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

劉金鵬，劉碩

（東方電機(jī)有限公司產(chǎn)品開(kāi)發(fā)二部，四川 德陽(yáng) 618000）

1 概述

隨著對(duì)用電需求的不斷增長(zhǎng)，上馬了一批煤耗相對(duì)較小、投資回報(bào)率較高的1000MW燃煤機(jī)組。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)文獻(xiàn)，大容量燃煤機(jī)組的廠用電率約為4%～5%，是用電大戶。因此，對(duì)大容量燃煤機(jī)組的大功率輔機(jī)電機(jī)進(jìn)行節(jié)能改造有著很重要的現(xiàn)實(shí)意義。我公司為銅山華潤(rùn)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)，電機(jī)效率高、啟動(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。

2 改造原因及理論的可行性

銅山華潤(rùn)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(tái)靜葉調(diào)節(jié)軸流式引風(fēng)機(jī)和配套電動(dòng)機(jī)，每臺(tái)機(jī)組脫硫系統(tǒng)配備兩臺(tái)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(lái)，引風(fēng)機(jī)存在運(yùn)行開(kāi)度偏低，電耗偏高的情況。為了簡(jiǎn)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，用戶決定進(jìn)行引增合一改造，改造后引風(fēng)機(jī)電機(jī)功率為7800kW。

3 改造前后電機(jī)基本參數(shù)

銅山華潤(rùn)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(duì)比如表1所示。

表1 改造前后電動(dòng)機(jī)參數(shù)對(duì)比

從表1可以看出，本次改造電機(jī)在原基礎(chǔ)上增容約32%，但對(duì)啟動(dòng)電流的要求僅允許增加約10%，這對(duì)大容量電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)要求很高。

4 高效通風(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(duì)于低速異步電動(dòng)機(jī)，為滿足電機(jī)高效率的要求，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，研究電機(jī)采用風(fēng)磨損耗較小的徑向通風(fēng)結(jié)構(gòu)，但是對(duì)于大容量低速異步電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，則對(duì)其通風(fēng)效率提出了更高的要求。

4.1 風(fēng)扇設(shè)計(jì)

對(duì)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)通風(fēng)效率。電動(dòng)機(jī)內(nèi)冷卻離心風(fēng)扇根據(jù)葉片線型的不同，分為圓弧形和直線形兩種。根據(jù)葉片傾角的不同，又分為前傾、徑向、后傾三種。徑向風(fēng)扇制造工藝最簡(jiǎn)單，適用于雙向旋轉(zhuǎn)。由于存在氣流沖擊，流動(dòng)損失大，因此效率偏低，噪聲也大，直線型葉片亦不利于氣體流動(dòng)，效率也不高。本項(xiàng)目電機(jī)采用弧面后傾式風(fēng)扇，雖然制造工藝較直線型風(fēng)扇復(fù)雜，但是氣體流動(dòng)損失小、效率高，風(fēng)扇風(fēng)噪也小。

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(pán)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(guò)時(shí)方向過(guò)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(pán)處的氣流速度明顯大于靠近后盤(pán)速度。對(duì)于無(wú)始端的葉片，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(duì)風(fēng)扇始端進(jìn)行設(shè)計(jì)。

4.2 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(chǎng)、溫度場(chǎng)CFD分析模型為一個(gè)槽對(duì)應(yīng)的電機(jī)結(jié)構(gòu)部件。

通過(guò)CFD計(jì)算，得到了電機(jī)的溫度場(chǎng)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)子銅線最高溫升為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。

計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比如表2所示。

表2 電機(jī)CFD計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值對(duì)比

從表2數(shù)據(jù)可以看出，通過(guò)CFD計(jì)算出的電機(jī)溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基本吻合，驗(yàn)證了模型的正確性。

5 設(shè)計(jì)效果驗(yàn)證及改進(jìn)

