某泵站主電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)優(yōu)化

某泵站主電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)優(yōu)化摘要：某泵站主電動(dòng)機(jī)初步設(shè)計(jì)選用同步電動(dòng)機(jī)，通過調(diào)研和對(duì)二種電動(dòng)機(jī)優(yōu)缺點(diǎn)的分析比較，認(rèn)為某泵站選用異步電動(dòng)機(jī)，性能滿足運(yùn)行要求，結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠性高，運(yùn)行管理方便，經(jīng)濟(jì)性較好，比原設(shè)計(jì)選擇同步電動(dòng)機(jī)更為合理。并提出了對(duì)泵站主電動(dòng)機(jī)選擇的幾點(diǎn)建議。

關(guān)鍵字：泵站同步電動(dòng)機(jī)異步電動(dòng)機(jī)原設(shè)計(jì)主電動(dòng)機(jī)選擇原設(shè)計(jì)主電動(dòng)機(jī)選用同步電動(dòng)機(jī)的依據(jù)某泵站工程的可行性研究報(bào)告在1992年由水利部上?？睖y設(shè)計(jì)研究院完成，報(bào)告中主電動(dòng)機(jī)選擇的是同步電動(dòng)機(jī)，并在當(dāng)年通過水利部規(guī)劃設(shè)計(jì)總院的審查。上?？睖y設(shè)計(jì)研究院依可行性研究報(bào)告的批復(fù)，完成了初步設(shè)計(jì)。2000年4月水利部規(guī)劃設(shè)計(jì)總院對(duì)初步設(shè)計(jì)進(jìn)行審查，泵站主電動(dòng)機(jī)仍選擇同步電動(dòng)機(jī)。其主要依據(jù)是GB/T50265-97《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》10.4.3條規(guī)定“主電動(dòng)機(jī)的單機(jī)額定容量在630kW及630kW以上時(shí)，宜用同步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行補(bǔ)償?！痹诖艘?guī)范的“條文說明”中對(duì)此作了進(jìn)一步的說明：“由于同步電動(dòng)機(jī)與靜電電容器補(bǔ)償相比有一些明顯的優(yōu)點(diǎn)，如適應(yīng)電網(wǎng)能力強(qiáng)，能進(jìn)行無級(jí)調(diào)節(jié)等，所以在經(jīng)濟(jì)性比較相差不多的情況下，宜優(yōu)先采用同步電動(dòng)機(jī)補(bǔ)償。在這兩條文中推薦單機(jī)容量以630kW為界分別采用兩種補(bǔ)償方式?！币虼松虾？睖y設(shè)計(jì)研究院在某泵站初步設(shè)計(jì)報(bào)告中，對(duì)主電動(dòng)機(jī)選用同步電動(dòng)機(jī)是符合規(guī)范要求的。編制規(guī)范有關(guān)條款時(shí)的歷史背景：該規(guī)范的條款引自原部標(biāo)《泵站技術(shù)規(guī)范》SD204－86（設(shè)計(jì)分冊(cè)），這些條款是根據(jù)當(dāng)時(shí)我國的實(shí)際狀況制定的：電力工業(yè)發(fā)展水平的局限。在六、七十年代，我國電力工業(yè)基礎(chǔ)還是比較薄弱的，電網(wǎng)的容量普遍都比較小，新投入的大型電動(dòng)機(jī)在電網(wǎng)中占的比例相對(duì)比較大,這些電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀況直接影響電網(wǎng)的運(yùn)行質(zhì)量。一些地區(qū)變電所的資金投入不足，設(shè)備陳舊，特別是無功補(bǔ)償能力很差，所以供電部門要求對(duì)系統(tǒng)中大型電動(dòng)機(jī)（一般500kW以上）采用同步電動(dòng)機(jī)，除提高電動(dòng)機(jī)本身的功率因素和運(yùn)行質(zhì)量外，以便在電網(wǎng)需要時(shí)向系統(tǒng)返送無功功率，以提高電網(wǎng)功率因素。對(duì)此供電部門還按返送無功功率的大小進(jìn)行補(bǔ)貼，鼓勵(lì)用戶采用同步電動(dòng)機(jī)。電器工業(yè)制造水平的限制。當(dāng)時(shí)我國補(bǔ)償電容器的制造技術(shù)比較落后，基本是原蘇聯(lián)三、四十年代設(shè)計(jì)的產(chǎn)品，體積大，安全性很差，經(jīng)常發(fā)生爆炸事故。當(dāng)時(shí)規(guī)定電力電容器必須集中布置在有防火措施的房間內(nèi)，并要設(shè)專用的比較昂貴的斷路器。