300 MW級壓縮空氣儲能電站壓縮機電動機選型研究

徐陳成 梁文軍

摘要：通過分析300 MW級壓縮空氣儲能電站壓縮機電動機的應用需求，研究了大功率電動機制造的限制因素和解決方案，從異步電動機和同步電動機的選擇、額定電壓的選擇、功率因數的選擇、同步電動機勵磁方式的選擇、電動機防護等級的選擇等方面分析了壓縮機電動機設備的型式選擇，提出了適用于300 MW級壓縮空氣儲能電站壓縮機電動機的推薦選型方案，為以后工程的壓縮機電動機選型提供了參考。

關鍵詞：300 MW級壓縮空氣儲能；壓縮機電動機；大功率電動機；同步電動機

中圖分類號：TK02? ? 文獻標志碼：A? ? 文章編號：1671-0797（2024）03-0006-04

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

0? ? 引言

在工業行業中，大型空氣壓縮機作為關鍵設備之一，廣泛應用于空氣分離、冶金、石油化工等領域，而我國近年快速發展的壓縮空氣儲能系統拓展了大型空氣壓縮機的應用需求。壓縮空氣儲能（Compressed Air Energy Storage，CAES）是一種新型物理儲能技術，具備建設成本低、安全性相對較高、運行過程中不產生環境污染、儲能時間長、使用壽命長等技術優勢，是我國發展儲能的重要方向之一[1-3]。300 MW級壓縮空氣儲能電站的壓縮空氣系統包含若干臺大功率壓縮機及壓縮機電動機。高轉速大功率壓縮機電動機是壓縮空氣系統的核心電氣設備，其選型直接影響到空氣壓縮機系統的性能、可靠性和經濟性。結合工程實際需求，本文研究了300 MW級壓縮空氣儲能電站中壓縮機電動機的選型原則，包括異步電動機和同步電動機的選擇[4]、額定電壓的選擇、功率因數的選擇、同步電動機勵磁方式的選擇、電動機防護等級的選擇等。

1? ? 大功率電動機應用和制造概況

1.1? ? 大功率壓縮機電動機應用需求

我國近年來部分300 MW級壓縮空氣儲能電站工程中壓縮機電動機的應用情況如下。

某350 MW壓縮空氣儲能發電項目，壓縮機組采用雙列并聯方案，每列由4臺壓縮機串聯組成，每套機組配套8臺壓縮機電動機，每列壓縮機的4段電動機功率為40、32、32、30 MW。

某300 MW壓縮空氣儲能發電項目，壓縮機組采用雙列并聯方案，每列由4臺壓縮機串聯組成，每套機組配套8臺壓縮機電動機，每列壓縮機的4段電動機功率為52、43、43、20 MW。

某300 MW壓縮空氣儲能發電項目，壓縮機組采用雙列并聯方案，每列由3臺壓縮機串聯組成，每套機組配套6臺壓縮機電動機，每列壓縮機的3段電動機功率為78、73、28 MW。

300 MW級壓縮空氣儲能電站均采用2P和4P的壓縮機電動機，不會采用6P及以上的電動機。對于一段壓縮機，由于壓縮機轉速一般為3 000 r/min，壓縮機與電動機直連，不設置齒輪箱，采用2P電動機。對于除一段以外的壓縮機，壓縮機轉速大于3 000 r/min，需要設置齒輪箱，2P、4P電動機均可采用。對于中間段的壓縮機，其功率相對適中，根據電動機及齒輪箱的總成本比較情況，以確定采用2P或4P電動機。對于末段壓縮機，由于壓縮機轉速很高且功率相對較小，4P電動機相對2P電動機造價較低，因此采用4P電動機較多。

一般而言，300 MW級壓縮空氣儲能電站中每套機組需采用6～8臺10～80 MW級2P或4P的高轉速大功率壓縮機電動機。由于壓縮機電動機的功率等級遠超常規應用場合，需調研我國大功率電動機設計及制造能力能否滿足300 MW級壓縮空氣儲能電站的應用需求。

1.2? ? 大功率電動機設計及制造能力

通過調研國內主要大型電機制造廠，得到我國大功率電動機最大設計能力及實際業績情況如表1所示。

對于10 kV同步電動機，2P電動機為隱極機，其設計能力上限約為150 MW，目前已有工程業績的最大功率為80 MW。4P同步電動機根據結構型式分為凸極和隱極，隱極結構制造成本高，一般情況下均采用凸極結構，4P凸極電動機設計能力上限約為75 MW，4P隱極電動機設計能力上限約為150 MW，目前已有工程業績的最大功率為45.6 MW。

