循環(huán)水泵電動機雙速改造在600 MW機組中的應(yīng)用

李繼忠

(安徽阜陽華潤電力有限公司，安徽阜陽 236158)

0 前言

隨著電力行業(yè)競爭的加劇，發(fā)電廠節(jié)能降耗的壓力越來越大，600 MW機組電能消耗的60% ～70%是被電動機消耗的，因此對電動機的節(jié)能運行要求越來越高。近年來鼠籠型異步電動機調(diào)速運行應(yīng)用很廣泛，調(diào)速方式也比較多，其中雙速改造因改造費用低、維護運行保養(yǎng)方便、可靠性高等優(yōu)勢被越來越認可。此方法僅改變定子繞組的接線方式，不添置和改變?nèi)魏卧O(shè)備，即可達到兩種速度。在改造設(shè)計時以高轉(zhuǎn)速檔為基本極，進行對稱軸線優(yōu)化，把電動機在16極和18極的繞組引線全部引出，在電動機中性點接線盒旁重新設(shè)置一個雙速切換的端子箱，通過改變接線端子連接片的位置，即可改變電動機的極數(shù)，從而達到改變轉(zhuǎn)速實現(xiàn)節(jié)能運行的目的，而整個電氣系統(tǒng)不需變動。

1 改造原理及節(jié)能潛力估算

安徽阜陽華潤電力有限公司(簡稱為公司，下同)總裝機容量2×600 MW，每臺機組配置兩臺循環(huán)水泵，出口節(jié)門采用蝶閥，只有全開全關(guān)兩個位置。機組運行中，不同季節(jié)的凝汽器供水量只有依靠增減循環(huán)水泵的臺數(shù)來調(diào)節(jié)。在春、秋、冬季節(jié)會出現(xiàn)2臺循泵供冷卻水量偏少，而3臺循泵機組供給又偏多的現(xiàn)象。考慮將循環(huán)水泵電機由單一轉(zhuǎn)速改為雙速，在四季環(huán)境溫度變化時，通過改變循泵電機轉(zhuǎn)速和幾臺循環(huán)水泵不同轉(zhuǎn)速組合的運行方式，既可滿足運行需要，又可實現(xiàn)節(jié)能的目的。

循環(huán)水泵是長沙水泵廠生產(chǎn)的88KLXA－26型混流泵，電機型號為 YKKL3600－16/2150(3 600 kW，6 kV，372 r/min，由湘潭電機股份有限公司制造)，2009年8月委托西安熱工研究院對公司機組進行了冷端試驗，試驗后認為循環(huán)水泵進行雙速改造是可行的。

其中，p為電動機極對數(shù);s為轉(zhuǎn)差率。

改變電動機的極對數(shù)P即可改變電動機轉(zhuǎn)速，將電機的16極改為18極，轉(zhuǎn)速相應(yīng)地變?yōu)?30 r/min。

根據(jù)泵類流體定律，改變泵的轉(zhuǎn)速，泵的效率近似不變，其性能近似關(guān)系式為

Q1、H1、P1、Q2、H2、P2分別表示在轉(zhuǎn)速 n1和 n2情況下水泵的流量、揚程和所需軸功率。根據(jù)公式，當電動機的轉(zhuǎn)速下降時，流量成正比關(guān)系下降，揚程成平方關(guān)系下降，泵的軸功率成3次方關(guān)系下降，因此電動機改造后有功功率消耗會大幅度下降。

1.1 降速后單泵工作點的確定(以2A循環(huán)水泵為例)

根據(jù)2A循環(huán)水泵的實測性能曲線，結(jié)合2號機組循環(huán)水系統(tǒng)的實際阻力特性，計算得出循環(huán)水泵降速后的性能工作點，見圖1。

圖1 2號機組循環(huán)水泵降速后的工況點

圖1為2號機組2A循環(huán)水泵降速(轉(zhuǎn)速由370 r/min降為330 r/min)后的運行工況點，轉(zhuǎn)速降為330 r/min后，根據(jù)循環(huán)水系統(tǒng)的阻力特性曲線計算出此時的循環(huán)水泵的運行工況點為:工作流量37 500 m3/h、揚程18.4 m。單泵低速(330 r/min)運行和高速(370 r/min)運行相比較，能降低電動機功率約26.7%，見表1。

在冬季循環(huán)水溫較低(低于15℃)、負荷低于400 MW的情況下，選擇一臺循環(huán)水泵進行高低速改造，可以進一步降低廠用電率。

表1 循環(huán)水泵降速后的節(jié)能效果

1.2 降速后運行安全性分析

2號機組一臺循環(huán)水泵降速運行后，在循環(huán)水系統(tǒng)單元制運行條件下，2號機組的循環(huán)水泵可能的運行方式有:單泵低速運行、單泵高速運行、1臺高速和1臺低速并聯(lián)運行、2臺高速并聯(lián)運行4種方式。單臺循環(huán)水泵降速后與另外一臺定速泵并聯(lián)運行安全性尤為重要。2號機組2A循環(huán)水泵降速后與2B循環(huán)水泵(定速)并聯(lián)運行的工作狀態(tài)，見圖2。

