300 MW級(jí)壓縮空氣儲(chǔ)能電站壓縮機(jī)電動(dòng)機(jī)選型研究

徐陳成 梁文軍

摘要：通過(guò)分析300 MW級(jí)壓縮空氣儲(chǔ)能電站壓縮機(jī)電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用需求，研究了大功率電動(dòng)機(jī)制造的限制因素和解決方案，從異步電動(dòng)機(jī)和同步電動(dòng)機(jī)的選擇、額定電壓的選擇、功率因數(shù)的選擇、同步電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁方式的選擇、電動(dòng)機(jī)防護(hù)等級(jí)的選擇等方面分析了壓縮機(jī)電動(dòng)機(jī)設(shè)備的型式選擇，提出了適用于300 MW級(jí)壓縮空氣儲(chǔ)能電站壓縮機(jī)電動(dòng)機(jī)的推薦選型方案，為以后工程的壓縮機(jī)電動(dòng)機(jī)選型提供了參考。

關(guān)鍵詞：300 MW級(jí)壓縮空氣儲(chǔ)能；壓縮機(jī)電動(dòng)機(jī)；大功率電動(dòng)機(jī)；同步電動(dòng)機(jī)

中圖分類號(hào)：TK02? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號(hào)：1671-0797（2024）03-0006-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.03.002

0? ? 引言

在工業(yè)行業(yè)中，大型空氣壓縮機(jī)作為關(guān)鍵設(shè)備之一，廣泛應(yīng)用于空氣分離、冶金、石油化工等領(lǐng)域，而我國(guó)近年快速發(fā)展的壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)拓展了大型空氣壓縮機(jī)的應(yīng)用需求。壓縮空氣儲(chǔ)能（Compressed Air Energy Storage，CAES）是一種新型物理儲(chǔ)能技術(shù)，具備建設(shè)成本低、安全性相對(duì)較高、運(yùn)行過(guò)程中不產(chǎn)生環(huán)境污染、儲(chǔ)能時(shí)間長(zhǎng)、使用壽命長(zhǎng)等技術(shù)優(yōu)勢(shì)，是我國(guó)發(fā)展儲(chǔ)能的重要方向之一[1-3]。300 MW級(jí)壓縮空氣儲(chǔ)能電站的壓縮空氣系統(tǒng)包含若干臺(tái)大功率壓縮機(jī)及壓縮機(jī)電動(dòng)機(jī)。高轉(zhuǎn)速大功率壓縮機(jī)電動(dòng)機(jī)是壓縮空氣系統(tǒng)的核心電氣設(shè)備，其選型直接影響到空氣壓縮機(jī)系統(tǒng)的性能、可靠性和經(jīng)濟(jì)性。結(jié)合工程實(shí)際需求，本文研究了300 MW級(jí)壓縮空氣儲(chǔ)能電站中壓縮機(jī)電動(dòng)機(jī)的選型原則，包括異步電動(dòng)機(jī)和同步電動(dòng)機(jī)的選擇[4]、額定電壓的選擇、功率因數(shù)的選擇、同步電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁方式的選擇、電動(dòng)機(jī)防護(hù)等級(jí)的選擇等。

1? ? 大功率電動(dòng)機(jī)應(yīng)用和制造概況

1.1? ? 大功率壓縮機(jī)電動(dòng)機(jī)應(yīng)用需求

我國(guó)近年來(lái)部分300 MW級(jí)壓縮空氣儲(chǔ)能電站工程中壓縮機(jī)電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用情況如下。

某350 MW壓縮空氣儲(chǔ)能發(fā)電項(xiàng)目，壓縮機(jī)組采用雙列并聯(lián)方案，每列由4臺(tái)壓縮機(jī)串聯(lián)組成，每套機(jī)組配套8臺(tái)壓縮機(jī)電動(dòng)機(jī)，每列壓縮機(jī)的4段電動(dòng)機(jī)功率為40、32、32、30 MW。

某300 MW壓縮空氣儲(chǔ)能發(fā)電項(xiàng)目，壓縮機(jī)組采用雙列并聯(lián)方案，每列由4臺(tái)壓縮機(jī)串聯(lián)組成，每套機(jī)組配套8臺(tái)壓縮機(jī)電動(dòng)機(jī)，每列壓縮機(jī)的4段電動(dòng)機(jī)功率為52、43、43、20 MW。