先期兩臺(tái)電機(jī)交付使用后，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)錄波顯示，起機(jī)時(shí)電機(jī)端電壓6300V，最大啟動(dòng)電流約4443A（折算到6000V約4232A），電機(jī)端電壓降至約76.3%（與額定電壓相比較），不滿足協(xié)議需求，需對(duì)電機(jī)進(jìn)行改進(jìn)。

根據(jù)電機(jī)設(shè)計(jì)理論，電機(jī)啟動(dòng)電流為：

其中：Kn為啟動(dòng)時(shí)飽和系數(shù)，對(duì)于8極電機(jī)取1.15；為啟動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)子漏抗（標(biāo)幺值）；X1為定子漏抗（標(biāo)幺值）；Ikw為功電流（A）。

其中：fN為電機(jī)額定頻率；PN為電機(jī)額定功率；為電機(jī)鐵心計(jì)算長(zhǎng)；為每相串聯(lián)匝數(shù)；為定子繞組系數(shù)；p為極對(duì)數(shù)。

因此，電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)已定的情況下，這些參數(shù)均為定值，取常數(shù)C，Uf為相電壓。而電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)一定的情況下，X2亦為一個(gè)定值。

與轉(zhuǎn)子類(lèi)似，定子漏抗也為：

同樣，電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)一定的情況下，x1仍為一個(gè)定值。

將式（2）、（3）、（4）、（5）帶入式（1）整理得：

從式（6）可以看出，一般情況下，對(duì)于已制造好的電動(dòng)機(jī)，其啟動(dòng)電流只與外部電壓有關(guān)，可以通過(guò)降壓?jiǎn)?dòng)等方式實(shí)現(xiàn)對(duì)啟動(dòng)電流的限制。但這對(duì)于用戶在設(shè)備故障緊急處理時(shí)，帶來(lái)較大風(fēng)險(xiǎn)，故不推薦。通過(guò)以上的分析，要設(shè)法改變電機(jī)的啟動(dòng)電流，只能設(shè)法改變電機(jī)定轉(zhuǎn)子電抗值，而此時(shí)其余電機(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，極大的限制了可以采取的改進(jìn)手段。

經(jīng)過(guò)分析，充分利用轉(zhuǎn)子疊片后表面的加工余量，通常為保證轉(zhuǎn)子外圓的圓度及疊片后的光潔度和氣隙均勻性，沖片直徑單邊預(yù)留0.5mm加工量，可以利用該工藝對(duì)轉(zhuǎn)子槽口高度進(jìn)行更改，單邊減少加工量0.3mm。

為進(jìn)一步驗(yàn)證方案的可行性，分別用有限元法對(duì)電機(jī)啟動(dòng)性能進(jìn)行計(jì)算，經(jīng)過(guò)計(jì)算，啟動(dòng)電流下降247A，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩倍數(shù)將降到0.7倍，最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)降到1.7倍。考慮到電流實(shí)測(cè)值比技術(shù)協(xié)議要求高232A，通過(guò)本次改進(jìn)后電流可能降為3985A，因此，判斷該方案可以滿足降流要求。

經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)改進(jìn)，改造后電機(jī)在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)啟動(dòng)電流最大值為4090A，與計(jì)算值基本吻合，電機(jī)對(duì)廠高變的沖擊大大減小，滿足了用戶需求，得到用戶認(rèn)可。

6 結(jié)語(yǔ)

銅山華潤(rùn)電力有限公司“引增合一”改造項(xiàng)目4臺(tái)高效異步電動(dòng)機(jī)，在電廠專業(yè)人員及制造單位設(shè)計(jì)人員的共同努力下，目前已全部投運(yùn)，電機(jī)效率、溫升、振動(dòng)、啟動(dòng)電流等各項(xiàng)指標(biāo)均十分優(yōu)異。相對(duì)于改造前，單臺(tái)機(jī)組（含風(fēng)機(jī)）耗電率下降了0.32%，兩臺(tái)機(jī)組改造完成后每年可直接為用戶創(chuàng)效近千萬(wàn)元，節(jié)能效果十分顯著。