杜江华
青岛鸿瑞电力工程咨询有限公司 山东青岛 266100
摘要：异步电动机因构造简单，安全耐用，广泛应用在火力发电厂输煤系统中，是电能的最大消耗者。但由于负载率、效率和功率因数都很低，有功损耗和无功占用相对增加，造成了大量的电能浪费。为了解决三相异步电动机运行效率低的问题，国家质量监督检验检疫总局发布了国家强制性标准BG/T 12497—2006《三相异步电动机经济运行》。在火力发电厂输煤系统的实际工作中，过多地考虑设备的安全性和可靠性，普遍存在着“大马拉小车”的现象，运行效率低下。A公司在对三相异步电动机运行效率进行理论推算后，将节能降耗的重点放在提高输煤系统负载上。这样既降低了设备的运行时间，减轻了运行人员的工作量，又提高了电动机的运行效率，经过多年的不断改进，取得了良好的效果。
关键词：输煤系统；负载；电动机；运行效率
一、三相异步电动机运行效率的理论推算
三相异步电动机在驱动机械负载时，输入功率P1不是全部转换成输出功率P2，因为电动机运行时，自身有损耗。因而电动机效率η就是输出功率P2与输入功率P1的百分比，即
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式中，PCu是绕组铜耗；PFc是绕组铁耗；PΩ是机械损耗；PΔ是杂耗。
PFc、PΩ和PΔ是不变的损耗；而绕组铜耗包括定子绕组铜耗和转子绕组铜耗，与电流二次方成正比，属可变损耗。
从上述理论计算可以得出，当电动机空载运行时，P2和η均为零；带载运行时，P2和η随之增大，当负载增加至可变损耗等于不变损耗时，电动机效率达到最大值；若负载继续增加，PCu随着电流二次方迅速增加，此时电动机效率反而有所下降。故此，电动机的经济运行效率在（0.75～1)PN范围内。在查看A公司输煤系统电动机运行电流后，统计发现大部分电动机在带载运行时，工作电流只有额定电流的一半左右，大部分时间在（0.55～0.85)PN范围内运行，长期处于轻载运行状态。因而提升电动机效率的空间很大，调节输煤系统的运行载荷，是节能降耗的关键。
二、斗轮机自动取料系统
斗轮机取料工艺常用作业模式为水平全层取料法，该取料方式有一明显的缺点，即在相同步进距离的前提下，斗轮机悬臂回转角度越大，斗轮取煤深度越浅，如图1所示。
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式中，f是取料流量；ρ是煤密度；h是取料层高；v是斗轮回转速度；L是斗轮机取料大车步进距离；θ是斗臂与大车导轨夹角。
从式（3）得出，取料流量就是回转角度的函数。
为了提高上仓系统电动机的效率，要保证上仓流量在设备额定出力附近运行。从理论上只要建立悬臂角度与回转速度的控制逻辑，即可解决问题。但受煤层不规则和煤堆塌方等因素影响，如不能实时检测取料流量，仍然解决不了控制负载的难题。
从2010年开始，A公司就开始探索如何实时流量检测的问题。2010年采用的图像采集系统因为容易受到外部光线的干扰而淘汰。2014年在斗轮机自动控制的基础上，引入激光扫描悬臂皮带截面，解决了光线干扰的问题，但现场粉尘的影响和响应时间长，使得这种方式并不理想。2016年在查阅实际效果时，发现斗轮驱动电动机的实时电流与取料流量之间有简单的线性关系，而且电流响应时间短，不易受外界干扰。最后决定采用斗轮驱动电动机实时电流I1为基础，建立起简单的线性关系，即
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式中，f是取料流量；k是设备线性系数，在比对取料实时流量与斗轮驱动电动机实时电流基础上，根据实际数据确定该系数。
在解决上述问题的基础上，斗轮机自动取料系统的回转速度控制，在悬臂回转角度的基础上，结合取料量进行设定，并进行闭环PID控制。使取料平均流量，从手动取料的1 150 t/h增加至1 400 t/h，并接近设备的额定出力1 600 t/h。上仓输煤设备平均负载的提高，使得上仓设备的电动机运行功率大部分时间在（0.7～0.90)PN范围内运行，提升上仓设备电动机的运行效率。
三、分流挡板角度控制系统
港口火力发电厂的输煤系统的入厂煤流量，受到潮位高低、清舱作业和驾驶人操作熟练程度等因素的影响，入厂煤流量很不稳定。因此，在采用分流上仓运行方式时，上仓系统的运行设备经常处于轻载运行状态。由于上仓系统运输距离长，所以先满足上仓负载是最为经济高效的方法。
为调控上仓系统的负载，在广泛应用于输煤系统的三通挡板上进行技术改造。如图2所示，入厂煤流从上方以抛物线的轨迹进入，当∠γ为零时，煤流全部进入煤场；当∠γ为最大值时，煤流全部进入煤仓；∠γ角度不断增大，分流上仓的煤量也随之增加，∠γ角度值与上仓的流量对应关系受各种因素的影响，只能从现场调试获得。为了提高分流挡板的分流效果，在普通落煤筒内壁增装可调倾角的挡煤板，尽可能地将煤流引至三通落煤筒中心位置。
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图2 分流挡板示意图
在自动控制上，在分流挡板的上一级皮带机上，安装激光扫描检测带式输送机上的煤流截面，通过积分运算，得出入厂煤瞬时煤量。为满足控制需要，该装置应采用一类激光，分辨率0.050，响应时间0.1 s，扫描频率不小于15 Hz。分流挡板角度检测传感器则固定在分流挡板的驱动臂上。煤量和角度以4～20 m A模拟量信号传送至输煤程控。由于皮带机的速率是不变的，所检测的煤量流至分流挡板的时间也是不变的。根据入厂煤量的大小，每个流量区间对应不同的分流挡板角度。考虑到不同的落煤筒结构和煤流进入分流挡板上方的不规则流向，挡板角度的设定必须根据实际情况试验确定，编写分流挡板的角度控制程序，实现自动闭环控制。使得分流上仓时，上仓设备的平均负载接近设备的额定出力。
四、结束语
自2011年3月开始，斗轮机自动取料系统和分流挡板角度控制系统在A公司陆续投运，并在实际应用中不断创新改进，该公司近十年来的输煤单耗趋势曲线如图3所示。
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图3 输煤单耗趋势曲线
上仓系统的负载调控日趋平稳可靠，电动机效率稳步上升，安全经济效益不断显现。
参考文献
[1]惠文涛,王倩,魏洪绅,潘乐. 一种火电厂输煤系统的辅助除尘装置及除尘方法[P]. 陕西省：CN112573245A,2021-03-30.