某300 MW壓縮空氣儲(chǔ)能發(fā)電項(xiàng)目，壓縮機(jī)組采用雙列并聯(lián)方案，每列由3臺(tái)壓縮機(jī)串聯(lián)組成，每套機(jī)組配套6臺(tái)壓縮機(jī)電動(dòng)機(jī)，每列壓縮機(jī)的3段電動(dòng)機(jī)功率為78、73、28 MW。

300 MW級(jí)壓縮空氣儲(chǔ)能電站均采用2P和4P的壓縮機(jī)電動(dòng)機(jī)，不會(huì)采用6P及以上的電動(dòng)機(jī)。對(duì)于一段壓縮機(jī)，由于壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速一般為3 000 r/min，壓縮機(jī)與電動(dòng)機(jī)直連，不設(shè)置齒輪箱，采用2P電動(dòng)機(jī)。對(duì)于除一段以外的壓縮機(jī)，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速大于3 000 r/min，需要設(shè)置齒輪箱，2P、4P電動(dòng)機(jī)均可采用。對(duì)于中間段的壓縮機(jī)，其功率相對(duì)適中，根據(jù)電動(dòng)機(jī)及齒輪箱的總成本比較情況，以確定采用2P或4P電動(dòng)機(jī)。對(duì)于末段壓縮機(jī)，由于壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速很高且功率相對(duì)較小，4P電動(dòng)機(jī)相對(duì)2P電動(dòng)機(jī)造價(jià)較低，因此采用4P電動(dòng)機(jī)較多。

一般而言，300 MW級(jí)壓縮空氣儲(chǔ)能電站中每套機(jī)組需采用6～8臺(tái)10～80 MW級(jí)2P或4P的高轉(zhuǎn)速大功率壓縮機(jī)電動(dòng)機(jī)。由于壓縮機(jī)電動(dòng)機(jī)的功率等級(jí)遠(yuǎn)超常規(guī)應(yīng)用場(chǎng)合，需調(diào)研我國(guó)大功率電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)及制造能力能否滿足300 MW級(jí)壓縮空氣儲(chǔ)能電站的應(yīng)用需求。

1.2? ? 大功率電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)及制造能力

通過(guò)調(diào)研國(guó)內(nèi)主要大型電機(jī)制造廠，得到我國(guó)大功率電動(dòng)機(jī)最大設(shè)計(jì)能力及實(shí)際業(yè)績(jī)情況如表1所示。

對(duì)于10 kV同步電動(dòng)機(jī)，2P電動(dòng)機(jī)為隱極機(jī)，其設(shè)計(jì)能力上限約為150 MW，目前已有工程業(yè)績(jī)的最大功率為80 MW。4P同步電動(dòng)機(jī)根據(jù)結(jié)構(gòu)型式分為凸極和隱極，隱極結(jié)構(gòu)制造成本高，一般情況下均采用凸極結(jié)構(gòu)，4P凸極電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)能力上限約為75 MW，4P隱極電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)能力上限約為150 MW，目前已有工程業(yè)績(jī)的最大功率為45.6 MW。

對(duì)于10 kV異步電動(dòng)機(jī)，由于異步電動(dòng)機(jī)的自身特性限制，2P電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)能力上限約為12.5 MW，目前已有工程業(yè)績(jī)的最大功率為9 MW。4P電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)能力上限約為42 MW，目前已有工程業(yè)績(jī)的最大功率為35 MW。

因此，國(guó)產(chǎn)大功率電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)及制造能力，完全能夠滿足300 MW級(jí)壓縮空氣儲(chǔ)能電站項(xiàng)目的應(yīng)用需求。

1.3? ? 大功率電動(dòng)機(jī)制造的限制因素和解決方案

制造超大功率電動(dòng)機(jī)的限制因素主要包括材料的力學(xué)性能、定轉(zhuǎn)子槽型及槽配合、電機(jī)繞組相帶拆分與并聯(lián)、渦流損耗、內(nèi)部風(fēng)路設(shè)計(jì)等。

