火电厂大型电动机在节能运行中安全性的研究

赵克斌

摘要：大型电动机在机组低负荷辅机优化节能运行和变频调速运行中容易发生故障，研究风险管控措施有助于大型电动机设备的安全可靠运行。因此本文对其进行了探讨，以供参阅。

关键词：电动机；节能运行；安全性

1在机组低负荷辅机优化运行中的安全性

1.1低负荷辅机优化运行的节能效果

案例1：A厂为4×600MW直接空冷机组，单台机组给水泵是按照50%容量3台配置，全厂共12台。给水泵电动机的额定功率为11000kW，额定电压10kV，额定转速1491r/min，S1连续工作制。自2018年给水泵转入运行优化方式，即机组高负荷期间2台运行，低负荷期间单台运行，节电效果显著，如2019年机组负荷率为75.2%，单台机组的给水泵全年节电约538.25万kWh，按上网电价0.34元计算约为183万元。

案例2：B厂为2×600MW直接空冷机组。单台机组给水泵是按35%容量3台运行配置，全厂6台。给水泵电动机的额定功率为9000kW，额定电压10kV，额定转速1493r/min，S1连续工作制。2019年投产后给水泵则为运行优化方案，即机组负荷200-400MW时2台运行，400MW以上3台运行。该厂每天19：00-24：00进入低负荷期，早晨7：00-9：00机组负荷上升。每晚停运1台给水泵按6小时计算，全年单台机组给水泵节电约为267.4万kWh，按上网电价0.34元计算，年节电费用约为91万元。

1.2优化运行对大型电动机的安全风险

全电压直接起动是火力发电厂辅机系统中泵、风机的最常用起动方式，具有起动时间短、直接起停、造价低等优点。然而全压直接起动的起动电流一般为额定电流4-7倍，甚至可达10倍，起动电动力是正常运行的36倍左右，随着机组负荷变化频繁启停，每次起动都会使端部绕组振动位移，给端部固定和绝缘带来冲击磨损，削弱绕组端部的整体性。

A厂故障案例：给水泵电动机烧损5台次，经检查电动机的绕组间适形绳有松脱活动现象，线圈间隙不等，绑环部位及鼻端连线绑绳松动，且有较重的磨损情况。1A给水泵电动机烧损前启停130次；1C给水泵电动机烧损前启停194次；2C给水泵电动机烧损前启停165次；3B给水泵电动机烧损前启停113次。

B厂故障案例：给水泵电动机烧损2台次，烧损修复期间限制了机组的发电负荷，机组的安全得不到保障。两台电动机都是电动机出槽口处下层线圈放电烧损，驱动端端部绑环支架多处根部有裂纹，自由端端部绑环支架多处根部有裂纹，端部固定绑绳大面积松动。1A给水泵电动机烧损前启停126次，2A给水泵电动机烧损前启停133次。

1.3风险管控措施

在订货时应明确该电动机所属系统运行工况及运行方式中的特殊要求，包括年启停次数、启停周期等，制造厂应加强电动机的端部过线和引线焊接工艺、端部绑扎固定工艺，满足工艺制造要求。在全压直接启动方式下，应正确评估大型电动机运行安全与节能运行的关系，并尽量减少启停操作。大型电动机在大、小修时，应对暴露出的绝缘和固定等工艺异常及时采取修理措施，否则会对电动机的运行寿命构成严重威胁。对于整体性较差，绑扎固定单薄，运行中出现大面积松动磨损的大型电动机，应采取返厂加固治理，通过采用大直径涤玻绳、间隔块支撑、增强径向和切向固定等绑扎工艺，以及实施VPI整体工艺浸漆，进一步降低在起动电动力的冲击下产生有害的变形位移和振动磨损风险。大型电动机在低负荷优化运行中，应尽量避免全压直接起动方式，避免端部绕组的冲击磨损。可以应用无级调节软启动技术替代全压直接启动方式，从而有效减小对电动机的起动冲击和引起的电压降问题。

