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用数字指导电机的维修和更换
对效率进行计算,将为正确的选择指明方向
发布时间:2014-04-28     作者:www.planteng.cn

  在上一个时期,当一个大型电机接近其使用寿命时,关于维修它还是更换它的选择往往会与一个神奇的数字相联系,这个数字是57。这一数字是由采购经理们基于一个陈旧电机的剩余价值和其维修成本,并与新电机的采购及其延迟服务成本相比较而得出的百分数。
  这样一来,如果一台电机可以以低于新电机价格的57%的支出得到修复,那么就将对其进行修理;如果电机的损耗十分严重,修复的花费预计要超过新电机价格的57%,那么就干脆订购一台新的电机。这就是这个数字发挥作用的具体体现。
  而现在,情况发生了改变。能源成本更加高昂,电机的效率也可以实现至更高的水平,同时维修技术也得到了很大的提升,这就使电机在重绕后其效率不受损失,或只受到很少的损失。(事实上,通过对一个旧的"pre-EPACT"高效电机定子进行重绕,服务中心还可以提升大马力电机的效率。)
  特别对于交流电机而言,作出维修还是更换的选择是非常复杂的,尤其是对于那些每年维持中长时间运行的大型和中型电机而言就更是如此。使这一问题复杂化的原因是存在着三种异步电机:标准型电机、第一代高效节能电机(EE)和当前流行的EE电机。在实际使用中,它们经常可以互换使用。
  电机电路评估(MCE)这项测试可以为那些接近其使用寿命的电机提供一个评估结果。如果在高阻测试部分显示电机的对地电阻小于100欧姆,这个电机则已经接近寿命的极限了。而浪涌测试意图在浪涌模式下支持高阻测试的结果。耐高压测试是一种决策性测试,它对电机绕组具有破坏性,如果一个电机没有通过耐高压测试,它也就无法再工作了。
  不难看出,如果电机几乎处于不间断运行的情况下,在维修一个标准电机和购买一台新的节能高效电机之间很容易做出选择,即购买新电机,这是因为新的节能电机可以在几年内就收回成本。而当在同为节能高效电机,或者在同为运行时间较短的标准电机的维修和更换之间选择时,就不是那么容易了。
  只有在功率范围非常低,即功率小于40匹,同时运行时间也较少的情况下,传统的"57%法则"才依然保持有效。
  更先进的维修技术
  简而言之,节能高效电机是通过缩减制造公差和在电机内容纳更多导体来减少内部损耗,从而提高效率。同样,维修技术也变得更加精密,以前常见的由于重绕而导致的效率退化现象也大幅减少。现在,维修厂可以对一个电机进行重绕而使其达到原有额定效率,在某些情况下还能够提高效率。这既适用于标准电机,也可以适用于节能高效电机。
  显然,电机重绕的成本会随着其内部损伤的严重程度而变化,但我们不妨以一个需要维修的100匹的异步电机为例。根据IPS公司华盛顿服务中心提供的价格标准,这样一台电机的典型维修费用大致在2500美元到2700美元之间。
  运行时间
  高运行时间
  当一台电机每年运行超过4000小时,能源成本将成为决定维修还是更换的首要因素。这就如同一辆高里程的汽车,在燃油上的花费将迅速超过汽车本身的采购费用,此时对于维修还是更换的选择就变成了选择效率更高的解决方案的问题。典型的应用是那些几乎不间断运转的设备,包括大型压缩机、石化泵站、破碎机、给水泵、造纸机、部分金属挤压机、塑料薄膜生产线、锯木厂、轧钢厂……以及所有需要三班倒运行的工业设施。
  图中表示的一台每年运行8000小时的100匹电机的情况,就能够说明在这种情况下合乎逻辑的选择。根据美国电气制造商协会(NEMA)的估测,在粗略相当于北美平均水平的0.1美元/千瓦时的能耗成本的情况下,效率每提高1%,每年就可以节省695美元。这一功率等级的标准电机和节能高效电机在效率上大约相差4%,所以这一节省将会是每年2780美元。一台新的节能高效电机大约花费8800美元,而典型的重绕成本是2600美元。所以,对于一个预估寿命为10年左右的电机来说,仅凭预计可以节省的能源成本就足以导向购买一台新的节能高效电机的选择了。