對(duì)這些制約因素的解決方案主要為以下幾點(diǎn)：1）突破材料力學(xué)性能：凸極和鼠籠轉(zhuǎn)子直徑無(wú)法進(jìn)一步放大，可在現(xiàn)有空間的基礎(chǔ)上，提高空間利用率，提高通風(fēng)冷卻的效率，降低電機(jī)損耗；隱極轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)可以突破上述材料性能限制，在高轉(zhuǎn)速大功率方案中應(yīng)用。2）定轉(zhuǎn)子槽型及槽配合：重新確定定轉(zhuǎn)子槽型及槽配合，應(yīng)用有限元法進(jìn)行仿真分析和計(jì)算。3）電機(jī)繞組相帶拆分與并聯(lián)：突破電機(jī)繞組相帶拆分與并聯(lián)的關(guān)鍵技術(shù)，應(yīng)用新型繞組接線方式，實(shí)現(xiàn)圈式線圈的應(yīng)用。4）渦流損耗優(yōu)化：應(yīng)用仿真分析手段，對(duì)定子端部渦流損耗進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，減少電機(jī)的雜散損耗。5）內(nèi)部風(fēng)路設(shè)計(jì)：對(duì)電動(dòng)機(jī)的內(nèi)部風(fēng)路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并進(jìn)行有限元仿真分析計(jì)算。

2? ? 大功率壓縮機(jī)電動(dòng)機(jī)的選型原則

2.1? ? 異步電動(dòng)機(jī)與同步電動(dòng)機(jī)的選擇

2.1.1? ? 制造能力

從大功率電動(dòng)機(jī)制造能力的角度分析，壓縮機(jī)電動(dòng)機(jī)，對(duì)于2P電動(dòng)機(jī)，額定功率在10 MW及以下宜采用異步電動(dòng)機(jī)，10 MW以上異步電動(dòng)機(jī)選擇困難，應(yīng)采用同步電動(dòng)機(jī)。對(duì)于4P電動(dòng)機(jī)，額定功率在35 MW及以下可采用同步電動(dòng)機(jī)或異步電動(dòng)機(jī)，35 MW以上異步電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)制造困難且缺乏應(yīng)用業(yè)績(jī)，應(yīng)采用同步電動(dòng)機(jī)。另外，考慮到20～35 MW的4P異步電動(dòng)機(jī)制造及應(yīng)用業(yè)績(jī)相對(duì)較少，且需要從電網(wǎng)吸收大量無(wú)功，對(duì)提高并網(wǎng)點(diǎn)的功率因數(shù)不利，因此推薦20～35 MW的4P電動(dòng)機(jī)采用同步電動(dòng)機(jī)，10～20 MW可采用同步電動(dòng)機(jī)或異步電動(dòng)機(jī)。

2.1.2? ? 可靠性

無(wú)論同步電動(dòng)機(jī)還是異步電動(dòng)機(jī)，均具有高度的可靠性。

就電動(dòng)機(jī)本身的結(jié)構(gòu)而言，異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性更高；而同步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可靠性略低。

就電網(wǎng)電壓波動(dòng)對(duì)電機(jī)的影響而言，異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出受電壓波動(dòng)影響較大，而同步電動(dòng)機(jī)通過(guò)勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)，輸出轉(zhuǎn)矩更加穩(wěn)定。從電壓波動(dòng)影響的角度比較，同步電動(dòng)機(jī)可靠性更高。

2.1.3? ? 運(yùn)行特性

異步電動(dòng)機(jī)和同步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性比較如表2所示。

可以看出，對(duì)于轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性要求高、轉(zhuǎn)矩控制要求高和對(duì)無(wú)功調(diào)節(jié)有需求的場(chǎng)合應(yīng)選用同步電動(dòng)機(jī)，其他場(chǎng)合選擇異步電動(dòng)機(jī)即可。工程中應(yīng)根據(jù)空氣壓縮機(jī)的運(yùn)行特性和儲(chǔ)能電站的無(wú)功調(diào)節(jié)需求選擇異步電動(dòng)機(jī)或同步電動(dòng)機(jī)。

2.1.4? ? 維護(hù)工作量

大型電動(dòng)機(jī)的維護(hù)工作包括經(jīng)常性檢查、月度檢查和季度檢查。異步電動(dòng)機(jī)的維護(hù)工作主要內(nèi)容包括定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組的維護(hù)和檢修，而對(duì)于同步電動(dòng)機(jī)還包括交流勵(lì)磁系統(tǒng)的維護(hù)和檢修。

