降低發(fā)電原料煤消耗，減少環(huán)境污染，促進(jìn)碳減排，順應(yīng)綠色、低碳、環(huán)保的發(fā)展趨勢(shì)，可提高我國(guó)產(chǎn)業(yè)與經(jīng)濟(jì)的全球競(jìng)爭(zhēng)力。

2 煤基乙醇裝置電機(jī)節(jié)能改造實(shí)施情況

為積極響應(yīng)國(guó)家關(guān)于節(jié)能降碳的號(hào)召，興化集團(tuán)綜合研判生產(chǎn)裝置運(yùn)行實(shí)際、充分調(diào)研電機(jī)節(jié)能改造配套技術(shù)，于2021年起將“先示范后推廣，逐步淘汰低能效等級(jí)、實(shí)施高效節(jié)能電機(jī)改造”作為企業(yè)一項(xiàng)節(jié)能重點(diǎn)工作深入開(kāi)展。經(jīng)充分論證，電機(jī)節(jié)能改造示范點(diǎn)選取了電機(jī)數(shù)量較多、改造實(shí)施難度較低、運(yùn)行效益論證相對(duì)容易的100 kt/a煤基乙醇裝置。

2.1 原電機(jī)運(yùn)行狀況及改造的可行性

煤基乙醇裝置原設(shè)計(jì)電機(jī)效率大多在75%～90%之間，能效低于GB 18613—2020能效三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。煤基乙醇裝置投運(yùn)至今已6 a多，近年來(lái)裝置運(yùn)行中多臺(tái)電機(jī)出現(xiàn)過(guò)不同程度的溫度升高、聲音變大等現(xiàn)象，電力部門在對(duì)電機(jī)進(jìn)行例行檢查中發(fā)現(xiàn)，部分電機(jī)零部件已出現(xiàn)老化現(xiàn)象，這給裝置的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)一定的隱患。

參照相關(guān)要求，高效節(jié)能電機(jī)替換的適用范圍是電機(jī)負(fù)載率在50%以上、年運(yùn)行時(shí)間>3 000 h的恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載。煤基乙醇裝置年均生產(chǎn)負(fù)荷>80%，運(yùn)行時(shí)間約7 500 h，電機(jī)整體運(yùn)行負(fù)荷較高，滿足節(jié)能電機(jī)替換要求。

2.2 高效節(jié)能電機(jī)的選定、采購(gòu)、更換

考慮到煤基乙醇裝置原有電機(jī)均為臥龍電氣南陽(yáng)防爆集團(tuán)股份有限公司生產(chǎn)，其在電機(jī)行業(yè)的業(yè)績(jī)和口碑俱佳，為保證與原有設(shè)備配套的一致性，本次電機(jī)節(jié)能改造最終確定采用臥龍電氣驅(qū)動(dòng)集團(tuán)的IE5型高效節(jié)能電機(jī)。

煤基乙醇裝置在用電機(jī)68臺(tái)，電機(jī)節(jié)能改造于2021年完成論證，并被列入興化新能源公司2022年專項(xiàng)工程；2023年3月，煤基乙醇裝置68臺(tái)高效節(jié)能電機(jī)完成制作并到貨，工藝、檢修、電氣三方專業(yè)人員提前充分論證了更換方案，嚴(yán)格執(zhí)行“備機(jī)不過(guò)夜”制度，確保當(dāng)天更換的電機(jī)調(diào)試完成而具備備用條件。最終經(jīng)過(guò)半個(gè)多月的周密組織實(shí)施，高效、有序地完成了所有節(jié)能電機(jī)更換工作并正常投運(yùn)。

3 節(jié)能效果

2023年4月興化新能源公司68臺(tái)節(jié)能電機(jī)更換施工完成并投用，運(yùn)行電耗降低，改造示范效應(yīng)明顯，技術(shù)人員對(duì)電機(jī)更換前后相同生產(chǎn)負(fù)荷(80%)下煤基乙醇裝置電耗進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)與對(duì)比分析：電機(jī)更換前的2023年3月21—23日電耗分別為162 975 kW·h、163 800 kW·h、163 569 kW·h，日均電耗為163 448 kW·h；電機(jī)更換后的2023年5月1—3日電耗分別為158 904 kW·h、159 620 kW·h、158 489 kW·h，日均電耗為159 004 kW·h。可以看到，更換為節(jié)能電機(jī)后，相同負(fù)荷下日用電量平均下降4 444 kW·h，電機(jī)能耗較改造前下降2.7%，低于預(yù)期節(jié)能目標(biāo)5%。

