发电厂电动机国内外参数比较及高压电机选型的探讨

杨军宝, 李　祥, 王恒祥, 周　飞

(1.皖能铜陵发电有限公司,安徽 铜陵　244012; 2.安徽省皖能股份有限公司,

安徽 合肥　230001; 3.国网新疆电力公司巴州供电公司, 新疆 库尔勒　841000)



发电厂电动机国内外参数比较及高压电机选型的探讨

杨军宝1, 李祥2, 王恒祥1, 周飞3

(1.皖能铜陵发电有限公司,安徽 铜陵244012; 2.安徽省皖能股份有限公司,

安徽 合肥230001; 3.国网新疆电力公司巴州供电公司, 新疆 库尔勒841000)

摘要:针对电动机的美国标准ANSI与国家标准存在的差异,讨论了电动机电压变化范围、服务系数、额定功率、外壳防护等级、冷却方式,以及轴承和润滑油系统等选择上两者的不同点,并对高效节能高压电机选型作了描述,提供了高压电动机选择的一些相关技术参数.

关键词：电动机; 技术参数; 选型

厂用电动机是重要的电气设备之一,其技术性能和制造质量的好坏,直接影响到机组的安全运行.20世纪80年代初,美国专门制定了用于发电厂的多相感应电动机标准(ANSI C50.41—1977),[1]而我国对于电动机主要采用IEC标准.在引进美国电动机(如从美国西屋公司引进大型箱式电机制造技术)时,结合对美国标准的分析,根据具体工程中某些技术要求做出调整.但由于存在对美国标准理解上的偏差,往往造成在对美国标准引用过程中出现差错.因此,正确理解美国标准和我国标准之间的差异对于从美国进口合适的电动机具有重要意义.

本文重点对高压厂用电动机选择上的若干问题,以及对ANSI标准中某些要求进行分析和讨论,为选择电动机相关的技术参数提供了参考.

1电动机的电压和频率变化范围

众所周知,厂用机械设备中绝大多数为泵和风机,即厂用负荷中多数是电动机.正常运行时厂用母线电压允许的变化范围主要取决于电动机允许的电压波动范围,按照这一要求,《火力发电厂厂用电设计技术规定》[2]规定正常运行时厂用母线电压变化范围必须满足±5%以内;并推荐单元厂变阻抗不宜超过10.5%(以低压绕组额定容量为基准值),否则一般要采用有载调压变压器,以满足电压调整要求.不难看出,电动机允许的电压波动范围,直接影响到变压器电压调整计算、阻抗选择、断路器开断电流选择、电缆最小热稳定截面的选择,以及是否需要选用有载调压变压器.国外设计中,一般将改变厂用变压器阻抗作为优化整个厂用系统性能的主要手段.因此,国外变压器的阻抗按用户要求确定.美国标准ANSI与我国国家标准GB 755—2000[3]在电动机电压和频率变化范围上的差异,如表1所示.

表1　美国标准ANSI与我国国家标准GB 755—2000

由表1可以看出,美国标准ANSI与我国国家标准GB 755—2000在电动机电压和频率变化范围上存在很大差异.在美国标准下,在具体工程中如果变压器阻抗选用10.5%,必须选择高一级开断电流的断路器,如由40 kA增大为50 kA,此时建议选用电压波动范围为±10%的电动机,则厂用母线电压允许变化范围为±10%.当大容量机组装设发电机出口断路器后,如果厂用母线电压允许变化范围为±10%,某些电网电压比较稳定的地区,在发电厂主变高压侧(如500kV)母线正常运行电压范围内,主变或单元厂变也不一定需要采用有载调压变压器.因此,合理选择和确定电动机和厂用母线电压允许变化范围,通过优化厂变阻抗,往往能取得良好的技术经济效果.

事实上,从国外引进的机组和工程,如平圩电厂(2×600 MW)、石洞口第二电厂(2×600 MW)、北仑港电厂(5×600 MW)、扬州第二发电厂(2×600 MW)、外高桥电厂二期(2×900 MW)等工程,中压厂用电动机均按美国标准考虑,其允许电压波动范围为±10%,厂用母线电压允许变化范围为±10%,厂变阻抗较大,中压厂用电系统可选用比较轻型的断路器.

