大容量高效異步電動機在1000MW燃煤機組引增合一改造中的應用

銅山華潤電力有限公司 李建君/文

1 概 述

近年來，隨著我國經濟發展，對用電的需求不斷增長，國內上馬了一批煤耗相對較小、投資回報率較高的1000MW燃煤機組，但大容量機組雖然是電能的生產者，同時也消耗了大量電能，根據有關資料，大容量燃煤機組的廠用電率約為4%～5%，是切切實實的“用電大戶”，因此，對大容量燃煤機組的大功率輔機電機進行節能改造有很重要的現實意義。而對于1000MW燃煤機組配套高壓電動機來說，一方面電機容量較大，成為機組中耗電的重要組成部分，電機的效率直接影響機組的節能指標；另一方面，電機起動電流較大，會對廠內母線電壓造成沖擊，在電動機的起動過程中，母線電壓會產生較大波動，將會直接影響母線的供電質量和母線上其他用電設備的正常運行，特別是對變頻設備、熱控PLC設備的誤跳、誤切，造成無法挽回的損失，電機的起動電流必須嚴格限制。尤其是對于機組開始設計時有引風機和增壓風機兩套系統，而后期又要將引風機與增壓風機合并為一的增容改造項目，由于在基建時高廠變容量已經固定限制，對此參數有更高的要求。銅山華潤電力有限公司2×1000MW超超臨界燃煤機組“引增合一”改造項目設計制造的YXKK1000-8高效大容量空空冷三相異步電動機，電氣專家在可研論證、廠家設計時進行跟進，通過及時溝通、召開專業論證會論證、督促廠家改進設計方案、參與型式試驗等手段，最終電機制造成功，電機效率高、起動電流小，各項性能指標均十分優異，滿足了使用需求。

表1 改造前電動機參數對比

2 改造原因及理論的可行性

銅山華潤電力有限公司2×1000MW超超臨界燃煤機組煙氣系統配置兩臺成都電力機械廠生產的AN42e6(V19-1°)型靜葉調節軸流式引風機和配套電動機，每臺機組脫硫系統配備兩臺由上海鼓風機廠有限公司生產的動葉調節軸流式增壓風機和配套電動機。

自機組投運以來，引風機存在運行開度偏低、電耗偏高的情況。為了簡化系統，提高系統運行的可靠性，并節省廠用電，以及配合后續的節能技術改造，公司決定將原來的引風機與增壓風機合二為一，合并后的引風機電機驅動功率為7800kW。

圖1 轉矩/轉速曲線

2.1 電機合并驅動電廠母線電壓的可行性

銅山華潤電力有限公司現場負荷分配為：增壓風機和引風機合一后,風機電動機功率為7800kW。根據調整后的負荷統計，5A1段減去原增壓風機2700kW，負荷為23326kVA；5A2段原引風機為5900kW，現二風機合一后，風機電動機功率為7800kW，5A2段負荷為24285kVA。根據現場實際情況，5A2高廠變的阻抗為10.7%（以高廠變低壓繞組27000kVA為基準）。按《火力發電廠廠用電設計技術規定》，計算最大一臺電動機起動時的母線電壓。

上述參數的計算結果是：正常起動時，若引增合一風機的電動機起動電流倍數按5倍（4455A）、電動機的ηCOSφ≥0.8時，母線電壓為81.9%，大于80%的規定值,故能滿足火規要求。考慮到電機廠家設計值與實際制造的工藝差異，故電氣專業在對電機廠家提出要求時按電機起動電流倍數必須嚴格限制低于4.5倍（4010A）進行要求，這對于大容量異步電動機來說要求很高。

因此，從電氣方面來看，本工程可以考慮使用電動機驅動風機，在滿足工程需要的情況下，根據上述計算結果，母線電壓已經基本沒有余量，所以二風機合一后，風機電動機功率不宜大于7800kW，否則會造成母線電壓的不合格，從而導致電動機驅動風機方案不可行。

2.2 電磁轉矩與阻力矩曲線的對比

限制電機的起動電流倍數，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。由于電機的電磁力矩與電流的平方成正比，這就可能造成電磁轉矩不能克服風機的阻力矩。

通過電磁轉矩與阻力矩對比可以看出，即使用在0.8倍的母線電壓下，電磁轉矩也能克服風機在風葉全閉下的阻力矩。

3 改造前后電機基本參數

銅山華潤電力有限公司2×1000MW超超臨界燃煤機組“引增合一”改造項目改造前后電動機基本參數對比如表2所示。

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

4 電機方案實現的關鍵點

4.1 通風結構設計

本項目電機為8極，轉速較低，對于低速異步電動機，為保證電機通風量滿足電機冷卻要求，通常優先采用混合通風結構，但混合通風結構要求配置的內風扇外徑較大，會產生很大的風摩損耗，從而降低了電機效率，不符合高效電機的設計思想，為滿足電機高效率的要求，在結構設計時，本文研究電機采用風磨損耗較小的徑向通風結構（圖2），但是對于大容量低速異步電動機來說，則對其通風效率提出了更高的要求。

