大容量高效異步電動(dòng)機(jī)在1000MW燃煤機(jī)組引增合一改造中的應(yīng)用

銅山華潤電力有限公司 李建君/文

1 概 述

近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展，對用電的需求不斷增長，國內(nèi)上馬了一批煤耗相對較小、投資回報(bào)率較高的1000MW燃煤機(jī)組，但大容量機(jī)組雖然是電能的生產(chǎn)者，同時(shí)也消耗了大量電能，根據(jù)有關(guān)資料，大容量燃煤機(jī)組的廠用電率約為4%～5%，是切切實(shí)實(shí)的“用電大戶”，因此，對大容量燃煤機(jī)組的大功率輔機(jī)電機(jī)進(jìn)行節(jié)能改造有很重要的現(xiàn)實(shí)意義。而對于1000MW燃煤機(jī)組配套高壓電動(dòng)機(jī)來說，一方面電機(jī)容量較大，成為機(jī)組中耗電的重要組成部分，電機(jī)的效率直接影響機(jī)組的節(jié)能指標(biāo)；另一方面，電機(jī)起動(dòng)電流較大，會對廠內(nèi)母線電壓造成沖擊，在電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)過程中，母線電壓會產(chǎn)生較大波動(dòng)，將會直接影響母線的供電質(zhì)量和母線上其他用電設(shè)備的正常運(yùn)行，特別是對變頻設(shè)備、熱控PLC設(shè)備的誤跳、誤切，造成無法挽回的損失，電機(jī)的起動(dòng)電流必須嚴(yán)格限制。尤其是對于機(jī)組開始設(shè)計(jì)時(shí)有引風(fēng)機(jī)和增壓風(fēng)機(jī)兩套系統(tǒng)，而后期又要將引風(fēng)機(jī)與增壓風(fēng)機(jī)合并為一的增容改造項(xiàng)目，由于在基建時(shí)高廠變?nèi)萘恳呀?jīng)固定限制，對此參數(shù)有更高的要求。銅山華潤電力有限公司2×1000MW超超臨界燃煤機(jī)組“引增合一”改造項(xiàng)目設(shè)計(jì)制造的YXKK1000-8高效大容量空空冷三相異步電動(dòng)機(jī)，電氣專家在可研論證、廠家設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行跟進(jìn)，通過及時(shí)溝通、召開專業(yè)論證會論證、督促廠家改進(jìn)設(shè)計(jì)方案、參與型式試驗(yàn)等手段，最終電機(jī)制造成功，電機(jī)效率高、起動(dòng)電流小，各項(xiàng)性能指標(biāo)均十分優(yōu)異，滿足了使用需求。

表1 改造前電動(dòng)機(jī)參數(shù)對比

2 改造原因及理論的可行性

銅山華潤電力有限公司2×1000MW超超臨界燃煤機(jī)組煙氣系統(tǒng)配置兩臺成都電力機(jī)械廠生產(chǎn)的AN42e6(V19-1°)型靜葉調(diào)節(jié)軸流式引風(fēng)機(jī)和配套電動(dòng)機(jī)，每臺機(jī)組脫硫系統(tǒng)配備兩臺由上海鼓風(fēng)機(jī)廠有限公司生產(chǎn)的動(dòng)葉調(diào)節(jié)軸流式增壓風(fēng)機(jī)和配套電動(dòng)機(jī)。

自機(jī)組投運(yùn)以來，引風(fēng)機(jī)存在運(yùn)行開度偏低、電耗偏高的情況。為了簡化系統(tǒng)，提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，并節(jié)省廠用電，以及配合后續(xù)的節(jié)能技術(shù)改造，公司決定將原來的引風(fēng)機(jī)與增壓風(fēng)機(jī)合二為一，合并后的引風(fēng)機(jī)電機(jī)驅(qū)動(dòng)功率為7800kW。

圖1 轉(zhuǎn)矩/轉(zhuǎn)速曲線

2.1 電機(jī)合并驅(qū)動(dòng)電廠母線電壓的可行性

銅山華潤電力有限公司現(xiàn)場負(fù)荷分配為：增壓風(fēng)機(jī)和引風(fēng)機(jī)合一后,風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)功率為7800kW。根據(jù)調(diào)整后的負(fù)荷統(tǒng)計(jì)，5A1段減去原增壓風(fēng)機(jī)2700kW，負(fù)荷為23326kVA；5A2段原引風(fēng)機(jī)為5900kW，現(xiàn)二風(fēng)機(jī)合一后，風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)功率為7800kW，5A2段負(fù)荷為24285kVA。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，5A2高廠變的阻抗為10.7%（以高廠變低壓繞組27000kVA為基準(zhǔn)）。按《火力發(fā)電廠廠用電設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》，計(jì)算最大一臺電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)的母線電壓。