對于10 kV異步電動機，由于異步電動機的自身特性限制，2P電動機設計能力上限約為12.5 MW，目前已有工程業績的最大功率為9 MW。4P電動機設計能力上限約為42 MW，目前已有工程業績的最大功率為35 MW。

因此，國產大功率電動機的設計及制造能力，完全能夠滿足300 MW級壓縮空氣儲能電站項目的應用需求。

1.3? ? 大功率電動機制造的限制因素和解決方案

制造超大功率電動機的限制因素主要包括材料的力學性能、定轉子槽型及槽配合、電機繞組相帶拆分與并聯、渦流損耗、內部風路設計等。

對這些制約因素的解決方案主要為以下幾點：1）突破材料力學性能：凸極和鼠籠轉子直徑無法進一步放大，可在現有空間的基礎上，提高空間利用率，提高通風冷卻的效率，降低電機損耗；隱極轉子設計可以突破上述材料性能限制，在高轉速大功率方案中應用。2）定轉子槽型及槽配合：重新確定定轉子槽型及槽配合，應用有限元法進行仿真分析和計算。3）電機繞組相帶拆分與并聯：突破電機繞組相帶拆分與并聯的關鍵技術，應用新型繞組接線方式，實現圈式線圈的應用。4）渦流損耗優化：應用仿真分析手段，對定子端部渦流損耗進行優化設計，減少電機的雜散損耗。5）內部風路設計：對電動機的內部風路進行優化設計，并進行有限元仿真分析計算。

2? ? 大功率壓縮機電動機的選型原則

2.1? ? 異步電動機與同步電動機的選擇

2.1.1? ? 制造能力

從大功率電動機制造能力的角度分析，壓縮機電動機，對于2P電動機，額定功率在10 MW及以下宜采用異步電動機，10 MW以上異步電動機選擇困難，應采用同步電動機。對于4P電動機，額定功率在35 MW及以下可采用同步電動機或異步電動機，35 MW以上異步電動機設計制造困難且缺乏應用業績，應采用同步電動機。另外，考慮到20～35 MW的4P異步電動機制造及應用業績相對較少，且需要從電網吸收大量無功，對提高并網點的功率因數不利，因此推薦20～35 MW的4P電動機采用同步電動機，10～20 MW可采用同步電動機或異步電動機。

2.1.2? ? 可靠性

無論同步電動機還是異步電動機，均具有高度的可靠性。

就電動機本身的結構而言，異步電動機結構簡單，可靠性更高；而同步電動機結構復雜，可靠性略低。

就電網電壓波動對電機的影響而言，異步電動機轉矩輸出受電壓波動影響較大，而同步電動機通過勵磁調節系統，輸出轉矩更加穩定。從電壓波動影響的角度比較，同步電動機可靠性更高。

2.1.3? ? 運行特性

異步電動機和同步電動機的運行特性比較如表2所示。

可以看出，對于轉速穩定性要求高、轉矩控制要求高和對無功調節有需求的場合應選用同步電動機，其他場合選擇異步電動機即可。工程中應根據空氣壓縮機的運行特性和儲能電站的無功調節需求選擇異步電動機或同步電動機。

2.1.4? ? 維護工作量

大型電動機的維護工作包括經常性檢查、月度檢查和季度檢查。異步電動機的維護工作主要內容包括定子繞組和轉子繞組的維護和檢修，而對于同步電動機還包括交流勵磁系統的維護和檢修。

與異步電動機相比，同步電動機由于系統較復雜，其維護工作量略大。

2.1.5? ? 造價成本

影響大功率電動機成本的主要因素如下：1）材料成本：異步電動機的結構相對簡單，不需要勵磁繞組和勵磁系統等特殊結構，材料成本較低。2）制造工藝成本：異步電動機的制造工藝相對簡單，尤其是轉子部分制造工藝簡單成熟，制造工藝成本較低。3）勵磁系統成本：同步電動機需要額外的勵磁系統。4）維護成本：由于異步電動機的結構相對簡單，維護成本較低。在功率相同的情況下，異步電動機的造價成本顯著低于同步電動機。在不受制造能力限制的情況下，應優先選擇造價較低的異步電動機。

2.1.6? ? 小結

壓縮機電動機選擇同步電動機還是異步電動機，應基于成本造價、性能要求、運行特性和維護工作量等因素進行綜合評估，推薦如下選型方案：對于2P電動機，額定功率在10 MW及以下宜采用異步電動機，10 MW以上應采用同步電動機；對于4P電動機，額定功率在10 MW及以下宜采用異步電動機，10～20 MW可采用同步電動機或異步電動機，20 MW及以上宜采用同步電動機。

