王志學(xué)

中材建設(shè)有限公司（100176）

電動(dòng)機(jī)的選型對(duì)水泥生產(chǎn)工藝節(jié)能降耗的影響

王志學(xué)

中材建設(shè)有限公司（100176）

水泥生產(chǎn)屬高耗能產(chǎn)業(yè)，大量使用異步電動(dòng)機(jī)，磨機(jī)主傳動(dòng)的同步電動(dòng)機(jī)已被交流異步（繞線式）電動(dòng)機(jī)代替，回轉(zhuǎn)窯主傳電機(jī)現(xiàn)在幾乎全部為交流變頻調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)。正確合理選用三相交流異步電動(dòng)機(jī)、確保電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在經(jīng)濟(jì)合理的負(fù)載區(qū)間，提高電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行效率，做好電動(dòng)機(jī)節(jié)能措施是水泥企業(yè)節(jié)能減排的工作內(nèi)容之一。

電動(dòng)機(jī)；選型；節(jié)能降耗

異步電動(dòng)機(jī)的損耗分為定子銅耗、定子鐵耗、轉(zhuǎn)子銅耗、機(jī)械損耗和附加損耗。定子線圈造成的電能損失分為定子銅耗、定子鐵耗，其余能量通過氣隙旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)至轉(zhuǎn)子回路中，這部分功率就是電動(dòng)機(jī)的電磁功率PM。電磁功率傳遞到轉(zhuǎn)子后，產(chǎn)生轉(zhuǎn)子電流，在轉(zhuǎn)子電阻上又發(fā)生轉(zhuǎn)子銅耗Pcu2。從定子傳遞到轉(zhuǎn)子的電磁功率扣除轉(zhuǎn)子銅耗后，便是轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能量PQ。機(jī)械能量PQ除去轉(zhuǎn)子機(jī)械磨擦和冷卻風(fēng)需要的能量后，由電動(dòng)機(jī)軸輸出凈機(jī)械功率P2，三相交流異步電動(dòng)機(jī)各種功率之間的關(guān)系見圖1。

圖1　三相交流異步電動(dòng)機(jī)各種功率之間的關(guān)系

異步電動(dòng)機(jī)必須從電網(wǎng)中吸收無功電流建立旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，功率因數(shù)必然小于1，電機(jī)運(yùn)行中的效率也與之關(guān)聯(lián)，功率因數(shù)應(yīng)補(bǔ)償?shù)揭粋€(gè)合理值，降低線路能耗。

電動(dòng)機(jī)效率計(jì)算公式：

式中，P1——電動(dòng)機(jī)輸入功率，kW；

P2——電動(dòng)機(jī)輸出功率，kW；ΔP——電動(dòng)機(jī)的功率損耗，kW；ΔP0——電動(dòng)機(jī)的功率損耗，kW；ΔP——電動(dòng)機(jī)的功率損耗，kW；β——電動(dòng)機(jī)負(fù)荷率；I——電動(dòng)機(jī)輸入電流，A；U——額定電壓，V；θ——功率因數(shù)角。

普通異步電動(dòng)機(jī)在額定負(fù)載下其效率為75%～92%。異步電動(dòng)機(jī)的效率也隨著負(fù)載的大小而變化。

2012年5月11日，國家有關(guān)部門參照IEC 60034-30《單速三相籠型感應(yīng)電動(dòng)機(jī)效率分機(jī)》國際標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)布了GB18613《中小型三相異步電動(dòng)機(jī)能效限值及能效等級(jí)》，強(qiáng)制性將電動(dòng)機(jī)的效率水平進(jìn)行了3個(gè)等級(jí)的分級(jí)，即Eff1（超高效）、Eff2（高效）和Eff3（普通），其中Eff1（超高效）7.5～375kW的目標(biāo)能效限定值自2012年9月1日起，4年后開始實(shí)施。實(shí)施后的中國3級(jí)能效、2級(jí)能效和1級(jí)能效分別對(duì)應(yīng)歐盟標(biāo)準(zhǔn)中的IE1（普通Eff2）、IE2（高效）和IE3（超高效）?！吨行⌒腿喈惒诫妱?dòng)機(jī)能效限定值和能效等級(jí)》電機(jī)效率表（部分摘抄）見表1。