上述參數(shù)的計(jì)算結(jié)果是：正常起動(dòng)時(shí)，若引增合一風(fēng)機(jī)的電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流倍數(shù)按5倍（4455A）、電動(dòng)機(jī)的ηCOSφ≥0.8時(shí)，母線電壓為81.9%，大于80%的規(guī)定值,故能滿足火規(guī)要求。考慮到電機(jī)廠家設(shè)計(jì)值與實(shí)際制造的工藝差異，故電氣專業(yè)在對電機(jī)廠家提出要求時(shí)按電機(jī)起動(dòng)電流倍數(shù)必須嚴(yán)格限制低于4.5倍（4010A）進(jìn)行要求，這對于大容量異步電動(dòng)機(jī)來說要求很高。

因此，從電氣方面來看，本工程可以考慮使用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)，在滿足工程需要的情況下，根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，母線電壓已經(jīng)基本沒有余量，所以二風(fēng)機(jī)合一后，風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)功率不宜大于7800kW，否則會造成母線電壓的不合格，從而導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)方案不可行。

2.2 電磁轉(zhuǎn)矩與阻力矩曲線的對比

限制電機(jī)的起動(dòng)電流倍數(shù)，雖然限制了母線電壓的下降，但是也使母線電壓降到了不能下降的邊緣。由于電機(jī)的電磁力矩與電流的平方成正比，這就可能造成電磁轉(zhuǎn)矩不能克服風(fēng)機(jī)的阻力矩。

通過電磁轉(zhuǎn)矩與阻力矩對比可以看出，即使用在0.8倍的母線電壓下，電磁轉(zhuǎn)矩也能克服風(fēng)機(jī)在風(fēng)葉全閉下的阻力矩。

3 改造前后電機(jī)基本參數(shù)

銅山華潤電力有限公司2×1000MW超超臨界燃煤機(jī)組“引增合一”改造項(xiàng)目改造前后電動(dòng)機(jī)基本參數(shù)對比如表2所示。

從表2可以看出，本次改造電機(jī)在原基礎(chǔ)上增容約32%，但對起動(dòng)電流的要求僅允許增加約10%，這對大容量電動(dòng)機(jī)來說要求很高。

4 電機(jī)方案實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵點(diǎn)

4.1 通風(fēng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目電機(jī)為8極，轉(zhuǎn)速較低，對于低速異步電動(dòng)機(jī)，為保證電機(jī)通風(fēng)量滿足電機(jī)冷卻要求，通常優(yōu)先采用混合通風(fēng)結(jié)構(gòu)，但混合通風(fēng)結(jié)構(gòu)要求配置的內(nèi)風(fēng)扇外徑較大，會產(chǎn)生很大的風(fēng)摩損耗，從而降低了電機(jī)效率，不符合高效電機(jī)的設(shè)計(jì)思想，為滿足電機(jī)高效率的要求，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，本文研究電機(jī)采用風(fēng)磨損耗較小的徑向通風(fēng)結(jié)構(gòu)（圖2），但是對于大容量低速異步電動(dòng)機(jī)來說，則對其通風(fēng)效率提出了更高的要求。

4.1.1 風(fēng)扇設(shè)計(jì)

對于空空冷異步電動(dòng)機(jī)，風(fēng)扇設(shè)計(jì)直接關(guān)系到電機(jī)冷卻效果。電動(dòng)機(jī)內(nèi)離心風(fēng)扇根據(jù)葉片傾角不同分為前傾、徑向、后傾三種。風(fēng)扇葉片的傾角不但對外特性有影響，而且對全壓力中靜壓力和動(dòng)壓力的分配也有影響。在電機(jī)內(nèi)部無法設(shè)置擴(kuò)散器，在動(dòng)壓轉(zhuǎn)換成靜壓過程中大部分能量損失掉了。前傾式風(fēng)扇雖然能產(chǎn)生較高的壓力，但其壓力中動(dòng)壓力所占比例較大，在電機(jī)內(nèi)較少使用。在無逆轉(zhuǎn)需求的電機(jī)內(nèi)一般采用后傾風(fēng)扇，相對于徑向風(fēng)扇而言，后傾風(fēng)扇具有效率高噪音低的特點(diǎn)。