大型電動(dòng)機(jī)的補(bǔ)償容量大，電容器室的面積相應(yīng)就很大，補(bǔ)償電容器的安全性又很差，無論是一次投資還是今后的運(yùn)行費(fèi)用都比較高。因此當(dāng)時(shí)制定這些條文是合理的，也是必要的，在那個(gè)年代，對(duì)泵站的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行起到了一定的指導(dǎo)作用。主電動(dòng)機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)優(yōu)化設(shè)計(jì)的依據(jù)在工程進(jìn)展工程中，我們獲得信息，近年來大型異步電動(dòng)機(jī)在泵站得到了廣泛應(yīng)用，給了我們很大的啟示。工程指揮部組織設(shè)計(jì)人員展開了深入的調(diào)研。調(diào)研發(fā)現(xiàn)：十幾年來電力工業(yè)有了飛速的發(fā)展。不但大城市的電力系統(tǒng)容量成倍地增長，就是一些沿海地區(qū)的農(nóng)村電網(wǎng)系統(tǒng)容量也有較大的增長。大型電動(dòng)機(jī)在電網(wǎng)中占的比例相對(duì)比較小,這些電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀況不會(huì)嚴(yán)重影響電網(wǎng)的運(yùn)行質(zhì)量。一些地區(qū)變電所經(jīng)過改造以后，設(shè)備先進(jìn)，無功補(bǔ)償能力很強(qiáng)。所以供電部門對(duì)系統(tǒng)中的大型電動(dòng)機(jī)，只要電動(dòng)機(jī)母線的功率因素在0.9以上,選擇什么形式的電動(dòng)機(jī)不作嚴(yán)格限制，由用戶自己確定。對(duì)返送無功功率也不再進(jìn)行補(bǔ)貼，為大型電動(dòng)機(jī)選用異步電動(dòng)機(jī)創(chuàng)造了條件.八十年代開始，電動(dòng)機(jī)的就地補(bǔ)償技術(shù)得到廣泛的應(yīng)用和推廣，補(bǔ)償電容器采用分散方式布置，每臺(tái)電動(dòng)機(jī)旁配備一組電容器，這樣補(bǔ)償效果好，還可以取消昂貴的斷路器，既避免了操作上的失誤和斷路器設(shè)備故障帶來的影響，可靠性有了很大的提高，也比較經(jīng)濟(jì)。我國制造的補(bǔ)償電容器技術(shù)有了很大的提高。新型的補(bǔ)償電容器產(chǎn)品，容量大，體積小，并采用防爆和阻燃結(jié)構(gòu)，安全性很好，不需要布置在有防火要求的房間內(nèi)，可就地布置。一些進(jìn)口的著名品牌的補(bǔ)償電容器性能就更好，為異步電動(dòng)機(jī)使用就地補(bǔ)償技術(shù)創(chuàng)造了條件，經(jīng)濟(jì)性也有了進(jìn)一步的提高。二種電動(dòng)機(jī)技術(shù)性能和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的分析從以上調(diào)查的情況可以看出，隨著我國電力和電機(jī)工業(yè)的技術(shù)進(jìn)步，GB/T50265-97《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》所依據(jù)的情況有了很大的變化，《規(guī)范》本身在電動(dòng)機(jī)選擇的條款中使用了“宜用”這兩個(gè)字，允許進(jìn)行選擇，根據(jù)的實(shí)際情況，可以對(duì)主電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。隨后我們對(duì)某泵站使用這二種電動(dòng)機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析比較：技術(shù)性能方面分析比較：功率因數(shù)特性：同步電動(dòng)機(jī)可以通過調(diào)節(jié)勵(lì)磁來調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)，適應(yīng)電網(wǎng)電壓波動(dòng)能力較強(qiáng)，能進(jìn)行無級(jí)調(diào)節(jié)，在負(fù)載和電網(wǎng)電壓變化時(shí)，做到恒功率因素運(yùn)行，補(bǔ)償?shù)馁|(zhì)量高。必要時(shí)可以超前運(yùn)行，向電力系統(tǒng)返送無功功率，以改善電網(wǎng)的運(yùn)行質(zhì)量。而異步電動(dòng)機(jī)的功率因素是無法調(diào)節(jié)的，而且隨著負(fù)載和電網(wǎng)電壓的變化而變化，也不能向電力系統(tǒng)返送無功功率。