4.1.1 風扇設計

對于空空冷異步電動機，風扇設計直接關系到電機冷卻效果。電動機內離心風扇根據葉片傾角不同分為前傾、徑向、后傾三種。風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壓力的分配也有影響。在電機內部無法設置擴散器，在動壓轉換成靜壓過程中大部分能量損失掉了。前傾式風扇雖然能產生較高的壓力，但其壓力中動壓力所占比例較大，在電機內較少使用。在無逆轉需求的電機內一般采用后傾風扇，相對于徑向風扇而言，后傾風扇具有效率高噪音低的特點。

為進一步優化風扇，在弧面型葉片的基礎上，本電機風扇采用弧型前盤風扇設計，改善氣流進入風扇流道的平滑性，使氣流通過時方向過渡平穩，損耗小，另外根據離心風扇理論，氣體進入風扇時，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，這將導致入口氣流角沿進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，本項目電動機所用風扇在采用弧面型葉片的基礎上，對風扇始端進行設計。

表2 改造前后電動機參數對比

4.1.2 通風計算模型

為驗證通風結構的可行性，建立了電動機的CFD通風計算模型，為減少計算量，提高效率，電機流場、溫度場CFD分析模型模為一個槽對應的電機結構部件。

通過CFD計算，得到了電機的溫度場分布。

根據計算結果，在進入電機冷風溫度取為60℃時，電機定子線圈最高溫度為104.5℃，定子線圈最高溫升為69.5K，轉子銅線最高溫度為100.5℃，轉子導條最高溫升為60.5K，轉子端環最高溫度為101.3℃，轉子端環最高溫升為61.3K，電機總風量為8.35m3/s。

計算結果與實測結果對比如表3所示。

從表3數據可以看出，通過CFD計算出的電機溫度場數據與實測數據基本吻合，驗證了模型的正確性。

4.2 定子槽形及氣隙的特殊設計

在本次引增合一風機電機中，電機的氣隙為3.5mm，定子槽形為深窄槽形，槽深/槽寬為5.3；同時轉子槽口寬度與氣隙值相當，采用上述特殊設計方式后將此電機的起動電流控制在額定電流的4.4倍。

4.3 轉子籠條的設計

起動時間與加速轉矩（起動轉矩阻力矩之差）和負載（風機）轉動慣量成正比，為保證安全平穩起動且滿足技術協議要求，在設計時將起動轉矩倍數設計為0.8額定轉矩，主要措施為增加起動時的轉子電阻。

增加起動時的轉子電阻通常有3種方式：

（1）雙鼠籠結構，此種方式一般在中小型電機中采用，大型異電動機中采用較少。

（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）。因為該種方式改變了轉子的材料，不僅增加起動時的電阻，同時也增加了正常運行時的轉子電阻，因此降低了電機的效率。

（3）特殊槽形（梯形槽），轉子導體為籠條，其集膚效應（亦可稱為擠流效應或趨膚效應）的作用在電機起動時將電流集中在轉子槽口部位，電流的不均布可以等效為轉子電阻的增加。起動時轉子電阻增加系數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計算公式比較復雜在此不加贅述）。本次電機設計時b2/b1=5.3，因此起動時集膚效應比較強，起動時轉子電阻為正常運行時的6.8倍，若采用同等截面、同等高度的矩排，此值約為4.2，因此采用此種結構可以在起動電流基本相當的情況下將起動轉矩增加60%以上。由于集膚效應與轉子頻率的開方成正比，

圖2 電機基本結構圖

表3 電機CFD計算結果與實測值對比

在額定轉速下轉子的頻率很小，集膚效應可以忽略，不會增加電機轉子銅耗，并不影響電機運行時的效率。

5 設計效果驗證及改進

首批電機交貨后，根據現場錄波實測，起動時電機端電壓6300V，最大起動電流約4443A（折算到6000V約4231A），電機端電壓降至約81.9%（與額定電壓相比較），略超出預期要求。為保證設備安全運行，需對其余電機進行改進。

根據異步電機等效電路，可以計算出電機起動電流。

按照相關計算方法，可以得出起動時轉子電阻、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機，其起動電流只與外部電壓有關。可以通過降壓起動等方式實現來降低起動電流的限制，但需額外增加設備，且犧牲起動轉矩。通過以上的分析，要設法降低電機的起動電流，只能設法增加電機定轉子起動時的電抗值，而此時電機的定、轉子沖片，定子線圈、機座等部件均已生產完成，極大地限制了可以采取的改進手段。

在設計電機時，為了保證氣隙均勻性轉子沖片徑向預留了0.5mm加工量。若將此加工量減小，既可以減小電機氣隙，又可以增加轉子槽口高度。前者可以增加定轉子漏抗，后者可以增加轉子漏抗。

通過理論分析及計算，采取上述措施后起動可以電流下降247A，起動轉矩和最大轉矩略有下降，可以滿足使用需求。經過改進，錄波實測起動電流最大值為4090A，與計算值基本吻合，電機對廠高變的沖擊大大減小，滿足現場運行需求。

6 結論

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

[1]陳世坤.電機設計【M】.北京：機械工業出版社，2000.

[2]顧繩谷.電機及拖動基礎【M】.北京：機械工業出版社2004.