李洪森，李小麗，苗青豪，張立偉

(臥龍電氣南陽防爆集團股份有限公司，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的研制情況。闡述了該電機在不同工況下的電動-發(fā)電原理，提供一種新型節(jié)能環(huán)?！捌婋p驅(qū)”引風(fēng)機方案用高效節(jié)能環(huán)保電機產(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-發(fā)電機；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 (包括電動機、發(fā)電機 ), 在系統(tǒng)中起到機械能和電能相互平衡的動態(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 項目簡述

1.1 項目研制背景

2016年，研制了電力市場常規(guī)燃煤機“超低排放”工程用YFKS系列高壓大容量三相異步電機。該異步電機主要用在電力行業(yè)小汽機和電動機聯(lián)合驅(qū)動的引風(fēng)機機組上(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：包括送風(fēng)機、引風(fēng)機、一次風(fēng)機等。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，軸流式風(fēng)機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)動設(shè)備相連接，驅(qū)動設(shè)備一般為電機，大功率風(fēng)機也常常采用小汽輪機驅(qū)動。出于簡化系統(tǒng)和提高效率的考慮，電站鍋爐引風(fēng)機趨向采用引增合一的方式，即取消增壓風(fēng)機，由引風(fēng)機單獨承擔(dān)，尤其近來火電廠實施環(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 及以上容量機組的引風(fēng)機功率增加較多，且采用小汽輪機直接驅(qū)動的方式存在效率偏低的問題，而采用汽電雙驅(qū)動可以很好的解決這個問題，該方法可減少廠用電耗能、增加機組的凈供電量、提高電廠的收益。

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

1.2 汽電雙驅(qū)引風(fēng)機組配置方案

起動時,異步電動-發(fā)電機直接帶動引風(fēng)機工作，小汽機和異步電動-發(fā)電機經(jīng)變速離合器分離。小汽機在輔汽作用下完成暖機，等小汽機達到變速離合器設(shè)定轉(zhuǎn)速時，變速離合器自動使小汽機與異步電動發(fā)電機嚙合，由小汽機帶動異步電動-發(fā)電機和引風(fēng)機運行，異步電動-發(fā)電機在超過同步轉(zhuǎn)速后轉(zhuǎn)為發(fā)電機運行狀態(tài)。要求變速離合器不光有變速功能,還要求有自動投入、退出功能。系統(tǒng)連接順序為：小汽輪機→變速離合器(離合器+減速箱)→異步電動-發(fā)電機→引風(fēng)機(如圖1所示)。

圖1 系統(tǒng)連接順序圖

1.3 異步電動-發(fā)電機在整個系統(tǒng)中作用

汽能量不夠時，電機作異步電動機運行，向風(fēng)機補充機械能，滿足系統(tǒng)工藝所需風(fēng)量要求；汽能量過剩時，汽機運行速度增大，電機轉(zhuǎn)速超過同步轉(zhuǎn)速后作發(fā)電機運行，消耗掉汽機送給風(fēng)機后多余的機械能，向電網(wǎng)反饋電能。異步電動-發(fā)電機在整個系統(tǒng)中起到系統(tǒng)機械能和電能相互平衡的動態(tài)調(diào)節(jié)角色。

2 雙驅(qū)異步電機特點

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

2.1 創(chuàng)新性

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

(2) 攻克了汽電雙驅(qū)機組引風(fēng)機的重載起動難題。引風(fēng)機的飛輪力矩在 60～80t.m2, 要在很短的時間內(nèi)將幾十噸負(fù)載力矩拖動到額定轉(zhuǎn)速, 是個很大的系統(tǒng)難題。技術(shù)人員利用微積分及熱力學(xué)理論, 驗證出了一套電機起動過程的發(fā)熱與時間計算方法。對電機起動過程進行計算后，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，同時把電機磁密、電密、熱負(fù)荷、起動轉(zhuǎn)矩控制在合理范圍內(nèi)，優(yōu)化通風(fēng)散熱結(jié)構(gòu), 解決了機組系統(tǒng)重載起動的難題。

(3) 解決了大容量電機“發(fā)熱與散熱”的問題。該類電機發(fā)熱在 200～500 kW 左右。如何減少發(fā)熱和擴大散熱是電機研制的關(guān)鍵難題。運用美國 Ansoft電磁分析軟件對電、磁性能進行穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)分析, 并運用美國西屋公司的風(fēng)量及穩(wěn)態(tài)與暫態(tài)溫升計算軟件對電機的熱態(tài)狀況進行分析、優(yōu)化設(shè)計, 完全掌握了大容量電機的“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)大容量電機高扭矩特性的設(shè)計, 滿足大慣量負(fù)載的起動要求。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轉(zhuǎn)矩。結(jié)構(gòu)上從電動機的安全與受力出發(fā), 對轉(zhuǎn)軸的機械強度、軸承承載與壽命、機座鋼度、絕緣電氣強度、轉(zhuǎn)子導(dǎo)條溫度、電機空載和負(fù)載起動時間等進行了多方位的計算。