2在变频器调速运行中的安全性

2.1在变频器调速运行中的节能效果

调研案例1：C厂#2机组660MW，配备3台电动给水泵，A泵和C泵改造后的电动机型号为SYBKS900-4M，额定功率为12500kW，采用高压矢量控制变频器调速驱动。在机组不同负荷下给水泵功率的平均节电率为33.01%，其中机组453.13MW下，节电率为36.63%；机组523.32MW下，节电率为32.35%；机组601.11MW下，节电率为25.81%；机组659.41MW下，节电率为22.32%。预期年节能量为17659tce。

调研案例2：D厂#7机组330MW，配置A、B侧两台一次风机。一次风机的电动机型号为YKK450-4，额定功率为710kW／6kV，2020年对两台风机电动机进行1250kVA高压变频器驱动改造，改造后在机组180MW工况下，A、B侧一次风机电动机工频运行耗电322kW/h、342kW/h，变频运行耗电197kW/h、206kW/h，节电率平均39.3%。按照该机组2020年运行利用小时数3125h和上网电价0.4元计算，预期年节电费用约32万元。

2.2对电动机的安全风险

以下仅介绍2起案例：

E厂#4机组的凝结水泵流量1917.8t/h，扬程371.3m，转速1480r/min。电动机型号YBPLKS710-4，额定功率2600KW，额定电压10kV。41凝泵自2019年投产后电机顶部在变频工况下振动超标，2020年初进行随机组大修双泵均进行解体检修并抽掉一级叶轮。大修后在变频工况下振动值依旧超标，振动区间在30-44Hz，最大振动值超过300μm，只能锁定在45Hz及以上运行。经分析主要是由于电机低频振动和结构共振引起的，采用变频工作，泵转速较低时，接近共振频率，振动放大。后续进行精细动平衡后消除振动超标情况。

F厂#5机组A、B引风机型号AN35e6，静叶调节轴流式。电动机型号为YKS900-8，额定功率5000kW，额定电压6kV，额定转速746r/min。变频驱动改造历时2年多，于2019年1月28日变频器累计运行150h发生了电动机驱动端断轴事件。经分析转轴断裂是由于其轴肩倒角过小，导致该处应力集中加剧且使轴系的扭转疲劳极限降低，轴系运行频率与轴系的固有频率接近引起扭振放大现象，使轴系承受巨大的交变应力，裂纹持续扩展，承载面积持续减小，最终造成轴断裂。

2.3风险管控措施研究

在变频调速设计时，宜通过建模仿真对改造后的轴系安全性产生影响进行分析评价。建模仿真可包括固有特性计算、工况仿真、轴系计算等深入研究与论证工作。尤其是应认真核算整个轴系固有共振频率；在变频运行后轴系的固有共振频率应躲开设备正常运行的频率范围，如不满足要求时还应进一步采取控制策略。在变频器选型中应将谐波问题放到首位，选用谐波干扰最低、电磁兼容技术更强的工业型变频器产品，并积极采取谐波控制手段。我国变频器标准规定：变频器的电压畸变率应小于10%，任何奇次谐波均不超过5%，任何偶次谐波均不超过2%。大型电动机及转机设备在变频运行下，轴系联轴器应采用抗高频性能好的产品。电动机设备在变频器运行中，电缆过长会造成电机得到的动力容量降低而出力不足，同时电缆越长，会使变频器输出的电压波形中高次谐波越大，也将造成电机绕组发热，产生震动和噪音，加速绝缘老化损坏。因此，变频器设备安装改造时应注意避免变频器与电动机间的动力连接电缆过长产生安全影响。

3结束语

发电厂的安全生产是重中之重，辅机电动机设备只有在满足安全生产要求的基础上，才能为节能运行提供有利条件。因此应针对具体的故障情况制定出有针对性的管控措施，才能提升节能运行中系统设备的安全可靠性。

参考文献

[1]赵长敬.电气控制系统中电动机的节能保护[J].中国金属通报，2019(8):247-248.

[2]赵宁宁.大功率高压电动机节能改造实施[J].自动化博览，2019(11):72-75.