傳統粉磨驅動系統中的減速機在偏載和沖擊載荷工況下運行，存在故障率高、傳遞效率低、運行和維護成本高等重大缺陷。為解決上述問題，唐山某公司采用高效永磁和重載變頻驅動技術，基于粉磨各種運行工況，研制出2MW大功率永磁直驅系統，并成功應用到了集團某公司水泥粉預磨系統中。此系統自2015年帶料試車后，滿載連續運行至今，各狀態監測數值正常，項目實施達到了預期效果。

　　一、改造方案

　　1.1技術方案

　　立式粉磨直驅系統采用永磁直驅電機直接驅動立磨磨盤，取代由異步電動機和減速機組成的傳統驅動系統，同時取消了異步電動機的潤滑油站、水電阻柜等。改造后的直驅系統是一個個性化設計、智能化運行的柔性驅動系統，其特點：

　　（1）驅動系統去掉了減速機，發生了結構性變化。獨創的立磨直驅系統技術在驅動系統中去掉了減速機，徹底解決了水泥行業長期存在的故障率高、運維成本高等重大難題，為粉磨技術節能降耗提供Z佳技術路徑。

　　（2）可調速控制系統。立磨采用具有調速功能的直驅系統，可以根據原料特性、摻加輔料特性的變化實現個性，化設計，還可以消除季節變化、耐磨件磨損等造成的不利影響，始終運行在Z佳狀態，實現生產系統智能化運行。

　　1.2改造前設備情況

　　水泥預粉磨系統改造前，繞線異步電機參數：型號YRKK710-6；額定功率2240kW；定子電壓6000V；定子電流2633A；轉子電壓1872V；轉子電流736A；額定頻率50Hz；額定轉速993r/min；絕緣等級為F級，功率因數0.86；啟動方式為水電阻；冷卻方式為IC61。減速機參數:型號JLP220；輸入功2300kW；輸入轉速994r/min；速比為29.76∶1。

　　1.3設備選型

　　1.3.1永磁直驅電機

　　改造后永磁電機為低速低頻電機，額定轉速33.5r/min，直接匹配粉磨轉速，額定頻率20.1Hz，啟動方式為變頻啟動；電機定子為貼壁結構，整體浸漆，有加強支撐的作用；電機轉子為永磁結構，電機結構簡單，性能更可靠；電機采用機殼強制水冷，在水泥生產現場環境條件下，保證電機內部清潔，提高電機壽命。

　　根據改造前設備參數及水泥預粉磨系統要求，設計永磁直驅電機結構及電磁性能，永磁直驅電機技術數據:型號TYC2000-72；額定功率2000kW；電壓6000V；電流210A；額定頻率20.1Hz；額定轉速33.5r/min；絕緣等級為F級；功率因數0.96；啟動方式為變頻驅動；冷卻方式為水冷。

　　電機為立式結構如圖1所示。機座與推力軸承組成支撐體系，推力軸承是電機的一部分，位于電機上部。推力軸承為靜壓結構，稀油潤滑，采用重力回油方式，大大減少了潤滑油成本。

　　1.3.2變頻控制系統

　　變頻驅動裝置作為永磁電動機的低頻電源，使系統具有軟啟動功能。完美無諧波高壓變頻采用若干個低壓PWM變頻功率單元串聯的方式實現直接高壓輸出。重載變頻驅動裝置如圖2所示。

　　6kV電壓等級采用36脈沖的整流電路結構，輸入電流波形接近正弦波。由于輸入電流諧波失真很低，變頻驅動裝置輸入的綜合因數可達到0.95以上。根據水泥預粉磨轉速及永磁電機特性，考慮水泥磨過載等因素，變頻器選型為2300kW電壓源型完美無諧波變頻器，其技術參數見表1。

　　1.3.3推力瓦軸承

　　推力瓦軸承由15組巴氏合金可傾式靜壓推力瓦和鍛鋼鏡板構成，用于承受立磨的軸向動、靜載荷。裝配后任意一組瓦間的高度差不超過0.03mm，并做可追溯性標識；安裝到推力軸承箱體上后需作研刮處理，負荷承載工作瓦面每平方厘米內應有1~3個接觸點，局部接觸面積每處不應大于瓦面的2%，但Z大不超過16cm²，其總和不應超過瓦面的5%。

　　此次改造中，推力軸承配備的高低壓供油系統仍使用原減速機的XGD-C200/600（Ⅱ）型潤滑裝置，除了高壓油出口由16路改為15路外，其他無實質性改動。推力軸承結構如圖3所示。

