大容量高效异步电动机在1000MW燃煤机组引增合一改造中的应用

铜山华润电力有限公司 李建君/文

1 概 述

近年来，随着我国经济发展，对用电的需求不断增长，国内上马了一批煤耗相对较小、投资回报率较高的1000MW燃煤机组，但大容量机组虽然是电能的生产者，同时也消耗了大量电能，根据有关资料，大容量燃煤机组的厂用电率约为4%～5%，是切切实实的“用电大户”，因此，对大容量燃煤机组的大功率辅机电机进行节能改造有很重要的现实意义。而对于1000MW燃煤机组配套高压电动机来说，一方面电机容量较大，成为机组中耗电的重要组成部分，电机的效率直接影响机组的节能指标；另一方面，电机起动电流较大，会对厂内母线电压造成冲击，在电动机的起动过程中，母线电压会产生较大波动，将会直接影响母线的供电质量和母线上其他用电设备的正常运行，特别是对变频设备、热控PLC设备的误跳、误切，造成无法挽回的损失，电机的起动电流必须严格限制。尤其是对于机组开始设计时有引风机和增压风机两套系统，而后期又要将引风机与增压风机合并为一的增容改造项目，由于在基建时高厂变容量已经固定限制，对此参数有更高的要求。铜山华润电力有限公司2×1000MW超超临界燃煤机组“引增合一”改造项目设计制造的YXKK1000-8高效大容量空空冷三相异步电动机，电气专家在可研论证、厂家设计时进行跟进，通过及时沟通、召开专业论证会论证、督促厂家改进设计方案、参与型式试验等手段，最终电机制造成功，电机效率高、起动电流小，各项性能指标均十分优异，满足了使用需求。

表1 改造前电动机参数对比

2 改造原因及理论的可行性

铜山华润电力有限公司2×1000MW超超临界燃煤机组烟气系统配置两台成都电力机械厂生产的AN42e6(V19-1°)型静叶调节轴流式引风机和配套电动机，每台机组脱硫系统配备两台由上海鼓风机厂有限公司生产的动叶调节轴流式增压风机和配套电动机。

自机组投运以来，引风机存在运行开度偏低、电耗偏高的情况。为了简化系统，提高系统运行的可靠性，并节省厂用电，以及配合后续的节能技术改造，公司决定将原来的引风机与增压风机合二为一，合并后的引风机电机驱动功率为7800kW。

图1 转矩/转速曲线

2.1 电机合并驱动电厂母线电压的可行性

铜山华润电力有限公司现场负荷分配为：增压风机和引风机合一后,风机电动机功率为7800kW。根据调整后的负荷统计，5A1段减去原增压风机2700kW，负荷为23326kVA；5A2段原引风机为5900kW，现二风机合一后，风机电动机功率为7800kW，5A2段负荷为24285kVA。根据现场实际情况，5A2高厂变的阻抗为10.7%（以高厂变低压绕组27000kVA为基准）。按《火力发电厂厂用电设计技术规定》，计算最大一台电动机起动时的母线电压。

上述参数的计算结果是：正常起动时，若引增合一风机的电动机起动电流倍数按5倍（4455A）、电动机的ηCOSφ≥0.8时，母线电压为81.9%，大于80%的规定值,故能满足火规要求。考虑到电机厂家设计值与实际制造的工艺差异，故电气专业在对电机厂家提出要求时按电机起动电流倍数必须严格限制低于4.5倍（4010A）进行要求，这对于大容量异步电动机来说要求很高。

因此，从电气方面来看，本工程可以考虑使用电动机驱动风机，在满足工程需要的情况下，根据上述计算结果，母线电压已经基本没有余量，所以二风机合一后，风机电动机功率不宜大于7800kW，否则会造成母线电压的不合格，从而导致电动机驱动风机方案不可行。

2.2 电磁转矩与阻力矩曲线的对比

限制电机的起动电流倍数，虽然限制了母线电压的下降，但是也使母线电压降到了不能下降的边缘。由于电机的电磁力矩与电流的平方成正比，这就可能造成电磁转矩不能克服风机的阻力矩。

通过电磁转矩与阻力矩对比可以看出，即使用在0.8倍的母线电压下，电磁转矩也能克服风机在风叶全闭下的阻力矩。

3 改造前后电机基本参数

铜山华润电力有限公司2×1000MW超超临界燃煤机组“引增合一”改造项目改造前后电动机基本参数对比如表2所示。

从表2可以看出，本次改造电机在原基础上增容约32%，但对起动电流的要求仅允许增加约10%，这对大容量电动机来说要求很高。

4 电机方案实现的关键点

4.1 通风结构设计

本项目电机为8极，转速较低，对于低速异步电动机，为保证电机通风量满足电机冷却要求，通常优先采用混合通风结构，但混合通风结构要求配置的内风扇外径较大，会产生很大的风摩损耗，从而降低了电机效率，不符合高效电机的设计思想，为满足电机高效率的要求，在结构设计时，本文研究电机采用风磨损耗较小的径向通风结构（图2），但是对于大容量低速异步电动机来说，则对其通风效率提出了更高的要求。

4.1.1 风扇设计

对于空空冷异步电动机，风扇设计直接关系到电机冷却效果。电动机内离心风扇根据叶片倾角不同分为前倾、径向、后倾三种。风扇叶片的倾角不但对外特性有影响，而且对全压力中静压力和动压力的分配也有影响。在电机内部无法设置扩散器，在动压转换成静压过程中大部分能量损失掉了。前倾式风扇虽然能产生较高的压力，但其压力中动压力所占比例较大，在电机内较少使用。在无逆转需求的电机内一般采用后倾风扇，相对于径向风扇而言，后倾风扇具有效率高噪音低的特点。

