汽電雙驅(qū)高壓大容量三相異步電機(jī)的研制

李洪森，李小麗，苗青豪，張立偉

(臥龍電氣南陽防爆集團(tuán)股份有限公司，河南南陽473008)

汽電雙驅(qū)高壓大容量三相異步電機(jī)的研制

李洪森，李小麗，苗青豪，張立偉

(臥龍電氣南陽防爆集團(tuán)股份有限公司，河南南陽473008)

介紹了汽電雙驅(qū)高壓大容量三相異步電機(jī)的研制情況。闡述了該電機(jī)在不同工況下的電動(dòng)-發(fā)電原理，提供一種新型節(jié)能環(huán)保“汽電雙驅(qū)”引風(fēng)機(jī)方案用高效節(jié)能環(huán)保電機(jī)產(chǎn)品, 該產(chǎn)品有廣闊的市場前景。

汽電雙驅(qū)；高壓三相異步電動(dòng)-發(fā)電機(jī)；高效節(jié)能

0 引言

YFKS系列汽電雙驅(qū)高壓大容量三相異步電機(jī) (包括電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī) ), 在系統(tǒng)中起到機(jī)械能和電能相互平衡的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)角色, 其大大提高了系統(tǒng)效率, 符合國家節(jié)能環(huán)保的推廣政策。

1 項(xiàng)目簡述

1.1 項(xiàng)目研制背景

2016年，研制了電力市場常規(guī)燃煤機(jī)“超低排放”工程用YFKS系列高壓大容量三相異步電機(jī)。該異步電機(jī)主要用在電力行業(yè)小汽機(jī)和電動(dòng)機(jī)聯(lián)合驅(qū)動(dòng)的引風(fēng)機(jī)機(jī)組上(簡稱汽電雙驅(qū))，是我公司為滿足該行業(yè)發(fā)展需要而專門研制的高新技術(shù)產(chǎn)品。

電站鍋爐一般配置三大風(fēng)機(jī)：包括送風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)、一次風(fēng)機(jī)等。型式有離心式或軸流式，一般大型電站鍋爐配用軸流式風(fēng)機(jī)，軸流式風(fēng)機(jī)需要通過一根長度較大的傳扭中間軸穿過煙(風(fēng))道與驅(qū)動(dòng)設(shè)備相連接，驅(qū)動(dòng)設(shè)備一般為電機(jī)，大功率風(fēng)機(jī)也常常采用小汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)。出于簡化系統(tǒng)和提高效率的考慮，電站鍋爐引風(fēng)機(jī)趨向采用引增合一的方式，即取消增壓風(fēng)機(jī)，由引風(fēng)機(jī)單獨(dú)承擔(dān)，尤其近來火電廠實(shí)施環(huán)保超低排放標(biāo)準(zhǔn)以來，由于煙風(fēng)系統(tǒng)阻力增加，600MW 及以上容量機(jī)組的引風(fēng)機(jī)功率增加較多，且采用小汽輪機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的方式存在效率偏低的問題，而采用汽電雙驅(qū)動(dòng)可以很好的解決這個(gè)問題，該方法可減少廠用電耗能、增加機(jī)組的凈供電量、提高電廠的收益。

我公司研制的高壓異步電動(dòng)-發(fā)電機(jī)的功率范圍為3000～ 25000kW, 額定電壓為 6kV或10kV, 具有重載起動(dòng)功能；同時(shí), 這類產(chǎn)品還具有過載能力大、不需直流勵(lì)磁、結(jié)構(gòu)簡單、維修方便、可靠性高等特點(diǎn)。

1.2 汽電雙驅(qū)引風(fēng)機(jī)組配置方案

起動(dòng)時(shí),異步電動(dòng)-發(fā)電機(jī)直接帶動(dòng)引風(fēng)機(jī)工作，小汽機(jī)和異步電動(dòng)-發(fā)電機(jī)經(jīng)變速離合器分離。小汽機(jī)在輔汽作用下完成暖機(jī)，等小汽機(jī)達(dá)到變速離合器設(shè)定轉(zhuǎn)速時(shí)，變速離合器自動(dòng)使小汽機(jī)與異步電動(dòng)發(fā)電機(jī)嚙合，由小汽機(jī)帶動(dòng)異步電動(dòng)-發(fā)電機(jī)和引風(fēng)機(jī)運(yùn)行，異步電動(dòng)-發(fā)電機(jī)在超過同步轉(zhuǎn)速后轉(zhuǎn)為發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。要求變速離合器不光有變速功能,還要求有自動(dòng)投入、退出功能。系統(tǒng)連接順序?yàn)椋盒∑啓C(jī)→變速離合器(離合器+減速箱)→異步電動(dòng)-發(fā)電機(jī)→引風(fēng)機(jī)(如圖1所示)。

