火力发电厂220_kW开式水泵电动机双速改造应用分析_丁鹏飞.pdf

第1期火力发电厂220 kW开式水泵电动机双速改造应用分析丁鹏飞（山西鲁晋王曲发电有限责任公司，山西 长治047500）摘要：为降低火力发电厂用电率、减少冬季机组运行时开式冷却水的浪费，山西鲁晋王曲发电有限责任公司（以下简称王曲电厂）对2 台机组开式水泵电机（220 kW）进行了双速改造。双速改造优化了机组开式水系统的运行方式，提升了发电机组的灵活性和运行效率。单台开式水泵电机在冬季低速运行期间每天可节约电量1 560 kWh，每年冬季可节省电量费用5 万元，每天减少10 t左右的水资源蒸发量。本文对火力发电厂小功率6 kV电动机双速改造的实施及取得的节能效果和经济效益进行了分析，对同类电动机进行相关改造具有一定的借鉴意义。关键词：开式水泵；电动机；变极调速；节能中图分类号：TM621文献标识码：B文章编号：2096-7691（2023）01-048-04作者简介：丁鹏飞（1989-），男，工程师，现任职于山西鲁晋王曲发电有限责任公司，主要从事发电机及电动机的维护管理工作。Tel：18635512135，E-mail：引用格式：丁鹏飞.火力发电厂220 kW开式水泵电动机双速改造应用分析 J.能源科技，2023，21（1）：48-51.0引言王曲电厂1 号、2 号机组（600 MW）分别安装2 台山东华力电机厂2005年生产的开式水泵电机（220kW、6 kV、980 r/min、6 极），分别为1 号机组1 A、1 B开式水泵电机，2 号机组2 A、2 B开式水泵电机，机组正常运行时一台运行，一台备用。由于山西地区冬季环境温度低，机组在冬季运行时开式冷却水各用户进水门开度小，生产现场所需冷却水量较少，而系统冷却水水压较高、冷却水量富裕度大，损失了较多电能和水资源，故考虑对开式水系统进行节能改造。在综合考虑为开式水泵电机加装变频器、对开式水泵出口管路阀门进行改造及对电机进行调速改造等方式后，最终决定对每台机组中的1 台开式水泵电机进行调速改造，即对1 A、2 A开式水泵电机进行变极调速改造。变极调速的实施有效节约了水资源，降低了机组的厂用电率，提升了发电机组的运行效率，达到了节能减排的目的1。1电动机的调速方式分析三相异步电动机的调速是根据生产现场的实际需要，在负载一定的前提下，通过改变相应条件实现电动机转速的改变。三相异步电动机的转速计算式为：n=n1（1-s）=60f/p（1-s）（1）式中：n1为电动机定子旋转磁场的转速，s为电动机的转差率，f为电动机电源的频率，p为电动机旋转磁场的磁极对数。根据电动机的转速计算式可以看出，通过改变电动机的转差率调速、变频调速和变极调速方式进行电动机的调速2。（1）通过改变电动机的转差率进行调速：有转差损耗的调速方法属于低效调速。改变电动机的转差率s进行电动机的调速可以采取改变线路电压调速、改变转子电阻调速和串级调速等方法3。电动机降电压调速（调压调速）：异步电动机的转矩与定子电压的平方成正比，改变定子电压可以改变电动机的机械特性和转矩。这种调速方式是通过外置的调压装置降低电动机的定子绕组压使电动机在低速方式下运行。但实际运行中为了保持电动机的恒转矩负载，电动机的电流会增大，同时电动机效率会降低，通常还会引起电动机过热。当转子电阻较小时，能调节速度的范围不大；当转子电阻增大时，可以有较大的调节范围，但又增大了损耗，现场多用于绕线式第21卷 第1期Vol.21No.12023年2月Feb.2023第1期电动机4。改变电动机转子电阻调速：这种方式是指绕线式电动机在电动机转子回路中串入调速电阻来改变电动机的转差从而达到调速的目的。当负载一定时，转子回路串接的电阻越大电动机的转速越低，越小转速越高。这种调速方法转差功率以发热的形势消耗在电阻上，机械特性较软。串级调速：绕线式电动机根据转差功率的吸收利用方式，可分为电机串级调速、机械串级调速和晶闸管串级调速形式。这种调速方法适合于风机、矿井提升机和挤压机等设备使用。