浅谈稀土永磁同步电机在热电厂的应用

2021-11-05王文杰

上海节能 2021年10期

王文杰

杭州临江环保热电有限公司

0 前言

随着能源双控和节能减排政策的不断加强，能源使用越来越受到企业的重视。热电厂作为能源转换企业，对如何降低能耗、做好节能改造、提高转换效率，既是企业自身发展的需要，也是我国可持续发展的客观要求。循环水泵作为热电厂重要辅机之一，其运行工况直接影响到系统安全和经济指标。

1 改造前循环水泵运行情况及分析

杭州临江环保热电有限公司有3台130 t/h高温高压循环流化床锅炉、2台15 MW和1台7.5 MW背压汽轮机组，3台KQAN350-M13/333循环水泵。循环水泵容积流量为726～1 210 m3/h、扬程25～35 m、设计效率82%；配套电机Y2-315S-4、额定电压380 V、额定功率110 kW、功率因数0.88。循环水泵为低扬程大流量泵，配套电机导磁材料为热轧硅钢片，#3循环水泵配有ABB变频器，可根据运行需要切换工/变频状态。循环水泵投运时间已达10年，且热轧硅钢片能耗较高，故需进行改造。

1.1 水泵运行工况

3台循环水泵出口母管连通，即出口压力相同，系统流程图见图1。当锅炉、汽机负荷逐步增加时，循环水需求也同步增加，此时需开启2台循环水泵才能满足系统冷却水要求，通常#2、#3泵运行，#1泵备用，出口压力为0.25～0.3 MPa。通过整理2020年3-7月耗电量和循环水泵出口压力，发现水泵电机能耗与出口压力呈正相关关系，见图2。

图1 循环水泵系统流程图

图2 循环水泵出口压力与日耗电量的曲线对照表

1.2 循环水泵能耗情况

2020年5月8日至6月8日#2循环水泵电量统计见表1。

表1 #2循环水泵耗电量统计表

根据表1可看出，#2循环水泵电机平均负载率为77.8%，在合理范围内，说明电机处于最佳负载率区间运行。但由于配套电机为Y2系列，根据公式计算电动机效率，其中：

P——电动机额定有功功率，单位：千瓦（kW）；

U——电动机额定电压，单位：伏特（V）；

I——电动机额定电流，单位：安培（A）；

cosØ——电动机功率因数，

将电动机铭牌参数置入上公式，得出电动机效率η=94.5%。查阅低压电动机能效等级对照表（见表2）可知，循环水泵电机为三级能效等级，属高能耗，为淘汰设备。

本届民族运动会将有来自全省各州市、云南民族大学和云南师范大学18个代表团共1899名运动员参赛，竞赛项目预计将产生135个金奖，表演类项目预计将产生17个金奖。

表2 电动机能效等级

综上所述，#2循环水泵处于高能耗运行状态，具有较大节能空间。

2 循环水泵电动机的改造

前面提到，电机高能耗多是由于本身效率不高引起的，因此，如何提高电动机效率是主要议题。电动机效率与类型有关，Y系列为鼠笼型转子异步电动机，导磁材料为热轧硅钢片，能耗高、效率低、环保性差，不符合《中小型三相异步电动机能效限定值及能效等级》（GB18613-2012）标准中能效限定值要求。

2.1 永磁同步电动机

永磁同步电动机(PMSM)是在稀土永磁材料的基础上发展起来的，具有结构简单、运行可靠、体积小、重量轻、损耗少、效率高等显著特点[2]。永磁同步电动机与普通异步电动机的区别在于转子结构，永磁同步电动机是永磁机固定在转子上，无需励磁，从而达到节能目的。根据永磁体在转子上的安装方式，可分为表贴式（SPM）和内置式(IPM)，详见图3。

图3 永磁同步电动机结构示意图

表贴式SPM电机结构简单、制造容易、成本低，但调速范围小，当电机转速大于基速时，功率因数迅速降低，带负载能力差。为此选用调速性能好、电机恒功率运行范围大的内置式IPM型电机。但内置式IPM型电机在启动时由于转子惯量大，磁场旋转太快，静止的电机根本无法跟随旋转，故必须加入带有矢量控制的变频器进行辅助。启动时，变频器输出从0开始，逐渐上升到工作频率，电机则随着变频器输出频率同步旋转。