2服务系数

服务系数(SF)是指按规定条件,与电动机额定功率相乘的系数,两者的乘积为电动机的服务系数功率.服务系数有1.0和1.15两种.SF=1.0表示电动机的服务系数功率为额定功率,SF=1.15表示电动机的服务系数功率为1.15倍额定功率.运行在1.15服务系数、额定电压、额定频率时,其电动机定子绕组的温升可提高10 K,而其效率、功率因数和转速可不同于额定功率时的值.

以一台吸风机为例,选用SF=1.15的电动机,意味着1.15倍电动机额定功率时才能与该风机的试验台负荷相匹配;同理,对输煤皮带选用SF=1.15的电动机,意味着1.15 倍电动机额定功率时才能与该输煤皮带的过负荷工况相匹配.换句话说,吸风机电动机额定功率如按试验台负荷选用SF=1.0电动机,其额定功率要比选用SF=1.15的电动机额定功率大一级.这也是目前工程设计中,引用服务系数时容易混淆的地方.

美国设计电厂的策略是,厂用电动机原则上选用服务系数为1.0的电动机.仅当技术上具有某些明显优点时,才考虑采用1.15服务系数的电动机.

3额定功率

电动机额定功率[4]一般按机械所需轴功率乘以某些系数来确定的,其计算公式为:

式中:Pe——电动机额定功率,kW;

Pg——机械需要轴功率,kW;

K——机械的储备系数;

Kt——温度修正系数;

Kh——海拔修正系数.

储备系数的具体数值视机械类型而异.如凝结水泵为1.2,吸风机为1.26,送风机为1.15,排粉机为1.3,输煤皮带机为1.2等.

必须指出,该计算方法是建立在成熟配套经验基础上的,因计算中未反应出机械阻力矩特性的差异和电动机结构型式的影响.额定功率相同的电动机,结构型式不同(如单鼠笼、双鼠笼、深槽型),其转矩特性差异较大,驱动能力也不相同.计算方法简单,但最终选择效果不一定好.运行中往往潜伏着起动时间过长、起动温升过高等不安全隐患.

然而,从国外设计和引进工程中可以看到,美国和欧洲某些设计公司的电动机采购规范书中,没有提及储备系数,但明确提出:

(1) 电动机承包商应按被驱动设备(如泵和风机)的机械阻力矩特性曲线,进行电力拖动计算,以证实电动机能成功地起动驱动设备,并能在额定功率下持续运行.该计算书要提供业主审查和确认;

(2) 在电动机采购规范书中,应规定工艺系统上“电动机-驱动设备”(如泵组、风机组)允许的起动时间;规定电动机最低起动端电压标幺值,如80%;规定最大堵转电流倍数,如6.5倍;

(3) 应满足使用环境条件(如温度、海拔高度、污染等)要求.

显然,国外选择电动机额定功率的方法比较科学和严谨,综合考虑了被驱动设备机械阻力矩和电动机转矩特性上的差异.

4外壳防护等级和冷却方式

我国电动机外壳防护等级的代号由表征字母“IP”及附加在后面的两个表征数字组成.第1位和第2位数字则分别表示第1种和第2种防护的各个等级.第1位防护表示防止人体触及或接近壳内带电部分和触及壳内转动部件(光滑的旋转轴和类似部件除外),以及防止固体异物进入电机.第2种防护表示防止由于电机进水而引起的有害影响.气候防护型电机可用表征字母“IPW”表示,并注明户外使用和是否需要遮阳、防喷水、防沙、防海水、防酸涂层、加强密封、防盐污等附加措施,这取决于电动机具体的使用场合.对于有爆炸危险的场所,应选用防爆型电机.户外使用的电机外壳防护等级,一般采用IPW-44及以上,室内使用的电机外壳防护等级,可按使用环境选择,如:汽机房采用IP-23;锅炉房采用IP-44;输煤、磨煤、给煤机采用IP54.

美国火电厂中,电动机的外壳防护等级的选择一般为:户内采用防滴式WPⅡ型,户外采用气候防护WPⅠ型.WPⅡ型的价格明显高于WPⅠ型.WPⅡ型与WPⅠ型的主要差别是,前者装设空气过滤器或滤网.因电动机定子绕组采用真空压力浸渍工艺(简称“VPI工艺”)和密封绝缘系统,已对绕组提供了足够的保护,故一般不采用WPⅡ型,仅在大风地区或颗粒有可能进入WPⅠ型外壳的场所使用.输煤设备的电动机,不管是室内还是户外,均采用全封闭自扇风冷(Totally-Enclosed Fan-Cooled,TEFC)防尘、防引燃型电动机.全封闭自扇风冷、防尘、防引燃型电动机的外壳防护等级,相当于IP-54,但应同时规定其外壳温度不超过150 ℃.