2.2? ? 電動機額定電壓的選擇

大功率電動機的常用額定電壓主要包括6、10、13.8 kV等，另外還有一些非標的電壓等級，如6.9、9.5、10.5、11 kV等。考慮到壓縮機電動機的大功率特性和標準化需求，不考慮采用電壓等級較低的6 kV及非標的電壓等級。

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

當提高額定電壓時，電動機的造價成本也會提高。

功率100 MW以內、電壓10～13.8 kV：在這個功率范圍內，隨著電壓的升高，電動機繞組絕緣所需的絕緣材料增加，導致成本略微增加。

功率100 MW以內、電壓13.8 kV以上：隨著電壓的升高，電動機造價成本會顯著增加，這是電磁基礎的變化、鐵芯硅鋼片用量增加以及絕緣材料成本增加所導致的。對于15.75 kV及以上電壓等級的電動機，電動機的制造成本高昂，經濟性差，其工程應用也極其有限，壓縮機電動機不考慮采用15.75 kV及以上電壓等級。

考慮到13.8 kV為135 MW級同步發電機的電壓等級，綜合考慮壓縮空氣系統配套的壓縮機變壓器、高壓站用母線、壓縮機電動機斷路器、高壓變頻器、動力電纜等設備的選型，降低壓縮機組電氣系統的整體造價，且與高壓站用電系統電壓等級保持一致，推薦壓縮機電動機的額定電壓采用10 kV。

2.3? ? 同步電動機功率因數的選擇

同步電動機的額定功率因數常規設計范圍為0.9至1.0之間，一般為0.95。

同步電動機采用較高的功率因數可以提高電力系統的效率，減少電網輸電損耗；也可以提高電動機的運行效率。

為提高同步電動機的運行效率，建議選擇較高的功率因數。

壓縮機同步電動機功率因數，推薦選擇0.90～0.95超前，具體根據電網無功需求確定。

2.4? ? 同步電動機勵磁方式的選型

同步電動機勵磁系統分為有刷勵磁和無刷勵磁兩種，且均有廣泛應用。勵磁方式的選型應根據電動機的使用條件，例如負載特性、轉速范圍、電網性質等因素確定。兩種勵磁方式的對比如表3所示。

有刷勵磁和無刷勵磁均能滿足壓縮機同步電動機的運行需求。綜合考慮設備造價成本和后期運行維護的便利性，推薦壓縮機同步電動機采用無刷勵磁方式，也可采用有刷勵磁方式。

2.5? ? 電動機防護等級的選型

壓縮機電動機通常安裝在壓縮機主廠房室內，室內環境的含塵量較低，水侵入的可能性很小。

同步電動機運行中軸貫通部位、蓋板部位和部件結合部位可能存在間隙。同步電動機的電氣系統和潤滑油系統等也要求一定的防護等級。

同步電動機的電氣系統方面，需要防止固體物質、灰塵和水的侵入，以避免絕緣性能降低和設備損壞，要求的防護等級為不低于IP44級。

同步電動機的潤滑油系統方面，軸貫通部位存在微小間隙，難以完全避免灰塵進入。潤滑油系統要求的防護等級為不低于IP44級。

因此，推薦壓縮機同步電動機的防護等級采用IP44級。對于壓縮機異步電動機，也推薦防護等級采用IP44級。

3? ? 結論

本文分析了300 MW級壓縮空氣儲能電站壓縮機電動機的應用需求，調研并論證了國產大功率電動機的設計及制造能力可以滿足300 MW級壓縮空氣儲能電站項目的應用需求。

本文提出了適用于300 MW級壓縮空氣儲能電站壓縮機電動機的推薦選型方案：

1）對于2P電動機，額定功率在10 MW及以下宜采用異步電動機，10 MW以上應采用同步電動機；對于4P電動機，額定功率在10 MW及以下宜采用異步電動機，10～20 MW可采用同步電動機或異步電動機，20 MW及以上宜采用同步電動機。2）額定電壓宜采用10 kV。3）采用同步電動機時，額定功率因數宜為0.90～0.95超前，具體根據電網無功需求確定。4）采用同步電動機時，勵磁調節系統宜采用無刷勵磁方式，也可采用有刷勵磁方式。5）外殼防護等級宜采用IP44級。

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[4] 項彬.空分裝置中同步與異步電動機的比較[J].中國新技術新產品，2013（2）：133.

收稿日期：2023-10-10

作者簡介：徐陳成（1990—），男，江蘇鹽城人，工程師，從事發電廠電氣設計工作。