　　二、項目實施

　　2.1項目組織

　　2014年初，開始項目前期的測繪調研工作，主要調研內容：磨機需要的研磨功率、磨盤轉速、電力系統電壓等級、磨機下部的安裝空間、設備安裝機械電氣接口、振動源及其分布、歷史生產運行數據、傳統驅動系統設備在運行中出現的問題、生產工藝對驅動系統的要求等。根據現場空間核算，完成永磁直驅電機的外形和定轉子結構設計，分析原系統歷史運行參數等相關數據選型配套的重載變頻驅動裝置。歷時４個半月完成設備材料采購和電機生產制造。

　　2.2安裝調試

　　安裝前要完成吊車布置、安裝材料進場、設計圖紙與現場實際核對等前期準備工作。根據永磁直驅電機安裝要求，改造安裝底座和潤滑油站、接引冷卻用水。同時，完成變頻驅動裝置就位固定及電氣接線。永磁直驅電機就位后，用2500V兆歐表測試其絕緣性能。安裝完成后的直驅立磨如圖4所示。

　　所有安裝工作完成后，對其進行檢查，包括新安裝設備的機械電氣接口，正常運行所需的冷卻、潤滑條件，磨機系統中的其他相關設備等。檢查完畢，各崗位人員就位，開始直驅系統調試工作。

　　試運行時，先帶磨盤空轉，監測電機運行狀態的相關溫度、冷卻水流量儀表顯示是否正常，直驅控制系統與DCS系統的聯鎖控制保護是否正確等。然后分50%、80%和滿載三個階段帶載調試，每階段運行至少半小時，檢查機械部分以及各監測參數是否正常。帶滿載后連續穩定運行72h，對系統穩定性及設備可靠性進行考核。

　　2.3遇到問題

　　（1）電機繞組溫度偏高。

　　問題描述：永磁直驅電機選用了機殼水冷方案，安裝在封閉廠房內；由于現場冷卻水溫度夏天Z高時達到36℃，且水泥工序位于冷卻水系統的末梢，電機冷卻水量小；封閉廠房內空氣流通較差，室內溫度夏天Z高時達到41℃；水泥的生產根據銷售情況時緊時松，特別緊張時磨機甚至超負荷運行。以上情況導致電機繞組溫度在夏天時Z高達到120℃。

　　解決方案：將冷卻水系統的備用泵開啟，增加水量；增加輔助風冷，加強電機散熱效果。

　　效果：磨機正常運行時，電機繞組溫度可穩定在108℃長期運行，對于F級絕緣的電機來說，此溫度可保證整個壽命期內的電機安全性。

　　（2）推力軸承無法實現重力回油。

　　推力軸承本身設計的是重力回油，但是在運行中發現回油口太小，回油量不夠，無法實現重力回油。為了不耽誤生產，采用了主動回油方案，臨時增加了回油泵。

　　經過分析計算和評估，從推力軸承箱壁上的觀察窗接引了一路回油，重力回油問題得以解決，油位也能保持在設計要求的高度，不影響推力軸承的軸承運行。

　　三、改造效果

　　3.1實施效果

　　從水泥磨系統和永磁直驅系統的多年運行情況來看，與傳統驅動系統相比，永磁直驅系統組成設備少，傳動環節減少，設備故障率低，可靠性提高;永磁直驅系統中永磁電機和變頻器效率都高達95%以上，改造后整套系統效率大幅提高；減少了減速機及其附屬設備，運行維護成本降低；采用變頻調速系統，主機設備操作靈活，適應各種工況。直驅控制系統能夠實現磨盤轉速勻速提升啟機過程；中磨盤出料均勻增加，消除了對立磨循環斗提機的沖擊。

　　3.2經濟效益

　　（1）節電效果明顯。兩種驅動系統運行數據見表2。與采用原驅動系統的A立磨運行相比，B立磨采用直驅系統后節電率約為9.6%，按全年產能100萬t水泥計算，年均節約電費約50萬元。

　　（2）運維成本降低。與原系統相比，由于沒有了減速機，年可直接節省減速機維修費和備件費約40萬元。而且，由于直驅系統所需潤滑油量比原系統少，減少了一臺潤滑油站，相應的潤滑油消耗和輔助電耗都大幅減少。

　　此改造項目年均節約運行和維護成本合計100多萬元。

　　四、整體評價

　　建材行業專家對此改造項目的評價為“永磁直驅技術在國內外水泥立磨上首次設計應用，技術達到領先水平。對提高水泥生產效率、節能減排、清潔生產等效果顯著。該技術符合國家節能減排政策，對水泥行業技術進步具有重要的示范作用。”同時，永磁直驅系統的可調速特性，打破了傳統立磨驅動系統定速運行模式，為高效節能粉磨技術未來發展提供了良好的技術支撐。