为进一步优化风扇，在弧面型叶片的基础上，本电机风扇采用弧型前盘风扇设计，改善气流进入风扇流道的平滑性，使气流通过时方向过渡平稳，损耗小，另外根据离心风扇理论，气体进入风扇时，靠近前盘处的气流速度明显大于靠近后盘速度。对于无始端的叶片，这将导致入口气流角沿进入叶片的宽度方向明显变小，形成较大的入口冲击，造成气流损失，因此，本项目电动机所用风扇在采用弧面型叶片的基础上，对风扇始端进行设计。

表2 改造前后电动机参数对比

4.1.2 通风计算模型

为验证通风结构的可行性，建立了电动机的CFD通风计算模型，为减少计算量，提高效率，电机流场、温度场CFD分析模型模为一个槽对应的电机结构部件。

通过CFD计算，得到了电机的温度场分布。

根据计算结果，在进入电机冷风温度取为60℃时，电机定子线圈最高温度为104.5℃，定子线圈最高温升为69.5K，转子铜线最高温度为100.5℃，转子导条最高温升为60.5K，转子端环最高温度为101.3℃，转子端环最高温升为61.3K，电机总风量为8.35m3/s。

计算结果与实测结果对比如表3所示。

从表3数据可以看出，通过CFD计算出的电机温度场数据与实测数据基本吻合，验证了模型的正确性。

4.2 定子槽形及气隙的特殊设计

在本次引增合一风机电机中，电机的气隙为3.5mm，定子槽形为深窄槽形，槽深/槽宽为5.3；同时转子槽口宽度与气隙值相当，采用上述特殊设计方式后将此电机的起动电流控制在额定电流的4.4倍。

4.3 转子笼条的设计

起动时间与加速转矩（起动转矩阻力矩之差）和负载（风机）转动惯量成正比，为保证安全平稳起动且满足技术协议要求，在设计时将起动转矩倍数设计为0.8额定转矩，主要措施为增加起动时的转子电阻。

增加起动时的转子电阻通常有3种方式：

（1）双鼠笼结构，此种方式一般在中小型电机中采用，大型异电动机中采用较少。

（2）铜条采用铜合金材料，提高电阻率，如黄铜、铝铁青铜带代替紫铜（纯铜）。因为该种方式改变了转子的材料，不仅增加起动时的电阻，同时也增加了正常运行时的转子电阻，因此降低了电机的效率。

（3）特殊槽形（梯形槽），转子导体为笼条，其集肤效应（亦可称为挤流效应或趋肤效应）的作用在电机起动时将电流集中在转子槽口部位，电流的不均布可以等效为转子电阻的增加。起动时转子电阻增加系数Kr正比于b2/b1，对于矩形铜排b2/b1=1，其中b1，b2分别为笼条上宽，笼条下宽（因Kr计算公式比较复杂在此不加赘述）。本次电机设计时b2/b1=5.3，因此起动时集肤效应比较强，起动时转子电阻为正常运行时的6.8倍，若采用同等截面、同等高度的矩排，此值约为4.2，因此采用此种结构可以在起动电流基本相当的情况下将起动转矩增加60%以上。由于集肤效应与转子频率的开方成正比，

图2 电机基本结构图

表3 电机CFD计算结果与实测值对比

在额定转速下转子的频率很小，集肤效应可以忽略，不会增加电机转子铜耗，并不影响电机运行时的效率。

5 设计效果验证及改进

首批电机交货后，根据现场录波实测，起动时电机端电压6300V，最大起动电流约4443A（折算到6000V约4231A），电机端电压降至约81.9%（与额定电压相比较），略超出预期要求。为保证设备安全运行，需对其余电机进行改进。

根据异步电机等效电路，可以计算出电机起动电流。

按照相关计算方法，可以得出起动时转子电阻、电抗的折算值。

由此可知，一般情况下，对于已制造好的鼠笼型异步电动机，其起动电流只与外部电压有关。可以通过降压起动等方式实现来降低起动电流的限制，但需额外增加设备，且牺牲起动转矩。通过以上的分析，要设法降低电机的起动电流，只能设法增加电机定转子起动时的电抗值，而此时电机的定、转子冲片，定子线圈、机座等部件均已生产完成，极大地限制了可以采取的改进手段。

在设计电机时，为了保证气隙均匀性转子冲片径向预留了0.5mm加工量。若将此加工量减小，既可以减小电机气隙，又可以增加转子槽口高度。前者可以增加定转子漏抗，后者可以增加转子漏抗。

通过理论分析及计算，采取上述措施后起动可以电流下降247A，起动转矩和最大转矩略有下降，可以满足使用需求。经过改进，录波实测起动电流最大值为4090A，与计算值基本吻合，电机对厂高变的冲击大大减小，满足现场运行需求。

6 结论

铜山华润电力有限公司“引增合一”改造项目4台高效异步电动机，目前已全部投运，电机效率、温升、振动、起动电流等各项指标均十分优异。相对于改造前，单台机组（含风机）耗电率下降了0.3%，两台机组改造完成后每年可直接为用户创效近千万元，节能效果十分显著。对于现役大容量燃煤机组，特别是对于早期的厂变无备用容量的大机组在引增合一合改造中有借鉴意义。

[1]陈世坤.电机设计【M】.北京：机械工业出版社，2000.

[2]顾绳谷.电机及拖动基础【M】.北京：机械工业出版社2004.