某泵站的主電動(dòng)機(jī)與水泵通過變速箱連接，采用高速電動(dòng)機(jī)，轉(zhuǎn)速達(dá)1000轉(zhuǎn)/分。如采用異步電動(dòng)機(jī)，其本身的功率因素就比較高，達(dá)0.856，通過少量的電容補(bǔ)償（120kVar）就可以使供電母線端的功率因素達(dá)到供電部門0.9以上的要求。根據(jù)電機(jī)廠提供的資料，在水泵揚(yáng)程范圍內(nèi)，電動(dòng)機(jī)功率應(yīng)在1100kW－1600kW內(nèi)變化，補(bǔ)償后，對(duì)應(yīng)供電母線端的功率因素變化范圍為0.90－0.91，補(bǔ)償?shù)馁|(zhì)量是令人滿意的。某泵站主變壓器采用有載調(diào)壓來調(diào)節(jié)母線電壓，母線電壓相對(duì)比較穩(wěn)定，受電網(wǎng)波動(dòng)影響比較小，因此電網(wǎng)電壓波動(dòng)不會(huì)影響補(bǔ)償效果。向某泵站供電的110kV震澤變電所以前是地區(qū)中心變電所，隨著地區(qū)工業(yè)的發(fā)展，地區(qū)新建220kV中心變電所，震澤變電所降為分支變電所，電網(wǎng)容量比較大，設(shè)備也進(jìn)行了更新改造，電網(wǎng)質(zhì)量有了很大的提高，對(duì)用戶用電設(shè)備的要求也相應(yīng)地降低。當(dāng)?shù)毓╇姴块T吳江供電局同意某泵站主電動(dòng)機(jī)選用異步電動(dòng)機(jī)，只要求電動(dòng)機(jī)母線的功率因素在0.9以上，沒有要求泵站向電力系統(tǒng)返送無功功率，對(duì)返送無功功率也不進(jìn)行補(bǔ)貼。由此可見同步電動(dòng)機(jī)在功率因素特性方面的優(yōu)勢，在本泵站并不明顯。電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速特性：同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速恒定，為同步轉(zhuǎn)速，廣泛用于轉(zhuǎn)速要求恒定的機(jī)械設(shè)備。而異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不恒定，與同步轉(zhuǎn)速有一個(gè)滑差，以低于同步轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)速運(yùn)行，隨著負(fù)載的增加，轉(zhuǎn)速差相應(yīng)增加。水泵對(duì)轉(zhuǎn)速恒定沒有要求，但轉(zhuǎn)速變化太大，將影響出水流量。某泵站異步電動(dòng)機(jī)在額定負(fù)載時(shí)轉(zhuǎn)速最低為994轉(zhuǎn)/分，滑差率為0.6%，對(duì)水泵流量的影響極小，因此兩種電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速特性均滿足要求。電動(dòng)機(jī)效率特性：某泵站主電動(dòng)機(jī)采用同步電動(dòng)機(jī)其本體效率為96.5%，對(duì)應(yīng)異步電動(dòng)機(jī)本體效率為96.0%。但這只是電動(dòng)機(jī)本身的效率，同步電動(dòng)機(jī)要配備勵(lì)磁裝置，勵(lì)磁裝置消耗的功率為40kW，這樣同步電動(dòng)機(jī)＋勵(lì)磁裝置的效率為94％。異步電動(dòng)機(jī)配備的補(bǔ)償電容器，只消耗無功功率，幾乎不消耗有功功率，因此整個(gè)裝置的效率，同步電動(dòng)機(jī)低于異步電動(dòng)機(jī)。電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩特性：同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩受外界電壓和負(fù)荷變化影響小，本泵站采用有載調(diào)壓，電動(dòng)機(jī)母線電壓波動(dòng)范圍很?。槐谜舅坏淖兓秶脖容^小，負(fù)荷變化相對(duì)比較小，水泵對(duì)轉(zhuǎn)矩性能的要求不高，因此兩種電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩特性都能夠滿足泵站機(jī)組正常運(yùn)行的要求，差別不大。電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩特性是一個(gè)非常重要運(yùn)行參數(shù)，同步電機(jī)啟動(dòng)時(shí)是異步啟動(dòng)然后投入勵(lì)磁，牽入同步，所以無論是同步或異步電動(dòng)機(jī)，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩特性是一致的。