更換為節(jié)能電機(jī)后，煤基乙醇裝置按年運(yùn)行330 d、電價(jià)0.55元/(kW·h)計(jì)，全年節(jié)電產(chǎn)生的直接效益約4444×330×0.55÷10000=80.66萬(wàn)元。本次節(jié)能電機(jī)更換投資費(fèi)用350萬(wàn)元，年投資收益率約80.66÷350=23.04%。

4 節(jié)能電機(jī)應(yīng)用中問(wèn)題解決與探討

本批次更換的節(jié)能電機(jī)投用后，運(yùn)行中主要存在兩方面的問(wèn)題，一是少部分節(jié)能電機(jī)能耗水平高于舊電機(jī)，二是整體節(jié)能水平低于預(yù)期。為此，工藝上協(xié)同檢修、電氣及電機(jī)廠家技術(shù)人員通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)查看、實(shí)際檢測(cè)、分析探究及實(shí)施改進(jìn)等，以盡量解決上述問(wèn)題，具體過(guò)程總結(jié)如下。

4.1 部分電機(jī)能耗不降反升問(wèn)題

節(jié)能電機(jī)投運(yùn)后，工藝上統(tǒng)計(jì)分析其總體節(jié)能效果時(shí)發(fā)現(xiàn)，68臺(tái)節(jié)能電機(jī)中，有45臺(tái)節(jié)能效果明顯，有18臺(tái)電機(jī)更換前后能耗變化不大，還有5臺(tái)電機(jī)能耗不降反升(變電所查看到電機(jī)能耗與電流變化趨勢(shì)一致)。為查明原因，興化新能源公司聯(lián)系電機(jī)廠家用福祿克435型三相電能質(zhì)量分析儀對(duì)更換前后電流呈不同變化趨勢(shì)的2臺(tái)電機(jī)進(jìn)行了電能分析，實(shí)測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)如表1。

表1 不同負(fù)載率下新/舊電機(jī)電能分析統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

節(jié)能電機(jī)出廠能效檢測(cè)報(bào)告是在額定功率(100%負(fù)荷)下完成的，正常生產(chǎn)中煤基乙醇裝置負(fù)荷穩(wěn)定在50%以上，本次實(shí)際測(cè)量分別在50%負(fù)荷、75%負(fù)荷下進(jìn)行。從實(shí)測(cè)結(jié)果(見(jiàn)表1)來(lái)看：1#泵電機(jī)更換后電流下降，負(fù)荷在50%以上即顯示出節(jié)能效果，表明1#泵新電機(jī)在實(shí)際運(yùn)行中實(shí)現(xiàn)了節(jié)能效果；2#泵電機(jī)更換后電流不降反升，且負(fù)荷加至75%時(shí)仍無(wú)法呈現(xiàn)節(jié)能效果。

為此，技術(shù)人員經(jīng)過(guò)聽(tīng)(異響)、摸(溫度)、測(cè)(振動(dòng))，并對(duì)節(jié)能電機(jī)電能質(zhì)量反復(fù)測(cè)試后，初步得出2#泵新電機(jī)電流偏高的原因主要有兩方面——一是電機(jī)和泵裝配精度可能出現(xiàn)了偏差，二是低負(fù)荷工況下新電機(jī)功率因數(shù)下降趨勢(shì)較舊電機(jī)更加明顯而偏離了其節(jié)能運(yùn)行區(qū)間。安排對(duì)2#泵電機(jī)進(jìn)行二次安裝、找正、調(diào)平后，技術(shù)方再次對(duì)2#泵電機(jī)進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)數(shù)據(jù)如表2?？梢钥吹剑褐匦掳惭b、找正、調(diào)平后，2#泵新電機(jī)電流明顯下降，但在低負(fù)荷下無(wú)法呈現(xiàn)節(jié)能效果，只有在負(fù)荷提至75%后節(jié)能效果才開(kāi)始顯現(xiàn)。同時(shí)，對(duì)其余4臺(tái)能耗出現(xiàn)不降反升的新電機(jī)均進(jìn)行了重新安裝、找正、找平，投用后運(yùn)行效果與2#泵新電機(jī)基本一致。

表2 修正后不同負(fù)載下2#泵電機(jī)電能分析統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

針對(duì)修正后節(jié)能電機(jī)在低負(fù)荷下仍無(wú)節(jié)能效果顯現(xiàn)的問(wèn)題，雙方技術(shù)人員再次開(kāi)展深入交流，最終在對(duì)比了電機(jī)技術(shù)參數(shù)和煤基乙醇裝置實(shí)際運(yùn)行工況后，得出如下結(jié)論：興化新能源公司煤基乙醇裝置作為國(guó)內(nèi)首套工業(yè)示范裝置，實(shí)際運(yùn)行工況與原始設(shè)計(jì)差異較大，尤其是其羰基化加氫系統(tǒng)負(fù)荷常年在60%～80%之間，導(dǎo)致該系統(tǒng)的部分機(jī)泵實(shí)際運(yùn)行負(fù)荷遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)值，加之機(jī)泵和電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)自帶20%裕量，實(shí)際工況與額定工況的嚴(yán)重偏離使得部分電機(jī)存在“大馬拉小車”的現(xiàn)象，這部分節(jié)能電機(jī)只有在裝置接近滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)才能顯現(xiàn)出節(jié)能效果。