為進(jìn)一步優(yōu)化風(fēng)扇，在弧面型葉片的基礎(chǔ)上，本電機(jī)風(fēng)扇采用弧型前盤風(fēng)扇設(shè)計(jì)，改善氣流進(jìn)入風(fēng)扇流道的平滑性，使氣流通過時(shí)方向過渡平穩(wěn)，損耗小，另外根據(jù)離心風(fēng)扇理論，氣體進(jìn)入風(fēng)扇時(shí)，靠近前盤處的氣流速度明顯大于靠近后盤速度。對于無始端的葉片，這將導(dǎo)致入口氣流角沿進(jìn)入葉片的寬度方向明顯變小，形成較大的入口沖擊，造成氣流損失，因此，本項(xiàng)目電動(dòng)機(jī)所用風(fēng)扇在采用弧面型葉片的基礎(chǔ)上，對風(fēng)扇始端進(jìn)行設(shè)計(jì)。

表2 改造前后電動(dòng)機(jī)參數(shù)對比

4.1.2 通風(fēng)計(jì)算模型

為驗(yàn)證通風(fēng)結(jié)構(gòu)的可行性，建立了電動(dòng)機(jī)的CFD通風(fēng)計(jì)算模型，為減少計(jì)算量，提高效率，電機(jī)流場、溫度場CFD分析模型模為一個(gè)槽對應(yīng)的電機(jī)結(jié)構(gòu)部件。

通過CFD計(jì)算，得到了電機(jī)的溫度場分布。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，在進(jìn)入電機(jī)冷風(fēng)溫度取為60℃時(shí)，電機(jī)定子線圈最高溫度為104.5℃，定子線圈最高溫升為69.5K，轉(zhuǎn)子銅線最高溫度為100.5℃，轉(zhuǎn)子導(dǎo)條最高溫升為60.5K，轉(zhuǎn)子端環(huán)最高溫度為101.3℃，轉(zhuǎn)子端環(huán)最高溫升為61.3K，電機(jī)總風(fēng)量為8.35m3/s。

計(jì)算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果對比如表3所示。

從表3數(shù)據(jù)可以看出，通過CFD計(jì)算出的電機(jī)溫度場數(shù)據(jù)與實(shí)測數(shù)據(jù)基本吻合，驗(yàn)證了模型的正確性。

4.2 定子槽形及氣隙的特殊設(shè)計(jì)

在本次引增合一風(fēng)機(jī)電機(jī)中，電機(jī)的氣隙為3.5mm，定子槽形為深窄槽形，槽深/槽寬為5.3；同時(shí)轉(zhuǎn)子槽口寬度與氣隙值相當(dāng)，采用上述特殊設(shè)計(jì)方式后將此電機(jī)的起動(dòng)電流控制在額定電流的4.4倍。

4.3 轉(zhuǎn)子籠條的設(shè)計(jì)

起動(dòng)時(shí)間與加速轉(zhuǎn)矩（起動(dòng)轉(zhuǎn)矩阻力矩之差）和負(fù)載（風(fēng)機(jī)）轉(zhuǎn)動(dòng)慣量成正比，為保證安全平穩(wěn)起動(dòng)且滿足技術(shù)協(xié)議要求，在設(shè)計(jì)時(shí)將起動(dòng)轉(zhuǎn)矩倍數(shù)設(shè)計(jì)為0.8額定轉(zhuǎn)矩，主要措施為增加起動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)子電阻。

增加起動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)子電阻通常有3種方式：

（1）雙鼠籠結(jié)構(gòu)，此種方式一般在中小型電機(jī)中采用，大型異電動(dòng)機(jī)中采用較少。

（2）銅條采用銅合金材料，提高電阻率，如黃銅、鋁鐵青銅帶代替紫銅（純銅）。因?yàn)樵摲N方式改變了轉(zhuǎn)子的材料，不僅增加起動(dòng)時(shí)的電阻，同時(shí)也增加了正常運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)子電阻，因此降低了電機(jī)的效率。