電機(jī)結(jié)構(gòu)方面分析比較同步電動(dòng)機(jī)配套的電氣設(shè)備、保護(hù)設(shè)備比較復(fù)雜，特別是勵(lì)磁裝置屬復(fù)雜的電子設(shè)備，技術(shù)要求高，容易發(fā)生故障，安裝調(diào)試工作量很大。異步電動(dòng)機(jī)配套電氣設(shè)備僅為電容補(bǔ)償裝置，該裝置比較簡單，工作比較可靠，安裝維護(hù)工作量都很小。同步電動(dòng)機(jī)內(nèi)有滑環(huán)和炭刷，除本身故障外，在運(yùn)行中相互磨擦，磨擦產(chǎn)生的導(dǎo)電碳粉會(huì)吸附在定子和轉(zhuǎn)子上，使其絕緣電阻下降，影響運(yùn)行安全。而異步電動(dòng)機(jī)沒有滑環(huán)和炭刷，也就沒有上述問題。同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子采用線繞結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子線圈的線間絕緣容易發(fā)生故障。而異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子采用銅條鑄造，沒有線圈，故障率極低。盡管近年我國電機(jī)和勵(lì)磁裝置制造水平得到了較大的提高，由于其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，同步電動(dòng)機(jī)發(fā)生故障的概率還是遠(yuǎn)高于異步電動(dòng)機(jī)。運(yùn)行管理方面分析比較：同步電動(dòng)機(jī)配備的勵(lì)磁裝置，其功能是啟動(dòng)時(shí)牽入同步；運(yùn)行中調(diào)節(jié)功率因素，保持同步，防止失步；停機(jī)時(shí)釋放轉(zhuǎn)子能量，進(jìn)行滅磁等等。啟動(dòng)、停機(jī)和運(yùn)行過程比異步電動(dòng)機(jī)復(fù)雜的多，日常運(yùn)行管理也需要配備較高水準(zhǔn)的專業(yè)技術(shù)人員進(jìn)行操作和維護(hù)。異步電動(dòng)機(jī)沒有勵(lì)磁裝置，一般技術(shù)工人都可以進(jìn)行管理和維護(hù)。同步電動(dòng)機(jī)的滑環(huán)和炭刷在運(yùn)行中要產(chǎn)生損耗，運(yùn)行一定的時(shí)間就需要更換。吸附在定子和轉(zhuǎn)子上導(dǎo)電碳粉，也必須定期清理。初步設(shè)計(jì)中某泵站的供水年運(yùn)行小時(shí)數(shù)1700小時(shí)，而且集中在4～10月，屬間歇運(yùn)行。同步電動(dòng)機(jī)的滑環(huán)長時(shí)間不用會(huì)產(chǎn)生氧化層，再次啟動(dòng)前必須對(duì)滑環(huán)進(jìn)行打磨，否則會(huì)引起滑環(huán)和炭刷接觸不良，影響運(yùn)行安全。勵(lì)磁設(shè)備屬電子器件，長時(shí)間不用也容易產(chǎn)生故障，再次啟動(dòng)前必須進(jìn)行檢查和測試，增加了運(yùn)行維護(hù)的工作量。而異步電動(dòng)機(jī)沒有滑環(huán)和炭刷，也沒有勵(lì)磁裝置，操作非常簡單，沒有上述維護(hù)工作，運(yùn)行維護(hù)工作量小。經(jīng)濟(jì)性方面分析比較：同步電動(dòng)機(jī)的造價(jià)比較高，以某泵站為例，同步電動(dòng)機(jī)＋勵(lì)磁裝置詢價(jià)為49.5萬元/每臺(tái)，異步電動(dòng)機(jī)＋補(bǔ)償電容器的詢價(jià)為39萬元/每臺(tái)，約便宜20％。由于某泵站主電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)優(yōu)化是在設(shè)備招標(biāo)以后進(jìn)行，這個(gè)優(yōu)勢并不明顯。選用異步電動(dòng)機(jī)后，站用變壓器從800kVA降至630kVA，取消了勵(lì)磁變壓器室和勵(lì)磁裝置專用的低壓配電屏，簡化了計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的配置，同時(shí)還節(jié)省了較高的勵(lì)磁裝置安裝調(diào)試費(fèi)用。勵(lì)磁裝置運(yùn)行中要耗電，約每臺(tái)40kW，考慮到同步電動(dòng)機(jī)效率比異步電動(dòng)機(jī)效率高0.5％，實(shí)際同步電動(dòng)機(jī)多耗電32kW，按年運(yùn)行600小時(shí)計(jì)算，6臺(tái)機(jī)組每年多耗電115200千瓦小時(shí)。