圖1 系統(tǒng)連接順序圖

1.3 異步電動(dòng)-發(fā)電機(jī)在整個(gè)系統(tǒng)中作用

汽能量不夠時(shí)，電機(jī)作異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，向風(fēng)機(jī)補(bǔ)充機(jī)械能，滿足系統(tǒng)工藝所需風(fēng)量要求；汽能量過剩時(shí)，汽機(jī)運(yùn)行速度增大，電機(jī)轉(zhuǎn)速超過同步轉(zhuǎn)速后作發(fā)電機(jī)運(yùn)行，消耗掉汽機(jī)送給風(fēng)機(jī)后多余的機(jī)械能，向電網(wǎng)反饋電能。異步電動(dòng)-發(fā)電機(jī)在整個(gè)系統(tǒng)中起到系統(tǒng)機(jī)械能和電能相互平衡的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)角色。

2 雙驅(qū)異步電機(jī)特點(diǎn)

目前, 該汽電雙驅(qū)異步電機(jī)的研制已取得顯著成效, 電力市場國內(nèi)首臺(tái)套汽電雙驅(qū)機(jī)組用異步電動(dòng)-發(fā)電機(jī)已連續(xù)可靠運(yùn)行近一年,已經(jīng)各種工況驗(yàn)證考驗(yàn)，具有創(chuàng)新性、先進(jìn)性和可靠性。

2.1 創(chuàng)新性

(1) 新型的機(jī)組布置及電機(jī)工作調(diào)節(jié)方式：汽電雙驅(qū)機(jī)組布置方式為國內(nèi)首創(chuàng)，異步電動(dòng)-發(fā)電機(jī)在整個(gè)系統(tǒng)中起系統(tǒng)機(jī)械能和電能相互平衡的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)角色，提高了系統(tǒng)效率，使整個(gè)系統(tǒng)始終高效節(jié)能運(yùn)行。

(2) 攻克了汽電雙驅(qū)機(jī)組引風(fēng)機(jī)的重載起動(dòng)難題。引風(fēng)機(jī)的飛輪力矩在 60～80t.m2, 要在很短的時(shí)間內(nèi)將幾十噸負(fù)載力矩拖動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速, 是個(gè)很大的系統(tǒng)難題。技術(shù)人員利用微積分及熱力學(xué)理論, 驗(yàn)證出了一套電機(jī)起動(dòng)過程的發(fā)熱與時(shí)間計(jì)算方法。對(duì)電機(jī)起動(dòng)過程進(jìn)行計(jì)算后，通過調(diào)整轉(zhuǎn)子槽型、導(dǎo)條電阻率、轉(zhuǎn)子有效材料、定子線規(guī)和匝數(shù)、繞組端部尺寸充分考慮、平衡，找到最佳的工作點(diǎn)，同時(shí)把電機(jī)磁密、電密、熱負(fù)荷、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩控制在合理范圍內(nèi)，優(yōu)化通風(fēng)散熱結(jié)構(gòu), 解決了機(jī)組系統(tǒng)重載起動(dòng)的難題。

(3) 解決了大容量電機(jī)“發(fā)熱與散熱”的問題。該類電機(jī)發(fā)熱在 200～500 kW 左右。如何減少發(fā)熱和擴(kuò)大散熱是電機(jī)研制的關(guān)鍵難題。運(yùn)用美國 Ansoft電磁分析軟件對(duì)電、磁性能進(jìn)行穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)分析, 并運(yùn)用美國西屋公司的風(fēng)量及穩(wěn)態(tài)與暫態(tài)溫升計(jì)算軟件對(duì)電機(jī)的熱態(tài)狀況進(jìn)行分析、優(yōu)化設(shè)計(jì), 完全掌握了大容量電機(jī)的“發(fā)熱與散熱 ”解決方法。該方法屬于國內(nèi)領(lǐng)先技術(shù)。