圖2 循環(huán)水泵一高速一低速并聯(lián)運行狀態(tài)

從圖2中看出，循環(huán)水泵一高速一低速并聯(lián)運行的工作點為:并聯(lián)流量67 600 m3/h、揚程26.8 m(圖中A點)。此時低速泵的流量約為29 200 m3/h、揚程為26.8 m(圖中B點)，具體并聯(lián)特性見表2。

表2 循環(huán)水泵高低速并聯(lián)運行工況確定

在循環(huán)水系統(tǒng)阻力特性下，循環(huán)水泵一高速與一低速并聯(lián)運行是可行的，能保證低速泵的運行穩(wěn)定性和安全性。只有在循環(huán)水系統(tǒng)阻力接近或超過33 m時，低速循環(huán)水泵會空轉(zhuǎn)或嗆水現(xiàn)象，危害泵的安全。

2 改造要點及措施

(1)電動機改造后極對數(shù)由8改為9，額定功率由3 600 kW變?yōu)? 600 kW，額定電流由444 A變?yōu)?33 A，功率因數(shù)由0.83變?yōu)?.795，額定轉(zhuǎn)速由372 r/min變?yōu)?31 r/min，定子繞組接線由4Y改為2Y/△接法。由于電動機改造后低速運行時的接線方式為△接法，綜合保護裝置中的“差動保護”將被退出，另外在每次的高低速切換運行時，由于功率及接線方式的變化綜合保護裝置參數(shù)均需重新修改。

(2)電動機送至專業(yè)修理廠，根據(jù)原定子槽數(shù)、繞組線規(guī)和匝數(shù)、接線方式等，重新設(shè)計電動機定子繞組，重新確定繞組上述參數(shù)，新定子繞組兼顧高低速性能。

(3)定子繞組拆除、制造、嵌裝，采用真空壓力浸漆(VIP工藝)。

(4)直阻、絕緣、直流耐壓、交流耐壓、定子鐵耗溫升試驗及整機試轉(zhuǎn)。

(5)電動機的高壓引線和中性點引線盒均不變，在中性點引線盒旁單獨設(shè)立一個高低速切換箱，電動機高低速運行的選擇，只需改變切換箱內(nèi)連接片的連接方式即可(電動機需停電)，圖3為接線箱內(nèi)兩種不同的連接方式圖。

圖3 高低速切換箱內(nèi)端子連接圖

(6)電動機改造前接線方式為4Y接法，改造后高速接線方式為2Y接法，低速接線方式為△接法，接線方式完全不同。

3 改造后調(diào)試

3.1 電動機低速空載運行

檢查電動機電源引線、中性點引線、加熱器引線、TA二次引線、溫度測點引線連接正確;電動機高低速切換端子箱內(nèi)連接片為低速連接方式;電動機綜合保護裝置參數(shù)重新設(shè)定，電動機二次額定電流(Ie)項由4.44改為3.33，所有差動相關(guān)控制字選擇“退出”，差動保護出口壓板退出;將循環(huán)水泵啟動允許條件置“1”，將2A循泵出口門強制“關(guān)”;將就地蝶閥控制柜上蝶閥控制方式切到“就地”方式，并在控制柜上掛“設(shè)備調(diào)試，禁止操作”臨時標示牌，核實蝶閥處于關(guān)閉位置;1、2號機循環(huán)水聯(lián)絡(luò)門關(guān)閉;電動機送電并啟動運行;電動機運行4 h，間隔30 min測試電動機電流、振動、溫度等參數(shù)。

3.2 電動機高速空載運行

電動機高低速切換端子箱內(nèi)連接片改為高速連接方式;核對電動機中性點TA二次線連接的正確性;電動機綜合保護裝置參數(shù)重新設(shè)定，將電動機二次額定電流(Ie)項由3.33改為4.44，所有差動相關(guān)控制字選擇“投入”，差動保護出口壓板投入;將循泵啟動允許條件置“1”，將2A循泵出口門強制“關(guān)”;將就地蝶閥控制柜上蝶閥控制方式切到“就地”方式，并在控制柜上掛“設(shè)備調(diào)試，禁止操作”臨時標示牌，核實蝶閥處于關(guān)閉位置;電動機運行4 h，間隔30 min測試電動機電流、振動、溫度等參數(shù)。

