赵瑞峰
（山西京玉发电有限责任公司， 山西 朔州 037200）
0 引言单台300 MW 机组直接空冷系统配置30 台风机，电机额定功率132 kW，额定电流240 A，风机端额定转速为105 r/min。在整个机组中空冷风机耗电率占发电量的0.8%左右，是机组耗电量最大的辅机系统，风机减速机需定期对齿轮润滑油进行更换，同时随着运行时间的增加，减速的故障率提高，减速机的送修费用及减速机拆装工时及影响的风机运行时间等都是一笔不小的支出。随着永磁电机技术不断更新及永磁材料价格的降低，多极低转速永磁电机近年来的价格也开始下降，同时由于体积重量的减小使得其应用于直接空冷岛直接驱动低转速风机成为可能。为了验证永磁电机改造的可行性，抱着严谨负责的态度对其节能效果进行了对比性验证[1]。
1 永磁电机的特点1.1 低转速永磁电机的优点永磁电机采用永磁体励磁，无须励磁电流，转子无铜耗，定子铜耗相对较小，电机效率高，相比异步电机，效率提高约3%～5%，不需要定子绕组的无功励磁电流，功率因数也更高。
永磁电机的材料利用率高，同功率情况下，电机体积和重量比异步有较大减少，电机功率密度更大。
永磁电动机直接驱动扇叶，没有传统应用中的高速运转部分，机械损耗大幅减小，故障点少、运行更加安全可靠，检修周期长。
电机直接驱动替代异步电动机+减速机方式，使得结构减少，可减轻空冷岛整体支架的承重，重量轻、体积小吊装施工、现场安装方便快捷，可以大幅降低设备的检修安装时间。
电机直接驱动替代异步电动机+减速机方式，省去了减速机及联轴器的效率损失，提高传动效率[2]。
1.2 低转速永磁电机的缺点由于稀土永磁目前的价格还比较贵，稀土永磁电机的成本一般比异步电机高，使得永磁电机的价格较普通异步电机高。
由于永磁电机转子始终产生磁场，在风力等外力作用下风机转动从而产生电流，启动时会出现启动困难，需要在电机侧加装刹车制动装置来保证风机在任何工况下可以顺利启动。
2 方案简介2.1 改造方案采用低速大转矩永磁电动机直接驱动系统取代异步电动机+联轴器+减速机原运行系统，电动机输出轴与风扇驱动轴直接连接，缩减系统动力与负载之间的传动链，动力与负载直接接触，实现系统传动效率最大化，同时永磁电机较传统电机额定功率减少22 kW。
2.2 节能效果对比方案如表1 所示，由于永磁电机较传统异步电机额定功率降低22 kW，理论上在运行于额定功率时功率下降22 kW，永磁电机较传统异步电机节能约16.67%，同时由于优化减速机的中间传动环节使得传动效率提高4.79%，即额定功率下换算永磁电机较传统异步电机节能约20.66%。但由于风机属于变频器驱动，全年宽幅运行于不同频率区间，所有使用理论计算的节电率不能代表空冷风机正常工况下的节能量，需先计算出不同频率下的节电量，再根据全年该频率的运行小时计算该频率节电率，最后全年频率分布情况综合计算全年节电情况。
3 节电及计算方法3.1 运行数据采集为了更加真实准确反映永磁电机的节能效果，在相近位置布置一台永磁电机与其运行工况接近的异步电机进行对比。因功率参数为瞬时量，存在波动情况，用瞬时功率计算节能效果可能存在误差，因此在永磁电机和异步电机变频器出线后分别挂一台电度表计量用电量的来计算节电量。在得出各频率下电量差值后，乘以各频率全年运行小时数求和可得出永磁电机对比异步电机全年节电量，即：
式中：W 为风机电量，kWh；T 为运行时间，h；
3.2 全年风机运行频率分布统计因机组的负荷率动态变化，且随着季节的环境温度和天气的变化空冷风机运行的频率变化频繁，全年风机处于宽频变化范围，为尽可能保证计算接近真实情况，将频率0～50 Hz 范围每间隔5 Hz 拆分成9个区间段来统计每个区间的运行时间，2021 年机组各频率段运行时间见表2。为了验证SIS 数据的准确性，将各频率运行小时求和得出风机的全年运行小时数为6 930 h，查的机组可靠性全年运行小时为6 631 h，偏差299 h，由于机组启动前及停机后仍然需要一段时间来保持真空，风机不会马上停运，因此从SIS 取得的频率分布数据合理。
表2 根据SIS 系统统计各频率段运行时间
3.3 进一步验证全年风机运行频率合理性通过变频器运行数据读取15 Hz、20 Hz、25 Hz、30 Hz、35 Hz、40 Hz、45 Hz、50 Hz 的中间频率的功率作为平均数来计算全年的耗电量，W=PT（W 为电量、P 为稳定60 min 功率、T 为运行时间），计算的2021年度耗电量为683.25 万kW·h，见表3。