與異步電動(dòng)機(jī)相比，同步電動(dòng)機(jī)由于系統(tǒng)較復(fù)雜，其維護(hù)工作量略大。

2.1.5? ? 造價(jià)成本

影響大功率電動(dòng)機(jī)成本的主要因素如下：1）材料成本：異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，不需要?jiǎng)?lì)磁繞組和勵(lì)磁系統(tǒng)等特殊結(jié)構(gòu)，材料成本較低。2）制造工藝成本：異步電動(dòng)機(jī)的制造工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，尤其是轉(zhuǎn)子部分制造工藝簡(jiǎn)單成熟，制造工藝成本較低。3）勵(lì)磁系統(tǒng)成本：同步電動(dòng)機(jī)需要額外的勵(lì)磁系統(tǒng)。4）維護(hù)成本：由于異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，維護(hù)成本較低。在功率相同的情況下，異步電動(dòng)機(jī)的造價(jià)成本顯著低于同步電動(dòng)機(jī)。在不受制造能力限制的情況下，應(yīng)優(yōu)先選擇造價(jià)較低的異步電動(dòng)機(jī)。

2.1.6? ? 小結(jié)

壓縮機(jī)電動(dòng)機(jī)選擇同步電動(dòng)機(jī)還是異步電動(dòng)機(jī)，應(yīng)基于成本造價(jià)、性能要求、運(yùn)行特性和維護(hù)工作量等因素進(jìn)行綜合評(píng)估，推薦如下選型方案：對(duì)于2P電動(dòng)機(jī)，額定功率在10 MW及以下宜采用異步電動(dòng)機(jī)，10 MW以上應(yīng)采用同步電動(dòng)機(jī)；對(duì)于4P電動(dòng)機(jī)，額定功率在10 MW及以下宜采用異步電動(dòng)機(jī)，10～20 MW可采用同步電動(dòng)機(jī)或異步電動(dòng)機(jī)，20 MW及以上宜采用同步電動(dòng)機(jī)。

2.2? ? 電動(dòng)機(jī)額定電壓的選擇

大功率電動(dòng)機(jī)的常用額定電壓主要包括6、10、13.8 kV等，另外還有一些非標(biāo)的電壓等級(jí)，如6.9、9.5、10.5、11 kV等。考慮到壓縮機(jī)電動(dòng)機(jī)的大功率特性和標(biāo)準(zhǔn)化需求，不考慮采用電壓等級(jí)較低的6 kV及非標(biāo)的電壓等級(jí)。

電壓升高會(huì)引起電動(dòng)機(jī)尺寸和重量的變化。電動(dòng)機(jī)的寬度和高度尺寸會(huì)增加，定子硅鋼片的尺寸增大、電氣間隙的增大會(huì)影響到端部尺寸和機(jī)座尺寸，而增加的材料體積會(huì)導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)的重量增加。因此，在選擇高電壓電動(dòng)機(jī)額定電壓時(shí)，需要綜合考慮電動(dòng)機(jī)的尺寸、重量、性能和成本等因素，以找到最佳的平衡點(diǎn)。

當(dāng)提高額定電壓時(shí)，電動(dòng)機(jī)的造價(jià)成本也會(huì)提高。

功率100 MW以內(nèi)、電壓10～13.8 kV：在這個(gè)功率范圍內(nèi)，隨著電壓的升高，電動(dòng)機(jī)繞組絕緣所需的絕緣材料增加，導(dǎo)致成本略微增加。

功率100 MW以內(nèi)、電壓13.8 kV以上：隨著電壓的升高，電動(dòng)機(jī)造價(jià)成本會(huì)顯著增加，這是電磁基礎(chǔ)的變化、鐵芯硅鋼片用量增加以及絕緣材料成本增加所導(dǎo)致的。對(duì)于15.75 kV及以上電壓等級(jí)的電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)的制造成本高昂，經(jīng)濟(jì)性差，其工程應(yīng)用也極其有限，壓縮機(jī)電動(dòng)機(jī)不考慮采用15.75 kV及以上電壓等級(jí)。

考慮到13.8 kV為135 MW級(jí)同步發(fā)電機(jī)的電壓等級(jí)，綜合考慮壓縮空氣系統(tǒng)配套的壓縮機(jī)變壓器、高壓站用母線、壓縮機(jī)電動(dòng)機(jī)斷路器、高壓變頻器、動(dòng)力電纜等設(shè)備的選型，降低壓縮機(jī)組電氣系統(tǒng)的整體造價(jià)，且與高壓站用電系統(tǒng)電壓等級(jí)保持一致，推薦壓縮機(jī)電動(dòng)機(jī)的額定電壓采用10 kV。