气候防护型电动机实际上是一种开启式电动机,其外壳防护等级一般采用IPW-24.附加防护要求为:因大风或暴风而进入电动机的高速空气和气载颗粒,不应进入直接导向电动机本身带电部件的内通风道.进入电动机带电部件的正常通风道,应用挡板或独立的空腔,进风至少有3次不小于90°的转弯,出风有2次不小于90°的转弯.此外,冷空气进风通道内,应设置一个不大于3 m/s的低速区,以便使带入的尘粒沉降.大、中型箱式结构电动机的气候防护要求,通常由装在电机顶部的外罩来满足.对装有过滤器的气候防护型电动机,因过滤器有较大风阻,长期使用还可能出现阻塞等情况,电动机温升有可能比不装过滤器的电动机高,故其温升限值由制造厂与用户协商确定.

电动机的冷却方式一般采用自扇风冷(俗称“风冷”),运行维护比较简单.当使用场所不能获得低温入口冷却空气或排出热空气困难时,可以采用开口的管道通风、全封闭管道通风、全封闭水-空冷却等.选用水-空冷却方式,虽然能减小电机的机座尺寸和提高效率,但涉及到冷却水量、运行维护和业主喜好等问题,需通过全面的技术、经济比较后确定.一般容量特别大的电动机,如电动给水泵,才采用全封闭水-空冷却.例如,外高桥电厂二期(2×900 MW)工程中,锅炉岛由德国ALSTOM公司提供,露天锅炉,磨煤机电动机为空冷IP-54,引风机、送风机和一次风机电动机均为户外型水-空冷却IPW-55,但其容量均超过3 200 kW.铜陵电厂六期(1×1 000 MW)工程中,露天锅炉,引风机、送风机、一次风机和循泵电动机均为户外IPW-55,循泵电动机顶部装设防雨棚.吴泾电厂八期(2×600 MW)工程中,露天锅炉,引风机、送风机和一次风机电动机均为户外空冷IPW-54,引风机电动机顶部装设防雨棚.

5轴承及润滑油系统

厂用电动机轴承有滚动轴承和滑动轴承两大类.滚动轴承不需要专门的润滑油系统,具有润滑油或润滑脂注入装置,以便在不拆装电动机的情况下,可通过轴承座灌注润滑剂.滚动轴承的使用寿命较短(10 000 h以上),不到2年就需要更换轴承.滑动轴承的初投资较大 ,在合适的润滑条件下,其使用寿命较长.滑动轴承损耗较大,会使电动机的效率相应降低.当电动机的驱动机械设备具有润滑油站、且电动机需要压力润滑油时,两者应尽量公用润滑油站,电动机不另设润滑油站,以简化系统、减少辅助设备.但不能采用由调节风机动叶的调节油系统向电动机提供润滑油.

发电厂内中压电动机的轴承型式,与驱动机械和电动机的结构型式、额定功率、转速和业主的使用经验等因素有关.通常,容量小于1 100 kW的卧式电动机采用滚动轴承;更大容量的卧式电动机采用滑动轴承;高转速立式电动机采用滚动轴承,不承受外加轴向负荷;低转速立式电动机采用滑动轴承,可以承受外加轴向负荷.发电厂内使用滚动轴承的电动机功率有扩大的趋势,有的滚动轴承也能承受轴向负荷.

6高效电机的选择

新一代高效节能电机产品,可与普通Y系列高压三相异步电动机互换,提高企业的运行效益,节能减排.该系列电动机执行标准均与普通Y系列高压三相异步电动机相同.功率等级和安装尺寸及公差符合我国国家标准GB 755—2008《旋转电机 定额和性能》、国际电工委员会标准IEC34-1《旋转电机 定额和性能》、GB/T 13957—2008《大型三相异步电动机基本系列技术条件》及机械行业标准JB /T 10315.1—2002 《YKS、YKS-W、YQF系列高压三相异步电动机技术条件(机座号355~630)》、JB/T 10315.2—2002 《YKK、YKK-W系列高压三相异步电动机技术条件(机座号355~630)》等.电气性能方面由于在原标准基础上损耗降低了20%,从而电机效率值均有不同程度的提高,其他电气性能符合原标准要求.主要特点如下.

