雙速改造在發電廠循泵電機節能中的應用

方昌勇，陳 更

（浙能蘭溪發電有限責任公司，浙江 蘭溪 321100）

浙江浙能蘭溪發電有限責任公司（以下簡稱蘭電公司）總裝機容量為4×600MW，每兩臺機組共用4臺循環水泵。由于季節溫差大，水溫和蒸發量不盡相同，循環水用量也大不相同，夏季高溫時需要3臺泵運行，春秋季節2臺泵運行就能滿足補水要求，冬季2臺泵運行則流量偏大。與循環水泵配套的單速電機轉速恒定，運行方式單一，循環水流量不能根據運行工況進行調整，電能浪費嚴重、設備效率偏低，因此有必要選擇合適的調速方式對循環水泵電機進行節能改造。

1 改造方案的確定

目前，火力發電廠中的6kV風機、水泵大部分采用異步電機，國內外異步電機節能改造較為常用的方法有兩種，即變頻改造和雙速改造。

變頻改造是通過加裝高壓變頻器對循環水泵電機轉速進行調速控制。這種方法需要增加變頻設備，變頻調速為無級調速，調速范圍廣，適用于各類交流電動機，節能效果好。但對于電廠的高電壓、大功率電機，變頻裝置價格昂貴，技術要求高、維護費用大、故障率高，因此變頻調速節能方法受到一定的限制。

雙速改造是將原單速電機改成單繞組雙速電機。這種方法是利用電機本身條件，將電機從單速改為雙速，泵的負載高時用高速，負載低時用低速，其改造費用低、改造周期短、維護簡單，在國內應用較多，經驗成熟、性價比高，但因電機僅有兩種速度，節能效果不如變頻裝置。

經充分論證和分析，認為第二種方法比較符合當前需求。對循環水泵電機進行雙速改造，可增加循環水量調節的靈活性，滿足不同季節的供水需要。因此，結合2號機組B級檢修工作，對2A和2B循環水泵電機進行雙速改造，將2臺16極循環水泵電機改造為16/18極（高速時16極，低速時18極）雙速電機。

2 雙速電機的節能原理和改造方法

2.1 雙速循泵電機的節能原理

泵類負載調速節能原理如圖1所示，根據離心泵相似定律，小范圍改變泵的轉速，其效率近似不變，性能近似關系為：

式中： Q1，Q2，H1，H2，P1，P2分別表示 n1和 n2轉速下泵的流量、揚程和功率。

圖1 泵類負載調速節能原理

電機在16極時性能參數不變，18極運行時，根據式（1）-（3），水泵流量為 16極運行時的 0.89倍，揚程為16極運行時的0.79倍，軸功率為16極運行時的0.70倍，相當于水泵流量減少11%，電機輸出功率減少30%，可以達到節能目的。

2.2 循泵電機雙速改造的方法

蘭電公司原循環水泵電機為上海電機廠生產的YLKS1250-16型16極3800 kW異步電動機，定子繞組為4Y接法，144槽。夏季運行時，原電機線圈溫度最高達到110℃，因而要求改造后電機的繞組溫度不能升高。對4Y接法的循環水泵電機進行雙速改造一般有以下幾種方法：

（1）3Y+Y或極幅調制法。采用3Y+Y或極幅調制法等定子繞組變極方式進行改造，雖然方法簡便，但存在內部繞組復雜、連接方式低效、顯著削弱定子繞組利用率的缺點，電機在相同的輸出功率情況下繞組溫度顯著上升，輸入功率顯著增加，因而該方法不宜采用。

（2）1Y/1Y繞組接線法。在原有線圈的基礎上，將線圈的連接方法由4Y改成1Y/1Y（分別對應16極和18極）接法，但在低速（18極）時，如果定子繞組采用1Y接法，由于電機電磁力嚴重不足，可能影響循環水泵正常運行。因此，該方法也不宜采用。

（3）2Y/Δ繞組接線法。在原有線圈的基礎上，將定子繞組的連接方法由4Y改成2Y/Δ（分別對應16極和18極）接法，在16極時電機性能不變，18極時定子繞組為角型接法，因繞組仍有較高的分布系數，輸出功率能滿足低速時水泵所需要的功率，且電機的溫升、振動、噪聲也均能符合國家相關標準的規定。

