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

刘金鹏，刘硕

（东方电机有限公司产品开发二部，四川 德阳 618000）

1 概述

随着对用电需求的不断增长，上马了一批煤耗相对较小、投资回报率较高的1000MW燃煤机组。大容量机组虽然是电能的生产者，同时也消耗了大量电能。根据文献，大容量燃煤机组的厂用电率约为4%～5%，是用电大户。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着很重要的现实意义。我公司为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，电机效率高、启动电流小，各项性能指标均十分优异，满足了使用需求。

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，用户决定进行引增合一改造，改造后引风机电机功率为7800kW。

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1所示。

表1 改造前后电动机参数对比

从表1可以看出，本次改造电机在原基础上增容约32%，但对启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 高效通风结构设计

本项目电机为8极，转速较低，对于低速异步电动机，为满足电机高效率的要求，在结构设计时，研究电机采用风磨损耗较小的径向通风结构，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 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通风效率。电动机内冷却离心风扇根据叶片线型的不同，分为圆弧形和直线形两种。根据叶片倾角的不同，又分为前倾、径向、后倾三种。径向风扇制造工艺最简单，适用于双向旋转。由于存在气流冲击，流动损失大，因此效率偏低，噪声也大，直线型叶片亦不利于气体流动，效率也不高。本项目电机采用弧面后倾式风扇，虽然制造工艺较直线型风扇复杂，但是气体流动损失小、效率高，风扇风噪也小。

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，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。

4.2 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℃，转子铜线最高温升为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。

计算结果与实测结果对比如表2所示。

表2 电机CFD计算结果与实测值对比

从表2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。

5 设计效果验证及改进

先期两台电机交付使用后，根据现场录波显示，起机时电机端电压6300V，最大启动电流约4443A（折算到6000V约4232A），电机端电压降至约76.3%（与额定电压相比较），不满足协议需求，需对电机进行改进。

根据电机设计理论，电机启动电流为：

其中：Kn为启动时饱和系数，对于8极电机取1.15；为启动时转子漏抗（标幺值）；X1为定子漏抗（标幺值）；Ikw为功电流（A）。

其中：fN为电机额定频率；PN为电机额定功率；为电机铁心计算长；为每相串联匝数；为定子绕组系数；p为极对数。

因此，电机结构参数已定的情况下，这些参数均为定值，取常数C，Uf为相电压。而电机结构参数一定的情况下，X2亦为一个定值。

与转子类似，定子漏抗也为：

同样，电机结构参数一定的情况下，x1仍为一个定值。

将式（2）、（3）、（4）、（5）带入式（1）整理得：

从式（6）可以看出，一般情况下，对于已制造好的电动机，其启动电流只与外部电压有关，可以通过降压启动等方式实现对启动电流的限制。但这对于用户在设备故障紧急处理时，带来较大风险，故不推荐。通过以上的分析，要设法改变电机的启动电流，只能设法改变电机定转子电抗值，而此时其余电机的定、转子冲片，定子线圈、机座等部件均已生产完成，极大的限制了可以采取的改进手段。

经过分析，充分利用转子叠片后表面的加工余量，通常为保证转子外圆的圆度及叠片后的光洁度和气隙均匀性，冲片直径单边预留0.5mm加工量，可以利用该工艺对转子槽口高度进行更改，单边减少加工量0.3mm。

为进一步验证方案的可行性，分别用有限元法对电机启动性能进行计算，经过计算，启动电流下降247A，启动转矩倍数将降到0.7倍，最大转矩倍数降到1.7倍。考虑到电流实测值比技术协议要求高232A，通过本次改进后电流可能降为3985A，因此，判断该方案可以满足降流要求。

经过设计改进，改造后电机在现场实测启动电流最大值为4090A，与计算值基本吻合，电机对厂高变的冲击大大减小，满足了用户需求，得到用户认可。

6 结语

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，在电厂专业人员及制造单位设计人员的共同努力下，目前已全部投运，电机效率、温升、振动、启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0.32%，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。