（2）通过改变电动机的电源频率进行调速：这种调速方式是通过加装高压变频器改变电动机所接入电源频率 f，以改变定子旋转磁场的同步转速来控制电动机转速。这种方法功率因数和效率好、调速范围广、调速精度高，但高压变频器的技术水平要求高，且购置变频器成本较高，同时变频器的后期维护费用和维护工作量较大5。此外，对于原设计为工频的电动机通过加装变频器实现变频调速通常会造成电动机运行中定子铁心发热，冷却风量减小，不利于电动机的散热，长时间运行会影响电动机的绝缘性能。（3）通过改变电动机的定子极数进行调速：由于三相异步电动机的同步转速n1与电动机的极对数p成反比，如果保持电机的电源频率f不变，原电机的转子、定子铁芯、机壳、轴承及端盖等部件保持原状，只对定子绕组进行双速改造，改造后通过改变电动机定子绕组的接线方式改变电动机的极对数p，从而实现电动机的双速、三速或多速运行。这种方式的优点是改造费用较低，改造后电机的高低速切换相对简单，性价比较高；缺点是转速只能按阶跃方式变化，不能连续变化6。经过充分的研究和论证后，最终决定对1 A、2 A开式水泵电动机进行双速改造，即在不改变电机转子、定子铁芯、机壳、轴承及端盖等部件的前提下，对定子绕组进行改造，将原开式水泵电机改造为220 kW、6 极、980 r/min和155 kW、8 极、745 r/min的双速电机。电机需要进行高低速切换时，在将电机停电后通过在双速电机改极箱处进行连接片的改接，可实现高低速的切换。2开式水泵电动机双速改造可行性分析采用变极调速方法的电动机转子都是笼型转子，它依靠产生与定子诱导磁场相同极数的转子磁场起作用，对于给定的相电压，不同的连接将导致不同的气隙磁通密度量级。在变极双速电动机中，定子绕组设计成通过简单改变线圈的连接就可以按比例改变电动机的极数，可以选择两个同步速度中的任意一个。在开式水泵电机确定采用变极调速方式进行双速改造后，需要确定电机的定子绕组采用什么接线方式。对功率为220 kW的6 kV电动机进行变极调速改造时，理论上可以采用3Y+Y或极幅调制法等定子绕组变极方式。采用这种方式改造时，定子绕组虽仅需引出6 点或9 点就能实现变极，但这种简单的外部接线方式是用内部绕组复杂、低效的连接方式来换取，因而削弱了定子绕组的利用率，使改造后的电机在相同的输出功率下绕组温度显著上升，输入功率增加。综合考虑排除了3Y+Y或极幅调制法等定子绕组变极改造方式。经讨论研究最终确定对该开式水泵电机采用定子绕组以原高速6 极为基本极，采用Y型接法，在低速8极定子绕组采用型接法。因为这种接法绕组仍有较高的分布系数，故其输出功率仍能满足拖动原开式水泵的要求。开式水泵电机变极调速改造过程中需在电机机壳侧面适当位置增加一个改极箱，高低速切换时只需改变改极箱内部接线端子上的连接片即可实现定子绕组三角形和星型接法的切换，即开式水泵电动机的高低速切换，如图1所示。12345678910111213141516171819202122232425262728291234567891011121314151617181920212223242526272829（a）改极箱6极（2Y）接线（b）改极箱8极（）接线图1变极调速改极箱高低速接线变极改造的定子绕组和改极箱的设计制作有着严格的要求。改造后的定子绕组宜采用F级聚酰亚胺薄膜绕包双玻璃丝包扁铜线绕制成型，按图纸绕制成形后在数控无损伤高压线圈胀型机上拉型、整形，定子的浸渍、烘焙阶段应采用VPI真空浸漆技术，充分确保定子绕组绝缘性能7，如图2所示。改极箱应满足较频繁的连接片改接操作需求，连接片相间及对地距离符合相关要求。丁鹏飞：火力发电厂220 kW开式水泵电动机双速改造应用分析49第1期图2改造期间定子VPI真空浸漆后3开式水泵电动机双速改造的可靠性确认与运行特性分析为保证1 A和2 A开式水泵电机变极调速符合国家标准要求，6 kV电机不小于80 mm，爬电距离不小于120 mm，从而保证连接片安全净距，各导电部件安全可靠。