雙速改造在發(fā)電廠循泵電機(jī)節(jié)能中的應(yīng)用

方昌勇，陳 更

（浙能蘭溪發(fā)電有限責(zé)任公司，浙江 蘭溪 321100）

浙江浙能蘭溪發(fā)電有限責(zé)任公司（以下簡稱蘭電公司）總裝機(jī)容量為4×600MW，每兩臺機(jī)組共用4臺循環(huán)水泵。由于季節(jié)溫差大，水溫和蒸發(fā)量不盡相同，循環(huán)水用量也大不相同，夏季高溫時需要3臺泵運(yùn)行，春秋季節(jié)2臺泵運(yùn)行就能滿足補(bǔ)水要求，冬季2臺泵運(yùn)行則流量偏大。與循環(huán)水泵配套的單速電機(jī)轉(zhuǎn)速恒定，運(yùn)行方式單一，循環(huán)水流量不能根據(jù)運(yùn)行工況進(jìn)行調(diào)整，電能浪費(fèi)嚴(yán)重、設(shè)備效率偏低，因此有必要選擇合適的調(diào)速方式對循環(huán)水泵電機(jī)進(jìn)行節(jié)能改造。

1 改造方案的確定

目前，火力發(fā)電廠中的6kV風(fēng)機(jī)、水泵大部分采用異步電機(jī)，國內(nèi)外異步電機(jī)節(jié)能改造較為常用的方法有兩種，即變頻改造和雙速改造。

變頻改造是通過加裝高壓變頻器對循環(huán)水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)速控制。這種方法需要增加變頻設(shè)備，變頻調(diào)速為無級調(diào)速，調(diào)速范圍廣，適用于各類交流電動機(jī)，節(jié)能效果好。但對于電廠的高電壓、大功率電機(jī)，變頻裝置價格昂貴，技術(shù)要求高、維護(hù)費(fèi)用大、故障率高，因此變頻調(diào)速節(jié)能方法受到一定的限制。

雙速改造是將原單速電機(jī)改成單繞組雙速電機(jī)。這種方法是利用電機(jī)本身條件，將電機(jī)從單速改為雙速，泵的負(fù)載高時用高速，負(fù)載低時用低速，其改造費(fèi)用低、改造周期短、維護(hù)簡單，在國內(nèi)應(yīng)用較多，經(jīng)驗成熟、性價比高，但因電機(jī)僅有兩種速度，節(jié)能效果不如變頻裝置。

經(jīng)充分論證和分析，認(rèn)為第二種方法比較符合當(dāng)前需求。對循環(huán)水泵電機(jī)進(jìn)行雙速改造，可增加循環(huán)水量調(diào)節(jié)的靈活性，滿足不同季節(jié)的供水需要。因此，結(jié)合2號機(jī)組B級檢修工作，對2A和2B循環(huán)水泵電機(jī)進(jìn)行雙速改造，將2臺16極循環(huán)水泵電機(jī)改造為16/18極（高速時16極，低速時18極）雙速電機(jī)。

2 雙速電機(jī)的節(jié)能原理和改造方法

2.1 雙速循泵電機(jī)的節(jié)能原理

泵類負(fù)載調(diào)速節(jié)能原理如圖1所示，根據(jù)離心泵相似定律，小范圍改變泵的轉(zhuǎn)速，其效率近似不變，性能近似關(guān)系為：

式中： Q1，Q2，H1，H2，P1，P2分別表示 n1和 n2轉(zhuǎn)速下泵的流量、揚(yáng)程和功率。

圖1 泵類負(fù)載調(diào)速節(jié)能原理

電機(jī)在16極時性能參數(shù)不變，18極運(yùn)行時，根據(jù)式（1）-（3），水泵流量為 16極運(yùn)行時的 0.89倍，揚(yáng)程為16極運(yùn)行時的0.79倍，軸功率為16極運(yùn)行時的0.70倍，相當(dāng)于水泵流量減少11%，電機(jī)輸出功率減少30%，可以達(dá)到節(jié)能目的。