  中等运行时间
  对于那些每年运行约3000小时的电机而言,其运行时间大约处于中等水平,对这类电机进行维修还是更换的选择,有可能取决于你所在的位置。这是因为能源成本的水平在全国各个地区都不相同,从0.05美元/千瓦时到0.13美元/千瓦时不等。之前举的例子一般都是基于全国平均水平而言,但如果你所在的地区电价比平均水平高出30%,就必须另行考虑了。
  在电力价格很高的情况下,一个保持中等运行时间的电机在每年的能源成本花费上近似于高运行时间的电机,所以可以当作高运行时间类电机的情况来考虑。相反,如果电价较低,那么则可以用低运行时间类电机的规律来考虑决策。
  低运行时间
  对于那些每年运行低于1500小时的电机,可以归类为低运行时间电机。在这种情况下,作出选择的规则和以前基本一样。即如果维修费用高于新电机价格的57%,就更换一台电机。大部分每天只运行一个班次或更少时间的电机属于这种情况。
  此外,没有人会去选择修理功率低于15匹的交流电机,除非这台电机规格特殊,或是处于一台规格特殊的机器里。算法和原因也很简单:在这种情况下,最低的维修费用也势必会超过57%的临界值。
  计算方法
  要对维修还是更换作出初步的选择,最简单的方法是使用图2中的算法。首先,应该确定以下的各项数值。
  电机年度运行时间(HA)
  地方能源成本(E,以美元/千瓦时为单位)
  效率变化(FNEW-FREPAIR,以%为单位)
  维修成本(CR,以美元为单位)
  新电机成本(CN,以美元为单位)
  然后将各项的值代入下面的算式。
  决策系数=电机年度运行时间 o 地方能源成本 o (效率变化) o 维修成本/新电机成本
  例如,假设一台100匹、每年运行3000小时的节能高效电机显示出故障的迹象。该地地方能源成本是0.09美元/千瓦时;同时,根据保守估计,如果该电机进行重绕,将损失1%的效率,从新装时的95.5%降至94.5%;电机重绕的价格是2600美元;更换一台新电机的价格是8800美元。那么,应该对这台电机进行重绕还是直接更换呢?
  决策系数=3,000 o 0.09 o 1 o 2,600 /8,800 = 79.77
  经过计算,得到的决策系数毫无疑问位于"维修"区域。另一方面,假如这台电机每年再多运行1500小时,并安装在一个地区能源价格为0.13美元/千瓦时的地区,那么照此方法得到的决策系数则正好位于两种决策之间的临界点附近。
  事实上,这个算式指出了电机效率这一因素在整个决策中的压倒性作用。假如稍稍将算式中的效率差值从1变为2,那么整个决策系数的结果将立刻翻倍。另一方面,这个算式还是相对保守的,因为在算式中并没有考虑到地方能源价格正在逐渐上升的趋势性因素,而这在现实中正如税收和死亡一样,几乎是无可避免的。所以,如果根据这一算式得到的维修/更换决策系数正好处于临界值附近,那么更换这台电机将成为更明智的选择,因为随着能源成本的上升,新电机带来的高效率无疑有着重要的价值。
  直流电机上的选择
  与交流电机相比,直流电机则是完全不同的。除了轴承不同以外,其磨损点也和交流设备不同,并且其造价也更为昂贵,根据其设计不同价格通常是交流电机的2至4倍。同样地,直流电机的维修也要比交流电机花费较多,但除非换向器和电枢完全损坏,否则不至于达到交流电机维修费用的4倍。
  在一些特殊的应用场合中,必须要使用大型直流电机。比如那些对速度必须进行精确控制的情况,或者是可以利用再生能源回馈型驱动器,对旋转设备耗费的能量进行回收再利用的场合。除此之外,直流技术和交流技术在不同的应用场合可谓各有千秋。
  对于直流电机作出维修和更换的决策通常比交流电机的情况要简单,因为不存在超高效电机的情形。而且,因为这类电机的造价较为昂贵,用户通常倾向于长期持有并使用它们。对直流电机而言,区分维修还是更换的决策系数临界值比交流电机要高一些,大约处于新电机造价65%的水平。