表3 异步电机各频率耗电量
在节能数据电量统计中机组空冷系统的2021 年总耗电量为691.75 万kW·h，通过不同频率下电机的功率与运行小时数计算出年度耗电量683.25 万kW·h，偏差8.5 kW·h，误差为1.2%，在合理范围，说明通过SIS 取数统计的全年频率分布较合理。
因此，在计算出各频率下永磁电机与异步电机耗电量差后，与各频率运行小时乘积即可求出该频率段下的节电量，再将所有频率段下的节电电量求和即可求出永磁电机对比异步电机全年的节电量。
3.4 全年节电量计算2022 年8 月10 日—2022 年8 月20 日期间对永磁电机241 与异步电机251 两台风机在不同频率下运行相同时间抄录的电度表统计数据见表4。
表4 永磁与异步电机运行数据对比
根据表4 通过电度表计量电量计算的各频率下的节电率，依据2021 年各频率运行小时数通过公式W节=（W异步1-W永磁1）×T1+（W异步2-W永磁2）×T2+…+（W异步n-W永磁n）×Tn计算出2021 年永磁电机对比异步电机全节电量为22.56 万kW·h，节电率为3.3%，见表5。折每台风机0.75 万kW·h，费用0.3 万元。
表5 2021 年频率分布计算节电量
4 维护成本节约计算4.1 异步电机每年维护费用原有空冷风机采用异步电机+减速机驱动模式，电机及减速机均需定期进行保养维护，保养维护项目如下：
按照每台减速机3 年（18 000 h）更换齿轮油约70 L 计算（每年利用小时数7 197 h），每年更换齿轮油约23 L，约0.67 万元。
每台减速机按五年维修一次计划，费用约5 万元/台，折合每年每台减速机维修费用1 万元/台。
电机轴承更换费：每台电机每2 年更换2 套轴承，合计0.22 万元，折合每年每台电机更换轴承0.11万元。
人工费：每年更换轴承、拆卸电机、拆卸减速机等全部工作需进行电机、减速机拆卸安装，每次预计时间4 个工作日，人员数量5 人，人员费用300 元/天，合计0.6 万元/年。
综合计算每台设备年维护费用0.67+1+0.11+0.6=2.38 万元。
4.2 永磁电机每年维护费用永磁电机在改造后将优化原有的减速机，由经减速机驱动变为直接驱动，从而省去减速机的检修维护费用；永磁直驱电机由于转速较低，电机的轴承寿命增加，每年对电机轴承油脂进行更换即可，费用可忽略；永磁电机取消拆卸电机、拆卸减速机等全部工作，此部分费用基本为0。
综上对比，更换永磁电机后单台电机年维护成本相比异步电机加减速机模式降低2.38 万元。
5 其他节能影响因素空冷风机目前的异步电机+减速机组合模式因轴距长震动偏大，不能超频运行，在更换永磁直驱电机后直驱模式下振动减小，可满足风机超频5 Hz 运行，整岛更换后在夏季高温时段全岛30 台风机均可超频5 Hz 运行，对机组背压降低较为有利。根据以往风机转速变化估算全岛超频运行可降低背压2 kPa左右，按照每月发电量1.5 亿kW·h，夏季4 个月总发电量6 亿kW·h，1 kPa 对应1.5 g/kW·h 计算可节约标煤约1 800 t，按照市场价格700 元/t 计算年节约费用约126 万元，折合每台风机4.2 万元。
6 结论6.1 经济性根据节能计算永磁电机改造后只有在20 Hz以内节电率能达到15%左右，节能效果较为明显，在风机频率高于20 Hz后节电率只有3%左右，基本没有节能效果，由于机组只有在冬季极寒天气下风机频率才能降到20 Hz以下，全年大部分时间运行频率均大于20 Hz，致使全年综合节电率在3.3%左右，因此单纯节电方面考虑，永磁电机改造不具备经济性。
从风机超频运行降低机组背压方面每台风机每年节约煤耗支出4.2 万元，从节省设备维护方面每年可节省维护成本约2.38 万元，每年每台风机可节约约6.58 万元。
6.2 运行可靠性永磁电机直驱模式由于简化了减速机，使得设备数量减少从而减少了故障点，同时永磁电机一般属于免维护产品，只需定期对电机轴承油脂进行更换使得设备运行可靠性提高，有利于设备的长周期运行。
在考量永磁电机改造的可行性时应考量厂内现有设备的运行健康状况，如减速机运行年限、维护质量等，同时考虑风机有无超频运行需求，不能单纯考虑节电率，需综合考虑投资与回报率。