(4)大容量電機(jī)高扭矩特性的設(shè)計(jì), 滿足大慣量負(fù)載的起動(dòng)要求。電磁方案在控制發(fā)熱指標(biāo)的前提下盡可能地提高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。結(jié)構(gòu)上從電動(dòng)機(jī)的安全與受力出發(fā), 對(duì)轉(zhuǎn)軸的機(jī)械強(qiáng)度、軸承承載與壽命、機(jī)座鋼度、絕緣電氣強(qiáng)度、轉(zhuǎn)子導(dǎo)條溫度、電機(jī)空載和負(fù)載起動(dòng)時(shí)間等進(jìn)行了多方位的計(jì)算。

(5)采用電機(jī)強(qiáng)度分析技術(shù)分析起動(dòng)過程。在結(jié)構(gòu)上, 采用特殊的轉(zhuǎn)子槽形及特殊的導(dǎo)條配合方式, 運(yùn)用美國 ANSYS結(jié)構(gòu)分析軟件, 對(duì)高扭矩特性下定轉(zhuǎn)子的熱應(yīng)力、離心力、磁拉力等復(fù)合應(yīng)力進(jìn)行分析, 尤其是對(duì)導(dǎo)條與端環(huán)焊接部位強(qiáng)度的分析。結(jié)果表明其完全適應(yīng)高扭矩電機(jī)起動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的要求。

(6) 電機(jī)內(nèi)風(fēng)路流場仿真分析： 電機(jī)用風(fēng)扇設(shè)計(jì)采用國際上最具權(quán)威的三元流動(dòng)理論(國際上稱吳氏理論)進(jìn)行氣動(dòng)設(shè)計(jì)，并結(jié)合CFD流體分析技術(shù)，使風(fēng)扇具有氣動(dòng)性能優(yōu)良、效率高、振動(dòng)小、噪聲低、高效區(qū)域廣的特點(diǎn)(見圖2、圖3)。

圖2 電機(jī)用風(fēng)扇速度流線圖

圖3 電機(jī)用風(fēng)扇靜壓分布云圖

(7) 折彎式低振動(dòng)主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：定、轉(zhuǎn)子鐵心與機(jī)座和軸采用過盈配合熱套結(jié)構(gòu)，機(jī)座側(cè)板采用折彎結(jié)構(gòu)，增加定子支撐強(qiáng)度，減小了風(fēng)路風(fēng)阻, 且外觀造型美觀。

2.2 先進(jìn)性

(1)理念先進(jìn)：對(duì)于交流三相異步電機(jī)來說, 本身有一個(gè)固有的機(jī)械電氣特性: 當(dāng)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速低于同步轉(zhuǎn)速時(shí), 電機(jī)做電動(dòng)機(jī)運(yùn)行；當(dāng)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速等于同步轉(zhuǎn)速時(shí), 電機(jī)不做功；當(dāng)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速高于同步轉(zhuǎn)速時(shí),電機(jī)做發(fā)電機(jī)運(yùn)行。

(2) 設(shè)計(jì)手段先進(jìn)：該產(chǎn)品采用電機(jī)強(qiáng)度分析技術(shù),分析了電機(jī)在起動(dòng)時(shí)的熱應(yīng)力、離心力、磁拉力等復(fù)合應(yīng)力作用于轉(zhuǎn)子導(dǎo)條尤其是作用于導(dǎo)條與端環(huán)焊接部位的強(qiáng)度；采用了彎曲振動(dòng)模擬系統(tǒng)進(jìn)行振動(dòng)分析；運(yùn)用流場分析, 使空氣冷熱交換器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化, 風(fēng)阻最小,以確保冷卻能力。

(3) 防護(hù)等級(jí)高：該系列電機(jī)采用箱式結(jié)構(gòu)，端蓋式軸承，內(nèi)外風(fēng)路自成一體，能夠嚴(yán)格達(dá)到IP55的防護(hù)要求，保證電機(jī)內(nèi)部不受外部物資污染，提高了運(yùn)行穩(wěn)定性和維護(hù)周期。防護(hù)等級(jí)高，有效解決了由于電動(dòng)機(jī)使用現(xiàn)場灰塵多、潮濕帶來的定轉(zhuǎn)子絕緣損傷問題，保證電機(jī)連續(xù)可靠運(yùn)行，減少維護(hù)時(shí)間、使用壽命長。