（3）特殊槽形（梯形槽），轉(zhuǎn)子導(dǎo)體為籠條，其集膚效應(yīng)（亦可稱為擠流效應(yīng)或趨膚效應(yīng)）的作用在電機(jī)起動(dòng)時(shí)將電流集中在轉(zhuǎn)子槽口部位，電流的不均布可以等效為轉(zhuǎn)子電阻的增加。起動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)子電阻增加系數(shù)Kr正比于b2/b1，對于矩形銅排b2/b1=1，其中b1，b2分別為籠條上寬，籠條下寬（因Kr計(jì)算公式比較復(fù)雜在此不加贅述）。本次電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)b2/b1=5.3，因此起動(dòng)時(shí)集膚效應(yīng)比較強(qiáng)，起動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)子電阻為正常運(yùn)行時(shí)的6.8倍，若采用同等截面、同等高度的矩排，此值約為4.2，因此采用此種結(jié)構(gòu)可以在起動(dòng)電流基本相當(dāng)?shù)那闆r下將起動(dòng)轉(zhuǎn)矩增加60%以上。由于集膚效應(yīng)與轉(zhuǎn)子頻率的開方成正比，

圖2 電機(jī)基本結(jié)構(gòu)圖

表3 電機(jī)CFD計(jì)算結(jié)果與實(shí)測值對比

在額定轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)子的頻率很小，集膚效應(yīng)可以忽略，不會增加電機(jī)轉(zhuǎn)子銅耗，并不影響電機(jī)運(yùn)行時(shí)的效率。

5 設(shè)計(jì)效果驗(yàn)證及改進(jìn)

首批電機(jī)交貨后，根據(jù)現(xiàn)場錄波實(shí)測，起動(dòng)時(shí)電機(jī)端電壓6300V，最大起動(dòng)電流約4443A（折算到6000V約4231A），電機(jī)端電壓降至約81.9%（與額定電壓相比較），略超出預(yù)期要求。為保證設(shè)備安全運(yùn)行，需對其余電機(jī)進(jìn)行改進(jìn)。

根據(jù)異步電機(jī)等效電路，可以計(jì)算出電機(jī)起動(dòng)電流。

按照相關(guān)計(jì)算方法，可以得出起動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)子電阻、電抗的折算值。

由此可知，一般情況下，對于已制造好的鼠籠型異步電動(dòng)機(jī)，其起動(dòng)電流只與外部電壓有關(guān)。可以通過降壓起動(dòng)等方式實(shí)現(xiàn)來降低起動(dòng)電流的限制，但需額外增加設(shè)備，且犧牲起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。通過以上的分析，要設(shè)法降低電機(jī)的起動(dòng)電流，只能設(shè)法增加電機(jī)定轉(zhuǎn)子起動(dòng)時(shí)的電抗值，而此時(shí)電機(jī)的定、轉(zhuǎn)子沖片，定子線圈、機(jī)座等部件均已生產(chǎn)完成，極大地限制了可以采取的改進(jìn)手段。

在設(shè)計(jì)電機(jī)時(shí)，為了保證氣隙均勻性轉(zhuǎn)子沖片徑向預(yù)留了0.5mm加工量。若將此加工量減小，既可以減小電機(jī)氣隙，又可以增加轉(zhuǎn)子槽口高度。前者可以增加定轉(zhuǎn)子漏抗，后者可以增加轉(zhuǎn)子漏抗。

通過理論分析及計(jì)算，采取上述措施后起動(dòng)可以電流下降247A，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和最大轉(zhuǎn)矩略有下降，可以滿足使用需求。經(jīng)過改進(jìn)，錄波實(shí)測起動(dòng)電流最大值為4090A，與計(jì)算值基本吻合，電機(jī)對廠高變的沖擊大大減小，滿足現(xiàn)場運(yùn)行需求。

6 結(jié)論

銅山華潤電力有限公司“引增合一”改造項(xiàng)目4臺高效異步電動(dòng)機(jī)，目前已全部投運(yùn)，電機(jī)效率、溫升、振動(dòng)、起動(dòng)電流等各項(xiàng)指標(biāo)均十分優(yōu)異。相對于改造前，單臺機(jī)組（含風(fēng)機(jī)）耗電率下降了0.3%，兩臺機(jī)組改造完成后每年可直接為用戶創(chuàng)效近千萬元，節(jié)能效果十分顯著。對于現(xiàn)役大容量燃煤機(jī)組，特別是對于早期的廠變無備用容量的大機(jī)組在引增合一合改造中有借鑒意義。

[1]陳世坤.電機(jī)設(shè)計(jì)【M】.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

[2]顧繩谷.電機(jī)及拖動(dòng)基礎(chǔ)【M】.北京：機(jī)械工業(yè)出版社2004.