(5)采用電機強度分析技術(shù)分析起動過程。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, 運用美國 ANSYS結(jié)構(gòu)分析軟件, 對高扭矩特性下定轉(zhuǎn)子的熱應(yīng)力、離心力、磁拉力等復(fù)合應(yīng)力進行分析, 尤其是對導(dǎo)條與端環(huán)焊接部位強度的分析。結(jié)果表明其完全適應(yīng)高扭矩電機起動對結(jié)構(gòu)強度的要求。

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

圖2 電機用風(fēng)扇速度流線圖

圖3 電機用風(fēng)扇靜壓分布云圖

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

2.2 先進性

(1)理念先進：對于交流三相異步電機來說, 本身有一個固有的機械電氣特性: 當(dāng)電機的額定轉(zhuǎn)速低于同步轉(zhuǎn)速時, 電機做電動機運行；當(dāng)電機的額定轉(zhuǎn)速等于同步轉(zhuǎn)速時, 電機不做功；當(dāng)電機的額定轉(zhuǎn)速高于同步轉(zhuǎn)速時,電機做發(fā)電機運行。

(2) 設(shè)計手段先進：該產(chǎn)品采用電機強度分析技術(shù),分析了電機在起動時的熱應(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)焊接部位的強度；采用了彎曲振動模擬系統(tǒng)進行振動分析；運用流場分析, 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) 防護等級高：該系列電機采用箱式結(jié)構(gòu)，端蓋式軸承，內(nèi)外風(fēng)路自成一體，能夠嚴(yán)格達到IP55的防護要求，保證電機內(nèi)部不受外部物資污染，提高了運行穩(wěn)定性和維護周期。防護等級高，有效解決了由于電動機使用現(xiàn)場灰塵多、潮濕帶來的定轉(zhuǎn)子絕緣損傷問題，保證電機連續(xù)可靠運行，減少維護時間、使用壽命長。

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

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

主機與底座、球面滑動軸承與端蓋、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)試和檢修省時省力。

主機與底座之間設(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)場安裝條件和電機結(jié)構(gòu)特點，設(shè)計制造了專用工裝(包括調(diào)整工具和拆檢工具等)，方便用戶現(xiàn)場安裝、維護和檢修。

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

(5) 性能指標(biāo)先進。表1列出了國內(nèi)某電廠首臺套已投產(chǎn)YFKS 900-8 5800kW 10kV異步電動-發(fā)電機設(shè)計值、協(xié)議值、標(biāo)準(zhǔn)值及試驗值。

表1 試驗結(jié)果

從表1可知，效率實測為96.8%(達到國家二級能效),高出技術(shù)協(xié)議 0.5%；功率因數(shù)實測為0.91, 高出技術(shù)協(xié)議0.04；堵轉(zhuǎn)電流倍數(shù)實測為5.7, 低于技術(shù)協(xié)議0.3；堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩倍數(shù)實測為1.1, 高出技術(shù)協(xié)議0.5；最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)實測為2.7, 高出技術(shù)協(xié)議0.9；實測振動值為0.4mm/s, 僅是技術(shù)協(xié)議17.4% ；實測噪聲值與技術(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。某電廠已投產(chǎn)YFKS 900-8 5800kW 10kV電機設(shè)計值、協(xié)議值、標(biāo)準(zhǔn)值及試驗值。

經(jīng)過對比可得出如下結(jié)論: 我公司的異步電動-發(fā)電機性能指標(biāo)優(yōu)于現(xiàn)有國家標(biāo)準(zhǔn)GB /T 13957《大型三相異步電動機基本系列技術(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, 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)場運行及我公司多個規(guī)格試制情況表明：該類電機性能優(yōu)異、振動小、噪聲低、運行穩(wěn)定、可靠性高。同時該產(chǎn)品的研制具備健全的質(zhì)量保證體系。如針對關(guān)鍵工藝完成了先行試驗, 對電機的主體框架材料和焊縫進行了探傷, 電動機設(shè)有常規(guī)定子測溫、軸承測溫、漏水監(jiān)控儀、差動保護、避雷器等，針對異步電動-發(fā)電機存在電動與發(fā)電工況下的切換與運行，相應(yīng)采取了相應(yīng)過壓 、過流、過速等檢測保護裝置,從而可靠保證產(chǎn)品質(zhì)量和運行質(zhì)量。

3 效益分析及推廣應(yīng)用前景

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

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

(3) 社會效益: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”是國家重點扶持的節(jié)能項目。該異步電動-發(fā)電機實現(xiàn)了機組機械能和電能相互平衡的動態(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-發(fā)電機具有投資小、結(jié)構(gòu)簡單、無勵磁、維修方便、可靠性高等優(yōu)勢，且在系統(tǒng)中起到機械能和電能相互平衡的動態(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)能項目用電機，是一個新的發(fā)展方向及經(jīng)濟增長點，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，提升機組系統(tǒng)效率，拓寬電機使用范圍并提高我國高壓電機的生產(chǎn)制造水平。

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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)電氣工程及其自動化專業(yè)，現(xiàn)從事高壓電動機的設(shè)計與開發(fā)等工作.

2016-12-26