技术 | 永磁直驱技术改造水泥粉磨驱动系统

传统粉磨驱动系统中的减速机在偏载和冲击载荷工况下运行，存在故障率高、传递效率低、运行和维护成本高等重大缺陷。为解决上述问题，唐山某公司采用高效永磁和重载变频驱动技术，基于粉磨各种运行工况，研制出2MW大功率永磁直驱系统，并成功应用到了集团某公司水泥粉预磨系统中。此系统自2015年带料试车后，满载连续运行至今，各状态监测数值正常，项目实施达到了预期效果。

一、改造方案

1 .1 技术方案

立式粉磨直驱系统采用永磁直驱电机直接驱动立磨磨盘，取代由异步电动机和减速机组成的传统驱动系统，同时取消了异步电动机的润滑油站、水电阻柜等。改造后的直驱系统是一个个性化设计、 智能化运行的柔性驱动系统，其特点:

（1）驱动系统去掉了减速机，发生了结构性变化。独创的立磨直驱系统技术在驱动系统中去掉了减速机，彻底解决了水泥行业长期存在的故障率高、运维成本高等重大难题，为粉磨技术节能降耗提供最佳技术路径。

（2）可调速控制系统。立磨采用具有调速功能的直驱系统，可以根据原料特性、掺加辅料特性的变化实现个性,化设计，还可以消除季节变化、耐磨件磨损等造成的不利影响，始终运行在最佳状态，实现生产系统智能化运行。

1.2 改造前设备情况

水泥预粉磨系统改造前，绕线异步电机参数:型号YRKK710-6；额定功率2240kW；定子电压 6 000 V;定子电流2633A；转子电压1872V；转子电流736A；额定频率50Hz；额定转速993r/min；绝缘等级为F级，功率因数0.86；启动方式为水电阻；冷却方式为IC61。减速机参 数:型 号JLP220；输 入功2300kW; 输入转速994r/min;速比为29.76∶1。

1.3 设备选型

1.3.1 永磁直驱电机

改造后永磁电机为低速低频电机，额定转速33.5r/min，直接匹配粉磨转速，额定频率20.1 Hz，启动方式为变频启动;电机定子为贴壁结构，整体浸漆，有加强支撑的作用；电机转子为永磁结构，电机结构简单，性能更可靠；电机采用机壳强制水冷，在水泥生产现场环境条件下，保证电机内部清洁，提高电机寿命。

根据改造前设备参数及水泥预粉磨系统要求，设计永磁直驱电机结构及电磁性能，永磁直驱电机技术数据:型号 TYC2000-72；额定功率2000kW;电压6 000 V;电流210A;额定频率20.1Hz;额定转速33.5r/min；绝缘等级为F级；功率因数0.96；启动方式为变频驱动；冷却方式为水冷。

电机为立式结构如图1所示。机座与推力轴承组成支撑体系，推力轴承是电机的一部分，位于电机上部。推力轴承为静压结构，稀油润滑，采用重力回油方式，大大减少了润滑油成本。

1.3.2 变频控制系统

变频驱动装置作为永磁电动机的低频电源，使系统具有软启动功能。完美无谐波高压变频采 用若干个低压PWM变频功率单元串联的方式实现直接高压输出。重载变频驱动装置如图2所示。

6kV电压等级采用３6脉冲的整流电路结构，输入电流波形接近正弦波。由于输入电流谐波失真很低，变频驱动装置输入的综合因数可达到0.95以上。根据水泥预粉磨转速及永磁电机特性，考虑水泥磨过载等因素，变频器选型为2300kW电压源型完美无谐波变频器，其技术参数见表1。

由15组巴氏合金可倾式静压推力瓦和锻钢镜板构成，用于承受立磨的轴向动、静载荷。装配后任意一组瓦间的高度差不超过0.03mm， 并做可追溯性标识；安装到推力轴承箱体上后需作研刮处理，负荷承载工作瓦面每平方厘米内应有1~3个接触点，局部接触面积每处不应大于瓦面的2%，但最大不超过16cm2，其总和不应超过瓦面的 5%。

此次改造中，推力轴承配备的高低压供油系统仍使用原减速机的XGD-C200/6 00(Ⅱ)型润滑装置，除了高压油出口由16路改为15路外，其他无实质性改动。推力轴承结构如图3所示。