2.2 循泵電機(jī)雙速改造的方法

蘭電公司原循環(huán)水泵電機(jī)為上海電機(jī)廠生產(chǎn)的YLKS1250-16型16極3800 kW異步電動機(jī)，定子繞組為4Y接法，144槽。夏季運(yùn)行時，原電機(jī)線圈溫度最高達(dá)到110℃，因而要求改造后電機(jī)的繞組溫度不能升高。對4Y接法的循環(huán)水泵電機(jī)進(jìn)行雙速改造一般有以下幾種方法：

（1）3Y+Y或極幅調(diào)制法。采用3Y+Y或極幅調(diào)制法等定子繞組變極方式進(jìn)行改造，雖然方法簡便，但存在內(nèi)部繞組復(fù)雜、連接方式低效、顯著削弱定子繞組利用率的缺點(diǎn)，電機(jī)在相同的輸出功率情況下繞組溫度顯著上升，輸入功率顯著增加，因而該方法不宜采用。

（2）1Y/1Y繞組接線法。在原有線圈的基礎(chǔ)上，將線圈的連接方法由4Y改成1Y/1Y（分別對應(yīng)16極和18極）接法，但在低速（18極）時，如果定子繞組采用1Y接法，由于電機(jī)電磁力嚴(yán)重不足，可能影響循環(huán)水泵正常運(yùn)行。因此，該方法也不宜采用。

（3）2Y/Δ繞組接線法。在原有線圈的基礎(chǔ)上，將定子繞組的連接方法由4Y改成2Y/Δ（分別對應(yīng)16極和18極）接法，在16極時電機(jī)性能不變，18極時定子繞組為角型接法，因繞組仍有較高的分布系數(shù)，輸出功率能滿足低速時水泵所需要的功率，且電機(jī)的溫升、振動、噪聲也均能符合國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。

經(jīng)過對比，決定采用2Y/Δ繞組接線法對電機(jī)進(jìn)行雙速改造。改造后，通過改變裝在電機(jī)外殼上的變極接線板連接方式來實現(xiàn)高、低速切換。雙速節(jié)能改造前后的電機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù)見表1。

表1 循環(huán)水泵電機(jī)雙速節(jié)能改造前后的技術(shù)數(shù)據(jù)

3 差動保護(hù)的實現(xiàn)方式

雙速改造后，電機(jī)在高速時仍為Y形接線方式，對差動保護(hù)沒有影響。在低速時，由于電機(jī)定子繞組為Δ接線，導(dǎo)致電流互感器（以下簡稱TA）二次側(cè)的電流大小和相位發(fā)生變化，給差動保護(hù)配置帶來影響，曾有雙速改造后的循環(huán)水泵電機(jī)在低速運(yùn)行時直接將差動保護(hù)退出的情況發(fā)生，所以有必要對雙速改造后循環(huán)水泵電機(jī)的差動保護(hù)配置進(jìn)行研究。

根據(jù)GB/T 14285-2006《繼電保護(hù)和安全自動裝置技術(shù)規(guī)程》要求，2 MW及以上，或2 MW以下但電流速斷保護(hù)靈敏系數(shù)不符合要求的電動機(jī)，為防止在電動機(jī)自起動過程中誤動作，可裝設(shè)縱聯(lián)差動保護(hù)。循環(huán)水泵電動機(jī)在18極低速運(yùn)行方式下，如果額定有功功率大于2 MW，仍有必要配置差動保護(hù)。蘭電公司循環(huán)水泵電機(jī)低速時的額定功率為2700 kW，因此有必要配置差動保護(hù)。

原循環(huán)水泵電機(jī)保護(hù)配置如圖2所示。保護(hù)采用的電流為A，C兩相電流，6kV開關(guān)側(cè)差動保護(hù)TA僅為A，C兩相TA，電機(jī)側(cè)差動保護(hù)TA為三相TA，但B相TA二次側(cè)電流回路短接，沒有使用。