3.3 電動機高速帶泵運行

電動機找中心并連接對輪;解除循環(huán)水泵啟動允許條件置“1”，恢復正常運行方式;將就地蝶閥控制柜上蝶閥控制方式切到“遠方”控制方式，將控制柜上掛“設(shè)備調(diào)試，禁止操作”臨時標示牌去除;1、2號機循環(huán)水聯(lián)絡(luò)門關(guān)閉;電動機送電并啟動;測試電動機電流、振動、溫度等參數(shù)，觀察運行2 h。

圖4 雙速改造前后定子繞組原理圖

圖5 電動機改造后實物圖

3.4 電動機低速帶泵運行

電動機高低速切換端子箱內(nèi)連接片改為低速連接方式;電動機綜合保護裝置中二次額定電流(Ie)項由4.44改為3.33，所有差動相關(guān)控制字選擇“退出”，差動保護出口壓板退出;解除循環(huán)水泵啟動允許條件置“1”，恢復正常運行方式;確認就地蝶閥控制柜上蝶閥控制方式為“遠方”控制方式;高、低速循環(huán)水泵并聯(lián)運行前單元循環(huán)水系統(tǒng)的閥門應(yīng)全開;確認1、2號機循環(huán)水聯(lián)絡(luò)門已關(guān)閉;電動機送電并啟動運行;測試電動機電流、振動、溫度等參數(shù)，觀察并投入正常運行。

4 節(jié)能效果

2A循環(huán)水泵電動機投低速穩(wěn)定運行15 d后，選擇2臺機組負荷基本相同時(510 MW)，分別記錄1號機組1A循環(huán)水泵電動機電流為387.8 A(未進行雙速改造)，2A循環(huán)水泵電動機電流為309.4 A。

1A 電動機有功損耗 P1=1.732×6.3×387.8×0.83=3 512.2 kW(未改)

2A 電動機有功損耗 P2=1.732×6.3×309.4×0.795=2 683.9 kW(未改)

節(jié)電率 =(P1－P2)/P1=(3 512.2 －2 683.9)/3 512.2=23.58%

節(jié)約有功功率 =(P1－P2)=3 512.2－2 683.9=828.3 kW

年節(jié)約費用=320 d×24 h×828.3 kW×0.39 元/kWh=248.09 萬元

5 結(jié)束語及經(jīng)驗分享

(1)高壓電動機在設(shè)計中，根據(jù)不同的功率和極對數(shù)，在考慮損耗、磁場對稱等因素情況下都設(shè)計了最佳的定、轉(zhuǎn)子槽數(shù)。而在雙速改造過程中，需要在兩種不同的極對數(shù)情況下使用同一定、轉(zhuǎn)子槽數(shù)，根據(jù)繞組理論得知，繞組每極每相槽數(shù)Q=168/(18×3)=28/9，只要Q的分母為3或3的倍數(shù)，可能會得到不對稱的三相繞組，也就是定子168槽，18極時，三相繞組不對稱(本次改造存在這種情況)，就是三相磁場不對稱(119°多或120°多)，會導致振動。針對這種情況在電動機改造前與XXX電動機修理廠總工程師進行了充分溝通，認為在制造廠里這種型號的18極電動機是不會采用168槽的，這個問題確實存在，但是根據(jù)改造經(jīng)驗，這個型號的電動機因此產(chǎn)生的振動放大是可以接受的，基本不會影響電動機的運行。改造結(jié)束后從試轉(zhuǎn)指標來看，振動值確實都在合格范圍內(nèi)，因此并未對電動機的穩(wěn)定運行產(chǎn)生影響，改造是成功的。但是不是所有的電動機都會遇到這種情況，有些電動機并不適合改造，改造前應(yīng)充分論證，應(yīng)充分收集其他電廠和改造廠家的意見和建議。

(2)電動機改造過程中的真空壓力浸漆工藝(VPI)的好壞直接影響著電動機的使用壽命，不同的修理廠因成本和操作復雜的原因?qū)@個工藝的執(zhí)行都存在很大偏差，而執(zhí)行的好壞在電動機改造結(jié)束后從外觀上是無法判斷的，因此這個過程需有人見證。

(3)電動機的改造時間長、工序多、工藝要求高，因此在選擇比較有實力的修理公司的同時，需要有能熟練掌握相關(guān)工藝的人員進行關(guān)鍵點見證甚至全程監(jiān)督。

(4)改造工期約10～15 d，重要輔機失去備用時間較長，不利于機組的穩(wěn)定運行，改造應(yīng)盡量安排在機組檢修期間進行。

(5)高速電動機降低轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)子圓周速度降低，軸承發(fā)熱會得到改善。雖然通風條件變壞，但因定子電流減小，定子銅耗也會明顯減小，發(fā)熱量減小，所以不會造成電動機整體溫度的升高。

［1］GB 1032－85，三相異步電動機試驗方法［S］.

［2］7.QI－7.4 －0.2，大型交流異步(同步)電機修理規(guī)范［S］.

［3］孫克軍.異步電動機與變壓器［M］.北京:化學工業(yè)出版社，2010.