(4) 安裝、維護(hù)方便：電機(jī)帶有齊全的監(jiān)控裝置，除常規(guī)定子測溫、軸承測溫、漏水監(jiān)控儀、差動(dòng)保護(hù)、避雷器等，針對(duì)異步電機(jī)-發(fā)電機(jī)存在電動(dòng)與發(fā)電工況下的切換與運(yùn)行，采取了相應(yīng)過壓、過流、過速等檢測保護(hù)裝置。能夠滿足用戶對(duì)電機(jī)的全天候監(jiān)控。

主機(jī)和大型零部件上均設(shè)置了專用吊裝孔，為零部件制造、運(yùn)輸和現(xiàn)場裝配和維修提供了便利。

主機(jī)與底座、球面滑動(dòng)軸承與端蓋、端蓋與定子之間的連接均采用螺栓把緊、定位銷定位結(jié)構(gòu)。因此，該電機(jī)零部件安裝具有良好的復(fù)位精度，現(xiàn)場安裝、調(diào)試和檢修省時(shí)省力。

主機(jī)與底座之間設(shè)置有可更換調(diào)整墊片，且四周配備有調(diào)整裝置和起拔用螺釘，方便用戶現(xiàn)場安裝找正。

根據(jù)用戶現(xiàn)場安裝條件和電機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)制造了專用工裝(包括調(diào)整工具和拆檢工具等)，方便用戶現(xiàn)場安裝、維護(hù)和檢修。

電機(jī)出廠時(shí)已確定電機(jī)磁力中心線位置，并將數(shù)據(jù)標(biāo)記在專用銘牌上，方便用戶現(xiàn)場裝配，并確保電機(jī)安全可靠運(yùn)行。

(5) 性能指標(biāo)先進(jìn)。表1列出了國內(nèi)某電廠首臺(tái)套已投產(chǎn)YFKS 900-8 5800kW 10kV異步電動(dòng)-發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)值、協(xié)議值、標(biāo)準(zhǔn)值及試驗(yàn)值。

表1 試驗(yàn)結(jié)果

從表1可知，效率實(shí)測為96.8%(達(dá)到國家二級(jí)能效),高出技術(shù)協(xié)議 0.5%；功率因數(shù)實(shí)測為0.91, 高出技術(shù)協(xié)議0.04；堵轉(zhuǎn)電流倍數(shù)實(shí)測為5.7, 低于技術(shù)協(xié)議0.3；堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩倍數(shù)實(shí)測為1.1, 高出技術(shù)協(xié)議0.5；最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)實(shí)測為2.7, 高出技術(shù)協(xié)議0.9；實(shí)測振動(dòng)值為0.4mm/s, 僅是技術(shù)協(xié)議17.4% ；實(shí)測噪聲值與技術(shù)協(xié)議相比低了3dB(A)。由此可見, 其性能指標(biāo)高于國家標(biāo)準(zhǔn)，比技術(shù)協(xié)議指標(biāo)先進(jìn)。某電廠已投產(chǎn)YFKS 900-8 5800kW 10kV電機(jī)設(shè)計(jì)值、協(xié)議值、標(biāo)準(zhǔn)值及試驗(yàn)值。

經(jīng)過對(duì)比可得出如下結(jié)論: 我公司的異步電動(dòng)-發(fā)電機(jī)性能指標(biāo)優(yōu)于現(xiàn)有國家標(biāo)準(zhǔn)GB /T 13957《大型三相異步電動(dòng)機(jī)基本系列技術(shù)條件》中相關(guān)參數(shù)的規(guī)定, 與國內(nèi)同行業(yè)相比具有自身的優(yōu)勢(shì), 產(chǎn)品性能接近或優(yōu)于國外同類產(chǎn)品。

2.3 可靠性

通過現(xiàn)場運(yùn)行及我公司多個(gè)規(guī)格試制情況表明：該類電機(jī)性能優(yōu)異、振動(dòng)小、噪聲低、運(yùn)行穩(wěn)定、可靠性高。同時(shí)該產(chǎn)品的研制具備健全的質(zhì)量保證體系。如針對(duì)關(guān)鍵工藝完成了先行試驗(yàn), 對(duì)電機(jī)的主體框架材料和焊縫進(jìn)行了探傷, 電動(dòng)機(jī)設(shè)有常規(guī)定子測溫、軸承測溫、漏水監(jiān)控儀、差動(dòng)保護(hù)、避雷器等，針對(duì)異步電動(dòng)-發(fā)電機(jī)存在電動(dòng)與發(fā)電工況下的切換與運(yùn)行，相應(yīng)采取了相應(yīng)過壓 、過流、過速等檢測保護(hù)裝置,從而可靠保證產(chǎn)品質(zhì)量和運(yùn)行質(zhì)量。