4.2 整體節(jié)能水平低于預(yù)期問(wèn)題

經(jīng)測(cè)算，高效節(jié)能電機(jī)平均節(jié)能約4%，而興化新能源公司煤基乙醇裝置節(jié)能電機(jī)投運(yùn)后核算節(jié)能僅2.7%，整體節(jié)能水平低于預(yù)期目標(biāo)。針對(duì)這一問(wèn)題，在分析與總結(jié)部分電機(jī)能耗不降反升問(wèn)題及其解決過(guò)程后，經(jīng)與廠家再次深入探討，最終得出如下結(jié)論：一是高效節(jié)能電機(jī)能效判定標(biāo)準(zhǔn)是以電機(jī)在額定功率下的運(yùn)行工況為前提的，即電機(jī)出廠能效檢測(cè)是在電機(jī)額定功率下進(jìn)行的，想要達(dá)到預(yù)期的節(jié)能效果，須使電機(jī)處于額定工況下運(yùn)行，但實(shí)際生產(chǎn)中化工裝置尤其是新建示范性裝置負(fù)荷常受很多因素影響而難以穩(wěn)定達(dá)到額定工況，節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的制定與生產(chǎn)實(shí)際的脫節(jié)導(dǎo)致實(shí)際節(jié)能效果不及預(yù)期；二是興化新能源公司的煤基乙醇裝置作為示范性裝置，后期技改及運(yùn)行與原始設(shè)計(jì)工況偏差較大，新節(jié)能電機(jī)選型時(shí)參照的是舊電機(jī)技術(shù)參數(shù)而未考慮工藝技改方面的影響，少部分電機(jī)選型偏大，投運(yùn)后出現(xiàn)“大馬拉小車”的現(xiàn)象，導(dǎo)致其節(jié)能效果不明顯。

綜上，節(jié)能電機(jī)節(jié)能效果與其實(shí)際負(fù)載率有很大關(guān)系，負(fù)載率越高，節(jié)能效果越明顯，而實(shí)際運(yùn)行中煤基乙醇裝置負(fù)荷受多種因素影響難以維持高負(fù)荷運(yùn)行。針對(duì)這一實(shí)際情況，雙方技術(shù)人員提出后續(xù)改進(jìn)建議：一是給電機(jī)增加變頻器，通過(guò)變頻器的精準(zhǔn)調(diào)節(jié)使其與系統(tǒng)負(fù)荷的匹配更加合理，消除“大馬拉小車”現(xiàn)象，從而實(shí)現(xiàn)整體效能提升目標(biāo)；二是后續(xù)項(xiàng)目節(jié)能電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)技術(shù)方可將電機(jī)節(jié)能負(fù)荷區(qū)間取在額定工況的60%～80%，這樣對(duì)實(shí)際生產(chǎn)的意義更大，預(yù)計(jì)電機(jī)的實(shí)際節(jié)能效果更佳。

5 結(jié)束語(yǔ)

興化新能源公司煤基乙醇裝置完成電機(jī)節(jié)能改造后，同等負(fù)荷下系統(tǒng)總用電量下降，但個(gè)別電機(jī)能耗存在不降反升現(xiàn)象，后經(jīng)工藝人員、設(shè)備人員和電機(jī)廠家三方檢測(cè)及調(diào)整，此種問(wèn)題得到改善。另外，本次電機(jī)節(jié)能改造工作雖取得了一定成效，但未達(dá)預(yù)期目標(biāo)，究其原因有二——一是部分電機(jī)實(shí)際運(yùn)行工況嚴(yán)重偏離額定工況，二是節(jié)能電機(jī)出廠檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)(在額定工況下進(jìn)行)往往與化工生產(chǎn)實(shí)際不符，這是本次電機(jī)節(jié)能改造未達(dá)預(yù)期目標(biāo)的主要原因。相信上述節(jié)能電機(jī)節(jié)能效果的評(píng)定以及改造過(guò)程中存在的問(wèn)題及對(duì)其解決途徑的總結(jié)，可為煤基乙醇裝置節(jié)能電機(jī)如何實(shí)現(xiàn)高效運(yùn)行提供一些優(yōu)化思路，也可為其他生產(chǎn)裝置高效節(jié)能電機(jī)更換工作提供一些參考與借鑒。