二、项目实施

2.1 项目组织

2014年初，开始项目前期的测绘调研工作，主要调研内容：磨机需要的研磨功率、磨盘转速、电力系统电压等级、磨机下部的安装空间、设备安装机械电气接口、振动源及其分布、历史生产运行数据、传统驱动系统设备在运行中出现的问题、生产工艺对驱动系统的要求等。根据现场空间核算， 完成永磁直驱电机的外形和定转子结构设计，分析原系统历史运行参数等相关数据选型配套的重载变频驱动装置。历时４个半月完成设备材料采购和电机生产制造。

2.2 安装调试

安装前要完成吊车布置、安装材料进场、设计图纸与现场实际核对等前期准备工作。根据永磁直驱电机安装要求，改造安装底座和润滑油站、接引冷却用水。同时，完成变频驱动装置就位固定及电气接线。永磁直驱电机就位后，用2500V兆欧表测试其绝缘性能。安装完成后的直驱立磨如图4所示。

所有安装工作完成后，对其进行检查，包括新安装设备的机械电气接口，正常运行所需的冷却、润滑条件，磨机系统中的其他相关设备等。检查完毕，各岗位人员就位，开始直驱系统调试工作。

试运行时，先带磨盘空转，监测电机运行状态的相关温度、冷却水流量仪表显示是否正常，直驱控制系统与DCS系统的联锁控制保护是否正确等。然后分50%、80%和满载三个阶段带载调试，每阶段运行至少半小时，检查机械部分以及各监测参数是否正常。带满载后连续稳定运行72h，对系统稳定性及设备可靠性进行考核。

2.3 遇到问题

（1）电机绕组温度偏高。

问题描述：永磁直驱电机选用了机壳水冷方案，安装在封闭厂房内；由于现场冷却水温度夏天最高时达到36℃，且水泥工序位于冷却水系统的末梢，电机冷却水量小；封闭厂房内空气流通较差，室内温度夏天最高时达到41℃；水泥的生产根据销售情况时紧时松，特别紧张时磨机甚至超负荷运行。以上情况导致电机绕组温度在夏天时最高达到120 ℃。

解决方案：将冷却水系统的备用泵开启，增加水量；增加辅助风冷，加强电机散热效果。

效果：磨机正常运行时，电机绕组温度可稳定在108 ℃长期运行，对于F级绝缘的电机来说，此温度可保证整个寿命期内的电机安全性。

（2）推力轴承无法实现重力回油。

推力轴承本身设计的是重力回油，但是在运行中发现回油口太小，回油量不够，无法实现重力回油。为了不耽误生产，采用了主动回油方案，临时增加了回油泵。

经过分析计算和评估，从推力轴承箱壁上的观察窗接引了一路回油，重力回油问题得以解决，油位也能保持在设计要求的高度，不影响推力轴承的轴承运行。

三、改造效果

3.1 实施效果

从水泥磨系统和永磁直驱系统的多年运行情况来看，与传统驱动系统相比，永磁直驱系统组成设备少，传动环节减少，设备故障率低，可靠性提高;永磁直驱系统中永磁电机和变频器效率都高达95%以上，改造后整套系统效率大幅提高；减少了减速机及其附属设备，运行维护成本降低；采用变频调速系统，主机设备操作灵活，适应各种工况。直驱控制系统能够实现磨盘转速匀速提升启机过程；中磨盘出料均匀增加，消除了对立磨循环斗提机的冲击。

3.2 经济效益

（1）节电效果明显。两种驱动系统运行数据见表2。与采用原驱动系统的A立磨运行相比，B立磨采用直驱系统后节电率约为9.6%，按全年产能100万t水泥计算，年均节约电费约50万元。

（2）运维成本降低。与原系统相比，由于没有了减速机，年可直接节省减速机维修费和备件费约４0万元。而且，由于直驱系统所需润滑油量比原系统少，减少了一台润滑油站，相应的润滑油消耗和辅助电耗都大幅减少。

此改造项目年均节约运行和维护成本合计100多万元。

四、整体评价

建材行业专家对此改造项目的评价为“永磁直驱技术在国内外水泥立磨上首次设计应用，技术达到国际领先水平。对提高水泥生产效率、节能减排、清洁生产等效果显著。该技术符合国家节能减排政策，对水泥行业技术进步具有重要的示范作用。”同时，永磁直驱系统的可调速特性，打破了传统立磨驱动系统定速运行模式，为高效节能粉磨技术未来发展提供了良好的技术支撑。

来源：《陕西北元集团水泥有限公司》

作者：薛锦卫，贺喜贵

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