(1) 优化的电磁设计该系列电动机应用了有限元方法分析电磁性能、发热及机械应力和变形并进行了电磁优化设计,对尺寸、气隙、槽配合及槽形进行了全面优化,电机的尺寸达到合理的匹配,电机的性能达到最佳.

(2) 低谐波绕组该系列电动机采用低谐波绕组,降低电机的定子铜耗和杂散损耗,提高电机的运行效率.

(3) 高强度磁性槽楔采用高强度磁性槽楔,稳定的槽楔紧固工艺和材料,成功地解决了磁性槽楔脱落的问题,提高了电机的电气性能(H710及以上仍采用非磁性槽楔).

(4) 优化的通风冷却系统采用后倾离心式风扇、轴流风扇等,优化电机内、外通风系统,提高冷却效果和电机效率,降低电机(特别是高速电机)的通风损耗和通风噪声.

(5) 优化的绝缘系统该系列电动机采用各种性能全面提升的绝缘系统,电压特性、温度特性、弯曲强度、击穿电压试验、热老化电老化试验均表明该系列绝缘系统达一流水平.该系列电机采用优质云母带和环保浸渍树脂,并在数控绕线机、涨型机及包带机上完成线圈制作的每道工序,最后经真空压力浸渍工艺(Vacuum Pressure Impregnating,VPI)处理.因此,绝缘性能可靠,机械强度好,防潮能力强.

(6) 高效率该系列电动机的效率在JB/T7593,JB/T10315.1,JB/T10315.2,GB/T13957的效率基础上降低损耗20%,达到IE2高效电机要求,为真正意义上的高效电机,可大幅度提高客户的运行效益,能为用户节电20%以上,为国家节能惠民工程产品.

7结语

发电厂厂用电动机使用面广、数量多,且涉及到各个工艺系统的安全生产.发电厂厂用电动机的合理选择,对机组和整个电厂的安全经济运行至关重要.本文通过介绍发电厂用的电动机类型和适用场合,额定技术参数的定义,电动机电压变化范围、服务系数、额定功率、外壳防护等级和冷却方式,以及轴承和润滑油系统等,分析了美国标准下的参数和我国标准参数之间的区别,这为今后电动机的选择提供了参考.

参考文献：

[1]American national standards institute.ANSI C50.41—1977 Polyphase induction motors for power generating stations[S].New York:Institute of Electrical and Electronics Engineers,1977.

[2]国家电力公司华东电力设计院.DL/T 5153—2014 火力发电厂厂用电设计技术规定[S].北京:中国电力出版社,2015:20-35.

[3]全国旋转电机标准化技术委员会. GB 755—2000 旋转电机-定额和性能[S].北京:中国电力出版社,2000:102-105.

[4]高亮,江玉蓉,杨军宝,等.超超临界火电机组培训系列教材 电气分册[M].北京:中国电力出版社,2013:36-82.

[5]上海电器科学研究所.GB 4942.1—2001 电机外壳防护等级[S].北京:中国电力出版社,2001:5-15.

(编辑桂金星)

Comparison of Electric Motor Panameters in China′s and Foreign Power Plants and Discussion of High Voltage Motor Selection

YANG Junbao1, LI Xiang2, WANG Hengxiang1, ZHOU Fei3

(1.Wenergy Tongling Power Plant,Tongling244012, China; 2.Wenergy Company Ltd., of Anhui Province,

Hefei230001, China; 3.State Grid Xinjiang Bazhou Power Supply Company,Korla841000, China)

Abstract:In view of the difference between the American Standard ANSI and the national standard,the different points of the motor voltage variation range,service factor,rated power,shell protection grade and cooling mode and the selection of the bearing and the lubricating oil system are discussed.On this basis,the high efficiency and energy saving and high voltage motor type selection are described,which provides some relevant technical parameters for high voltage motor selection.

Key words:motor; technical parameters; selection

中图分类号：TM32

文献标志码：A

文章编号：1006-4729(2015)06-0533-04

通讯作者简介：杨军宝(1980-),男,工程师,安徽芜湖人.主要研究方向为发电厂电气技术及火力发电厂基建管理.E-mail:tlpoweryjb@163.com.

收稿日期：2015-05-28

DOI：10.3969/j.issn.1006-4729.2015.06.007