圖2 原循泵電機(jī)保護(hù)配置

改造后，電機(jī)高、低速時的定子繞組接線如圖3所示，高速時定子繞組接線方式?jīng)]有變化，低速時為Δ接線，電機(jī)側(cè)和開關(guān)側(cè)TA固定安裝，如果不改變原來的差動保護(hù)接線方式，顯然有勢必導(dǎo)致差動保護(hù)動作，使電機(jī)無法正常運(yùn)行。因此，在低速時可以改變電機(jī)側(cè)TA的二次接線，使送入保護(hù)裝置的兩側(cè)二次電流保持一致。按照圖3中的電流方向，根據(jù)基爾霍夫電流定律，可以得到如下的關(guān)系式：

對此，當(dāng)電機(jī)低速運(yùn)行時，可將電機(jī)側(cè)TA的二次接線同樣以Δ方式連接，如圖4所示，同樣可以根據(jù)基爾霍夫電流定律得到如下的關(guān)系式：

由上述關(guān)系表達(dá)式可知，將TA的二次接線以同樣的Δ方式連接，可以使送入保護(hù)裝置的兩側(cè)電流保持一致，實現(xiàn)差動保護(hù)功能。

圖3 電機(jī)高、低速時的定子繞組接線

圖4 電機(jī)低速時的TA二次接線

改造時需在循環(huán)水泵電機(jī)開關(guān)柜內(nèi)增加B相TA及其二次線。當(dāng)電機(jī)高/低速運(yùn)行切換時，電機(jī)側(cè)TA二次接線需做相應(yīng)的改變。

4 經(jīng)濟(jì)性估算

4.1 循環(huán)水泵的運(yùn)行方式

循環(huán)水泵應(yīng)用雙速電機(jī)的經(jīng)濟(jì)性取決于其運(yùn)行方式。改造前具有代表性的運(yùn)行方式為春秋和冬季兩泵運(yùn)行，夏季三泵運(yùn)行。經(jīng)過計算，雙速改造后采用以下運(yùn)行方式：

（1）春、秋季節(jié)循環(huán)水溫度低于22.5℃時，采用兩高一低并列方式，但其穩(wěn)定性還需試驗確認(rèn)。

（2）當(dāng)春、秋季節(jié)循環(huán)水溫度低于21.6℃時，采用兩高并列方式。

（3）當(dāng)春、秋、冬季循環(huán)水溫度低于18.5℃時，采用一高一低并列方式。

（4）當(dāng)冬季循環(huán)水溫度低于17℃時，采用兩低并列方式。

4.2 循環(huán)水泵電機(jī)雙速改造的經(jīng)濟(jì)效益

循環(huán)水泵電機(jī)進(jìn)行雙速改造后，可以根據(jù)循環(huán)水溫度、機(jī)組負(fù)荷等情況，靈活地選擇運(yùn)行方式，將有助于降低廠用電率，因此帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

例如：當(dāng)電機(jī)在一高一低的運(yùn)行方式下運(yùn)行1個月，按720 h計算，電價以0.36元/kWh計算，則1個月可帶來的直接效益為：（3800-2700）×720×0.36=28.51萬元。

目前，由于電機(jī)的雙速改造技術(shù)已經(jīng)比較成熟，每臺電機(jī)雙速改造的費(fèi)用一般不超過30萬元，因此只要循環(huán)水泵電機(jī)在低速狀態(tài)下運(yùn)行1個月，即可收回其雙速改造的費(fèi)用，經(jīng)濟(jì)效益相當(dāng)可觀。

5 結(jié)語

火力發(fā)電廠是節(jié)能減排的重點(diǎn)生產(chǎn)企業(yè)，節(jié)約廠用電是長期而艱苦的工作。對循環(huán)水泵電機(jī)進(jìn)行雙速改造，不僅可以增加循環(huán)水泵系統(tǒng)調(diào)節(jié)方式的靈活性，而且還能取得相當(dāng)顯著的節(jié)能效果，是節(jié)能降耗的有效途徑。

[1]王毓東.電機(jī)學(xué)[M].杭州：浙江大學(xué)出版社，1990.

[2]凌勇堅.三相籠型異步電動機(jī)單速改雙速[J].電世界，2003，44（4）∶44-45.