3 效益分析及推廣應(yīng)用前景

(1) 企業(yè)效益：該類電機(jī)實(shí)現(xiàn)當(dāng)年研發(fā), 當(dāng)年投產(chǎn), 當(dāng)年見效。截止目前, 實(shí)現(xiàn)該類異步電動(dòng)-發(fā)電機(jī)銷售收入2000多萬元, 且市場需求大有趨于增強(qiáng)之勢(shì)。

(2) 用戶效益：該異步電動(dòng)-發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí), 可將系統(tǒng)富余的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，根據(jù)業(yè)主提供的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，機(jī)組年發(fā)電利用小時(shí)數(shù)為5000h，按發(fā)電量約為額定功率的50%，以 5800kW 電機(jī)為例,電價(jià)以0.36元/kWh計(jì), 年發(fā)電產(chǎn)值為522萬元, 不到半年就能收回電機(jī)的全部投資。

(3) 社會(huì)效益:節(jié)能環(huán)保，“能源與污染”是全球面臨的共性問題，“能源回收再利用”是國家重點(diǎn)扶持的節(jié)能項(xiàng)目。該異步電動(dòng)-發(fā)電機(jī)實(shí)現(xiàn)了機(jī)組機(jī)械能和電能相互平衡的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)角色, 大大提高了系統(tǒng)效率, 符合目前世界環(huán)保和節(jié)能的大格局。

(4)市場需求情況：因異步電動(dòng)-發(fā)電機(jī)具有投資小、結(jié)構(gòu)簡單、無勵(lì)磁、維修方便、可靠性高等優(yōu)勢(shì)，且在系統(tǒng)中起到機(jī)械能和電能相互平衡的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)角色, 大大提高了系統(tǒng)效率,作為電力、石化市場高效節(jié)能項(xiàng)目用電機(jī)，是一個(gè)新的發(fā)展方向及經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)，符合國家高效節(jié)能環(huán)保推廣政策，該產(chǎn)品有廣闊的推廣應(yīng)用前景。

4 結(jié)語

YFKS系列汽電雙驅(qū)高壓大容量三相異步電機(jī)產(chǎn)品的開發(fā), 旨在提供一種高效節(jié)能高壓大容量三相異步電機(jī)，提升機(jī)組系統(tǒng)效率，拓寬電機(jī)使用范圍并提高我國高壓電機(jī)的生產(chǎn)制造水平。

[1] 湯蘊(yùn)璆.電機(jī)學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2014.

[2] 陸安定.電動(dòng)機(jī)節(jié)能改造實(shí)用手冊(cè).上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1995.

[3] 于平義，仵均科.異步發(fā)電機(jī)[J].設(shè)計(jì)與研究，2005.04.013.

[4] 陳世坤.電機(jī)設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

[5] 楊順昌.并網(wǎng)運(yùn)行的異步發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)中幾個(gè)問題的探討[J].電工技術(shù)，1991.

歡迎訂閱 歡迎投稿 歡迎刊登廣告

垂詢電話：0454-8326352

E-mail:bjb6352@126.com QQ:2369214531 15335960

Development of Vapor-and Electric-Drive Three-Phase AsynchronousGenerator with Large Capacity and High Voltage

LiHongsen,LiXiaoli,MiaoQinghao,andZhangLiwei

(Wolong Electric Nanyang Explosion Protection Group Co., Ltd., Nanyang 473008, China)

This paper introduces the development situation of vapor-and electric-drive three-phase asynchronous motor-generator with large capacity and high voltage produced by Nanyang Explosion Protection Group Co., Ltd., and describes its principle at different operating conditions of motor and generator. A high-efficiency energy-saving environment-friendly electric machine for a new type of energy-saving environment-friendly induced draft fan with “vapor- and electric-drive” is provided. It has a wide application prospect.

Vapor-and electric-drive；high-voltage three-phase asynchronous motor-generator；high efficiency and energy saving

10.3969/J.ISSN.1008-7281.2017.02.05

TM343+.1

A

1008-7281(2017)02-0015-004

李洪森 男 1982年生；畢業(yè)于太原理工大學(xué)電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)，現(xiàn)從事高壓電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)與開發(fā)等工作.

2016-12-26