現(xiàn)階段使用中的電動(dòng)機(jī)，效率普遍偏低，相比GB18613的要求，部分國產(chǎn)Y2系列電機(jī)效率尚低于3級(jí)能效，國內(nèi)某公司產(chǎn)品手冊(cè)中給出的Y2系列 110kW，2極、4極電機(jī)的效率分別是94%和94.5%，而有些運(yùn)行中的電機(jī)效率就更低。在新建項(xiàng)目中選擇使用高效電機(jī)，對(duì)不合理運(yùn)行的電動(dòng)機(jī)進(jìn)行更新改造，成為必然選擇。

按電動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行有關(guān)規(guī)定，電動(dòng)機(jī)綜合效率大于或等于額定綜合效率，表明電動(dòng)機(jī)對(duì)電能利用是經(jīng)濟(jì)的；電動(dòng)機(jī)綜合效率小于額定綜合效率但大于額定綜合效率的60%，表明電動(dòng)機(jī)對(duì)電能利用基本是合理的；電動(dòng)機(jī)綜合效率小于額定綜合效率的60%，表明電動(dòng)機(jī)對(duì)電能利用是不經(jīng)濟(jì)的。對(duì)運(yùn)行中的電動(dòng)機(jī)可據(jù)運(yùn)行狀態(tài)判斷，當(dāng)運(yùn)行時(shí)的電流在額定電流85%以上屬于經(jīng)濟(jì)使用范圍；運(yùn)行電流為65%～85%額定電流屬于允許使用范圍；如果運(yùn)行電流降到額定電流的65%以下屬于非經(jīng)濟(jì)使用范圍，應(yīng)當(dāng)考慮更換電動(dòng)機(jī)。

按GB/T12497三相異步電動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行中節(jié)電量計(jì)算方法，更換或改造后電動(dòng)機(jī)的節(jié)電量按下式計(jì)算：

表1　《中小型三相異步電動(dòng)機(jī)能效限定值和能效等級(jí)》電機(jī)效率表

式中：ΔPcai——原電動(dòng)機(jī)的綜合功率損耗，單位為kW；ΔPcbi——更新或改造后電動(dòng)機(jī)的綜合功率損耗，單位為kW。

依上式可進(jìn)一步得到下面不同效率的單臺(tái)電機(jī)年電費(fèi)節(jié)約計(jì)算式

式中：

以一臺(tái)110kW，4極電動(dòng)機(jī)舉例，假定年運(yùn)行7000h，電價(jià)0.48元/kWh，電機(jī)負(fù)荷率0.85，使用一級(jí)能效電機(jī)與Y2系列電機(jī)對(duì)比，節(jié)約電能13650.7 kWh，相應(yīng)電費(fèi)為：

根據(jù)式（1）和式（3），電動(dòng)機(jī)的效率與負(fù)載率有很大關(guān)系：空載時(shí)的電動(dòng)機(jī)P2=0，不向外輸出功率，ΔP=ΔP0，此時(shí)的效率最低，η=0；隨著電機(jī)負(fù)載增加，效率提高，當(dāng)負(fù)載為額定負(fù)載的0.7～1倍時(shí)，效率最高。合理確定電動(dòng)機(jī)的負(fù)載率，避免大馬拉小車，對(duì)節(jié)約能耗是有明顯作用的。

某機(jī)械的實(shí)際軸功率約28.7kW，原使用一臺(tái)55kW交流電動(dòng)機(jī)，運(yùn)行中記錄電流為67A，功率因數(shù)0.78。按式（3）計(jì)算，該電機(jī)的輸入功率：取富裕系數(shù)K=1.15，得電動(dòng)機(jī)軸功率30.4kW，取電機(jī)額定功率37kW，計(jì)算得電機(jī)負(fù)荷率為82%。參考1級(jí)能效，該電機(jī)負(fù)荷率略低于額定效率95.3% 取91%，此時(shí)電動(dòng)機(jī)輸入功率31.5kW。按年運(yùn)行7000h計(jì)算，更換電機(jī)后每年可節(jié)約電能20300 kWh，折合電費(fèi)9744元。

以此推算，如果國內(nèi)現(xiàn)有水泥行業(yè)全部裝備高效電機(jī)，節(jié)約的能耗是相當(dāng)可觀的。根據(jù)有關(guān)資料，2011年，僅某大跨國電氣公司銷售的功率范圍為2.2～375kW的電動(dòng)機(jī)，其產(chǎn)品和解決方案能夠降低客戶二氧化碳排放量2.7億t，相當(dāng)于香港、紐約、東京、新德里和新加坡等大型城市每年的二氧化碳排放總量。因此，設(shè)計(jì)選型時(shí)應(yīng)特別注意電動(dòng)機(jī)的選型及能效。