此外，端子连接片截面不小于50 mm2，连接片、导电排等电流密度控制在2 A/mm2左右，高压电缆采用耐温等级达到H级的6 kV高压电机硅橡胶电缆，接线盒的防护等级应达到IP55以上。对改造的全过程进行质量验证，双速改造后电机的具体参数见表1。表1双速改造前后参数对比开式水泵电动机改造前改造后（高/低速）型号Y355-6Y355-6/8额定电压/V6 0006 000额定功率/kW220220/155额定电流/A27.827/16.3额定转速/（rmin-1）990988/745改造完成后分别测量高、低速直流电阻三相不平衡度均符合要求，测试高、低速定子绕组绝缘电阻合格，变极改造过程中定子线圈制作环节和改造完成后整体交、直流耐压试验均合格。改造完成后电动机在6 极/8 极状态下进行空车运转试验和模拟负载试验，测定空载电流、振动、噪声均符合要求。首先完成的是1 A开式水泵电机双速改造，电机改造完成后进行就位安装，在负载运行中发现电机新加装的改极箱后侧外壳温度较高，在夏季运行时该位置温度最高达到75。虽然该温度值在电气设备运行规程允许范围内，但经过分析，该位置的温度仍有一定下降空间。一般来说，电气设备的冷却会随其规格的增大而更加困难，而从经济性、机械要求、运输和安装等方面考虑，都要求电机结构紧凑。由于该电机冷却方式为IC01，经过现场研究分析，电机改极箱后侧外壳温度偏高原因为受电机本体尺寸所限，新加装的改极箱只能设置在电机冷却风出风口侧面，运行中改极箱后侧被电机出风直吹进而导致该位置温度偏高。在改极箱前后位置不能进行变动的情况下，后续在进行2 A开式水泵电机改造时提出了增大改极箱和定子本体间距的方案。在综合考虑现场空间及设备周围环境条件后，将2 A开式水泵电机改极箱和定子本体间距增大10 cm，如图3所示。在2 A开式水泵电机进行变极调速改造完成后，经过实地测量发现，电机运行中同样位置的最高温度较1 A开式水泵双速电机下降了10 左右，间距的增大取得了良好效果。图3变极调速改极箱（8极）对1 A、2 A开式水泵电机完成双速改造后，2 台电机负载运行期间两侧轴承声音良好，电机振动、噪声等指标均符合国家标准的规定值，电机的双速改造达到了预期的运行效果。对1 A、2 A开式水泵电机进行双速改造：进一步优化了机组开式水泵系统的运行方式，每台机组开式水泵电机可以根据实际需求实现一高速（6 极、980 r/min）、一低速（8 极、745 r/min）和双高速（6 极、980 r/min）运行方式，提升了发电机组的灵活性和运行效率。在系统运行允许时将双速电机切到低速后，电机在运行中减少了电能的消耗，既满足了生产现场各冷却水用户需求，又降低了机组的厂用电率。低速运行时节约了开式冷却水用量，进而取得了较好的节能效果和经济效益，达到了节能减排的目的。此外，也在一定程度上延长了电机轴承的使用寿命。4开式水泵电动机双速改造取得的效益（1）开式水泵电机双速改造后运行良好，当年即可收回2台电机改造成本。开式水泵电机在双速改造完成后，当电机处于低速（8 极）运行状态时，电机按照额定输出功率计算，单台电机在运行中可节约功率65 kW，一天24 h可节约电量2465=1 560 kWh，按每年该开式水泵电机仅在冬季期间低速运行90 d计算，每年单台开式水泵电机可节约电量 901 560=140 400 kWh。假如按照每度电 0.36 元/（kWh）计算，则每年2 台开式水泵电机在低速运行期间可节50第1期约生产费用0.36140 4002=10.108 8 万元8。而此次2 台开式水泵电机双速改造全部费用8万元，改造后投入运行当年即可收回2 台电机进行双速改造的全部成本。2 台开式水泵电机均于2020年投入运行，至今各项运行指标良好，高低速运行期间未发生任何异常情况。（2）有效降低了厂用电率。在冬季期间开式水泵电机采用低速运行时，既能满足机组正常运行需求，又可以节约一部分厂用电，虽然该电机属于小功率6kV电动机，但