經過對比，決定采用2Y/Δ繞組接線法對電機進行雙速改造。改造后，通過改變裝在電機外殼上的變極接線板連接方式來實現高、低速切換。雙速節能改造前后的電機技術數據見表1。

表1 循環水泵電機雙速節能改造前后的技術數據

3 差動保護的實現方式

雙速改造后，電機在高速時仍為Y形接線方式，對差動保護沒有影響。在低速時，由于電機定子繞組為Δ接線，導致電流互感器（以下簡稱TA）二次側的電流大小和相位發生變化，給差動保護配置帶來影響，曾有雙速改造后的循環水泵電機在低速運行時直接將差動保護退出的情況發生，所以有必要對雙速改造后循環水泵電機的差動保護配置進行研究。

根據GB/T 14285-2006《繼電保護和安全自動裝置技術規程》要求，2 MW及以上，或2 MW以下但電流速斷保護靈敏系數不符合要求的電動機，為防止在電動機自起動過程中誤動作，可裝設縱聯差動保護。循環水泵電動機在18極低速運行方式下，如果額定有功功率大于2 MW，仍有必要配置差動保護。蘭電公司循環水泵電機低速時的額定功率為2700 kW，因此有必要配置差動保護。

原循環水泵電機保護配置如圖2所示。保護采用的電流為A，C兩相電流，6kV開關側差動保護TA僅為A，C兩相TA，電機側差動保護TA為三相TA，但B相TA二次側電流回路短接，沒有使用。

圖2 原循泵電機保護配置

改造后，電機高、低速時的定子繞組接線如圖3所示，高速時定子繞組接線方式沒有變化，低速時為Δ接線，電機側和開關側TA固定安裝，如果不改變原來的差動保護接線方式，顯然有勢必導致差動保護動作，使電機無法正常運行。因此，在低速時可以改變電機側TA的二次接線，使送入保護裝置的兩側二次電流保持一致。按照圖3中的電流方向，根據基爾霍夫電流定律，可以得到如下的關系式：

對此，當電機低速運行時，可將電機側TA的二次接線同樣以Δ方式連接，如圖4所示，同樣可以根據基爾霍夫電流定律得到如下的關系式：

由上述關系表達式可知，將TA的二次接線以同樣的Δ方式連接，可以使送入保護裝置的兩側電流保持一致，實現差動保護功能。

圖3 電機高、低速時的定子繞組接線

圖4 電機低速時的TA二次接線

改造時需在循環水泵電機開關柜內增加B相TA及其二次線。當電機高/低速運行切換時，電機側TA二次接線需做相應的改變。

4 經濟性估算

4.1 循環水泵的運行方式

循環水泵應用雙速電機的經濟性取決于其運行方式。改造前具有代表性的運行方式為春秋和冬季兩泵運行，夏季三泵運行。經過計算，雙速改造后采用以下運行方式：

（1）春、秋季節循環水溫度低于22.5℃時，采用兩高一低并列方式，但其穩定性還需試驗確認。

（2）當春、秋季節循環水溫度低于21.6℃時，采用兩高并列方式。

（3）當春、秋、冬季循環水溫度低于18.5℃時，采用一高一低并列方式。

（4）當冬季循環水溫度低于17℃時，采用兩低并列方式。

4.2 循環水泵電機雙速改造的經濟效益

循環水泵電機進行雙速改造后，可以根據循環水溫度、機組負荷等情況，靈活地選擇運行方式，將有助于降低廠用電率，因此帶來可觀的經濟效益。

例如：當電機在一高一低的運行方式下運行1個月，按720 h計算，電價以0.36元/kWh計算，則1個月可帶來的直接效益為：（3800-2700）×720×0.36=28.51萬元。

目前，由于電機的雙速改造技術已經比較成熟，每臺電機雙速改造的費用一般不超過30萬元，因此只要循環水泵電機在低速狀態下運行1個月，即可收回其雙速改造的費用，經濟效益相當可觀。

5 結語

火力發電廠是節能減排的重點生產企業，節約廠用電是長期而艱苦的工作。對循環水泵電機進行雙速改造，不僅可以增加循環水泵系統調節方式的靈活性，而且還能取得相當顯著的節能效果，是節能降耗的有效途徑。

[1]王毓東.電機學[M].杭州：浙江大學出版社，1990.

[2]凌勇堅.三相籠型異步電動機單速改雙速[J].電世界，2003，44（4）∶44-45.