結(jié)論意見根據(jù)上述分析比較，就某泵站的具體情況而言，同步電動(dòng)機(jī)的性能優(yōu)勢并不明顯。相反異步電動(dòng)機(jī)性能滿足運(yùn)行要求，結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，運(yùn)行管理方便，經(jīng)濟(jì)性較好。經(jīng)廣泛征求專家們的意見后認(rèn)為：某泵站主電動(dòng)機(jī)選用異步電動(dòng)機(jī)更為合理。對(duì)泵站主電動(dòng)機(jī)選擇的幾點(diǎn)建議對(duì)規(guī)范有關(guān)條款應(yīng)正確理解科學(xué)在進(jìn)步，技術(shù)在發(fā)展，規(guī)范的制定往往會(huì)滯后，在電氣領(lǐng)域表現(xiàn)就比較明顯。除強(qiáng)制性條款外，尤其是“宜”的條款，應(yīng)理解條文的含義，根據(jù)實(shí)際情況，選擇新工藝、新設(shè)備，對(duì)一些已被實(shí)踐證明切實(shí)可行的新技術(shù)應(yīng)大膽采用。異步電動(dòng)機(jī)適用場合某泵站選用異步電動(dòng)機(jī)是合理的，并不等于其他泵站選用異步電動(dòng)機(jī)就都是合理的，應(yīng)根據(jù)泵站的具體情況來確定，主要從以下幾個(gè)方面：電網(wǎng)的承受能力：當(dāng)?shù)仉娏ο到y(tǒng)的容量和補(bǔ)償能力是否允許選用異步電動(dòng)機(jī)，供電部門是否同意。電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速：異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速越低，功率因素也越低，補(bǔ)償電容容量就比較大，經(jīng)濟(jì)上就可能不合算。電動(dòng)機(jī)的功率：異步電動(dòng)機(jī)的功率越大，補(bǔ)償電容容量按比例增加，如采用同步電動(dòng)機(jī)，勵(lì)磁裝置隨電動(dòng)機(jī)功率的增加，費(fèi)用增加很少，對(duì)于特大型電動(dòng)機(jī)，同步電動(dòng)機(jī)會(huì)比異步電動(dòng)機(jī)更經(jīng)濟(jì)。需要說明的是經(jīng)濟(jì)性應(yīng)將后二點(diǎn)綜合起來評(píng)價(jià)，一般情況下，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速越高，異步電動(dòng)機(jī)的適用功率可以大一點(diǎn)，目前泵站最大異步電動(dòng)機(jī)功率已達(dá)3000kW。電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速越低，則異步電動(dòng)機(jī)的適用功率就會(huì)受到限制。泵站主電動(dòng)機(jī)選擇的多樣性在泵站主電動(dòng)機(jī)選擇中，也可突破必須選擇同一種類電動(dòng)機(jī)的框框，東深工程某泵站就采用異步電動(dòng)機(jī)加同步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行無功補(bǔ)償?shù)姆绞?。該泵站采用大型立式直?lián)機(jī)組，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速比較低，功率達(dá)5000kW，如全部選用異步電動(dòng)機(jī)，補(bǔ)償電容量很大，而且要占用很大的廠房面積，經(jīng)濟(jì)上不合算；如全部選用同步電動(dòng)機(jī)，日常運(yùn)行管理比較復(fù)雜。采用異步電動(dòng)機(jī)加同步電動(dòng)機(jī)后，利用同步電動(dòng)機(jī)的過補(bǔ)償能力來對(duì)異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行補(bǔ)償，取長補(bǔ)短，彌補(bǔ)了各自的不足，也是一種解決問題的方法。這種方式的不足之處是采用兩種電機(jī)，會(huì)給運(yùn)行維護(hù)帶來諸多不便。努力貫徹以人為本的設(shè)計(jì)理念在設(shè)計(jì)理念強(qiáng)調(diào)以人為本的今天，運(yùn)行管理方面的因素在主電動(dòng)機(jī)的選擇中占有越來越重要的位置，異步電動(dòng)機(jī)在這方面的優(yōu)勢是非常明顯的。在工程造價(jià)增加不是很多的情況下，只要電網(wǎng)允許，應(yīng)優(yōu)先采用異步電動(dòng)機(jī)和就地補(bǔ)償技術(shù)。結(jié)束語主電動(dòng)機(jī)是泵站