2.3? ? 同步電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)的選擇

同步電動(dòng)機(jī)的額定功率因數(shù)常規(guī)設(shè)計(jì)范圍為0.9至1.0之間，一般為0.95。

同步電動(dòng)機(jī)采用較高的功率因數(shù)可以提高電力系統(tǒng)的效率，減少電網(wǎng)輸電損耗；也可以提高電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行效率。

為提高同步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行效率，建議選擇較高的功率因數(shù)。

壓縮機(jī)同步電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)，推薦選擇0.90～0.95超前，具體根據(jù)電網(wǎng)無(wú)功需求確定。

2.4? ? 同步電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁方式的選型

同步電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)分為有刷勵(lì)磁和無(wú)刷勵(lì)磁兩種，且均有廣泛應(yīng)用。勵(lì)磁方式的選型應(yīng)根據(jù)電動(dòng)機(jī)的使用條件，例如負(fù)載特性、轉(zhuǎn)速范圍、電網(wǎng)性質(zhì)等因素確定。兩種勵(lì)磁方式的對(duì)比如表3所示。

有刷勵(lì)磁和無(wú)刷勵(lì)磁均能滿足壓縮機(jī)同步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行需求。綜合考慮設(shè)備造價(jià)成本和后期運(yùn)行維護(hù)的便利性，推薦壓縮機(jī)同步電動(dòng)機(jī)采用無(wú)刷勵(lì)磁方式，也可采用有刷勵(lì)磁方式。

2.5? ? 電動(dòng)機(jī)防護(hù)等級(jí)的選型

壓縮機(jī)電動(dòng)機(jī)通常安裝在壓縮機(jī)主廠房室內(nèi)，室內(nèi)環(huán)境的含塵量較低，水侵入的可能性很小。

同步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行中軸貫通部位、蓋板部位和部件結(jié)合部位可能存在間隙。同步電動(dòng)機(jī)的電氣系統(tǒng)和潤(rùn)滑油系統(tǒng)等也要求一定的防護(hù)等級(jí)。

同步電動(dòng)機(jī)的電氣系統(tǒng)方面，需要防止固體物質(zhì)、灰塵和水的侵入，以避免絕緣性能降低和設(shè)備損壞，要求的防護(hù)等級(jí)為不低于IP44級(jí)。

同步電動(dòng)機(jī)的潤(rùn)滑油系統(tǒng)方面，軸貫通部位存在微小間隙，難以完全避免灰塵進(jìn)入。潤(rùn)滑油系統(tǒng)要求的防護(hù)等級(jí)為不低于IP44級(jí)。

因此，推薦壓縮機(jī)同步電動(dòng)機(jī)的防護(hù)等級(jí)采用IP44級(jí)。對(duì)于壓縮機(jī)異步電動(dòng)機(jī)，也推薦防護(hù)等級(jí)采用IP44級(jí)。

3? ? 結(jié)論

本文分析了300 MW級(jí)壓縮空氣儲(chǔ)能電站壓縮機(jī)電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用需求，調(diào)研并論證了國(guó)產(chǎn)大功率電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)及制造能力可以滿足300 MW級(jí)壓縮空氣儲(chǔ)能電站項(xiàng)目的應(yīng)用需求。

本文提出了適用于300 MW級(jí)壓縮空氣儲(chǔ)能電站壓縮機(jī)電動(dòng)機(jī)的推薦選型方案：

1）對(duì)于2P電動(dòng)機(jī)，額定功率在10 MW及以下宜采用異步電動(dòng)機(jī)，10 MW以上應(yīng)采用同步電動(dòng)機(jī)；對(duì)于4P電動(dòng)機(jī)，額定功率在10 MW及以下宜采用異步電動(dòng)機(jī)，10～20 MW可采用同步電動(dòng)機(jī)或異步電動(dòng)機(jī)，20 MW及以上宜采用同步電動(dòng)機(jī)。2）額定電壓宜采用10 kV。3）采用同步電動(dòng)機(jī)時(shí)，額定功率因數(shù)宜為0.90～0.95超前，具體根據(jù)電網(wǎng)無(wú)功需求確定。4）采用同步電動(dòng)機(jī)時(shí)，勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)宜采用無(wú)刷勵(lì)磁方式，也可采用有刷勵(lì)磁方式。5）外殼防護(hù)等級(jí)宜采用IP44級(jí)。

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收稿日期：2023-10-10

作者簡(jiǎn)介：徐陳成（1990—），男，江蘇鹽城人，工程師，從事發(fā)電廠電氣設(shè)計(jì)工作。