概述
所谓的高效电机，从字面上解释，就是效率值高的电机，即有效输出功率比输入功率值高的电机。与标准电机相比，使用高效电机的优点是: ①效率高，节能效果好；②运行时间越长的设备或装置，节能效果越明显，产品的经济性提高；③因为采取了降低损耗的设计，温升小，进而延长设备的使用寿命，提高设备的可靠性；④大大减少对环境的污染。
技术原理
目前，电机节能主要有三种方式：即变频调速节能、采用高效电机节能以及用无功补偿器提高电机功率因数节能。其中变频调速平均可节能30%以上，节能效果显著，同时适用范围广，成为电机节能的主要途径之一。
（1）水轮机：多级节能水轮机（专利号：ZL200820009346.8)
一种轴流式的多级节能水轮机，它是在水轮机壳内的同一根转动轴上依次串连了多个旋转叶轮，在每一个旋转叶轮的前面设置一个固定的整流叶轮来连接水轮机壳和支撑转动轴。它主要通过固定整流叶轮来控制水流的冲击方向、多级旋转叶轮回收水能和充分利用尾管水头的吸力等三种途径来节约能量，从而可以大幅度地提高水轮机的水能转化效率。尤其是在水头与负荷发生变化的条件下，能够更好地保持水轮机运行的稳定性，提高水轮机的平均效率。应用本实用新型的技术原理，还可以制造多级节能蒸汽机及其它流体动力机械。
（2）混流卧式水轮机
是世界上使用最广泛的一种水轮机，由美国工程师弗朗西斯于1849年发明，故又称弗朗西斯水轮机。与轴流转桨式相比，其结构较简单，最高效率也比轴流式的高，但在水头和负荷变化大时，平均效率比轴流转桨式的低，这类水轮机的最高效率有的已超过95％。混流式水轮机适用的水头范围很宽，为5～700米，但采用最多的是40～300米。
混流式的转轮一般用低碳钢或低合金钢铸件，或者采用铸焊结构。为提高抗汽蚀和抗泥沙磨损性能，可在易气蚀部位堆焊不锈钢，或采用不锈钢叶片，有时也可整个转轮采用不锈钢。采用铸焊结构能降低成本，并使流道尺寸更精确，流道表面更光滑，有利于提高水轮机的效率，还可以分别用不同材料制造叶片、上冠和下环。
（3）圆筒阀
（4）发电机：离相封闭母线
国内发展和应用现状
我国目前生产和使用的主要为Y(YB)系列和Y2(YB2)系列电动机，二者占了约90％的市场份额。虽然国内有40多家企业生产销售高效节能电动机，但相对数量偏小，仅占10％的市场份额。由于需要采用优质材料，提高工艺加工水平，因此高效电动机的价格约高于普通电动机15％-20％。
2002年我国颁布实施了《中小型三相异步电动机能效限定值及节能评价值》(GB 18613-2002)，2006年修订为《中小型三相异步电动机能效限定值及能效等级》(GB 18613-2006)。该标准规定了三个能效等级，2级是高效标准，1级是超高效标准，2级为强制性最低能效指标，2011年7月1日起开始实施。该标准适用于690 V及以下电压、功率小于315 kW异步电动机。目前对于高压高效节能电动机(6或10 kV电动机)暂无制造和考核标准。
国外发展和应用现状
美国以法律的形式来推广高效节能电动机的应用。1997年实施的“EPACT”法令，强制要求在美国生产(包括进口)、销售和使用的大部分电动机必须符合NEMA标准(一般高效电动机)。1998年美国又制定了NEMA-E标准，效率指标比NEMA标准平均提高2％，但起动性能下降，堵转电流偏大。2001年又制定了超高效电动机NEMA-P(Premium Efficient Motor)标准，电动机的功率范围小于500 hp，效率指标比NEMA标准平均高l％~3％。
欧洲1999年颁布了电动机效率标准协议(CEMEP-EU)，对于容量范围小于90 kW的2极和4极电动机，规定了三档效率指标(eff1、eff2、eff3)，其中eff3为一般电动机，eff2和eff1为高效电动机，详见表2，该协议规定2006年全部淘汰eff3电动机。
日本、澳大利亚、加拿大等国家在20世纪90年代提出了自己高效节能电动机的标准并开始推广应用。
供应商信息
滨州市轻工业机械厂、上海五一电机厂、襄樊市电机厂、国营五三工厂、淄川节能电机厂、长沙电机厂、福建省建宁县电机厂、江苏省建湖县轻工业通用机械厂、淄川鲁星实业公司、山东电力设备厂、上饶变压器厂、枣庄市薛城电器设备厂、江西省物资综合服务公司。
美国通用电机公司
经典案例
小水电站节能增效的好途径———记箐门口二级水电站和漫海水电站技术改造
2水电站概况与机组参数
2. 1水电站概况
箐门口二级水电站和漫海水电站都是低水头径流式电站, 低坝拦河取水, 明渠引水, 采用混流卧式机组。因为没有调节水库, 箐门口二级水电站引水渠的设计过水能力大于机组的过流能力, 且丰水期6～11月份前池有大量弃水。漫海水电站引水渠的设计过水能力较小, 丰水期上级电站的大流量引不过来, 每年枯水期1～5月份的5个多月水量很少, 机组一般在50%以下负荷运行, 水轮机运行效率很低。
2.2水轮发电机组的基本参数
(1)箐门口二级水电站装机2台, 装机容量2 ×400 kW, 水轮机型号为HL123 - WJ - 50, 额定转速n = 750 r /min, 净水头H净= 3012 m。
(2)漫海水电站装机2台, 装机容量2 ×1 000 kW,水轮机型号为HL220 - WJ - 60, 额定转速n =750 r/min,净水头H净=47133m。
3现场调研试验和水电站存在的主要问题
3.1现场试验及运行中主要问题分析
(1)对2座水电站分别进行单机和双机的变负荷试验, 用高精度压力表测水轮机的蜗壳进口压力, 并记录了相应导叶开度、接力器行程、发电机出力、电站前池水位、机组的尾水位, 测量压力表安装高程、机组中心高程, 计算蜗壳进口压力钢管面积和水轮机尾水管出口断面面积等。
(2)利用测量数据分别估算2座电站水轮机的净水头和吸出高程。
(3)绘制水轮机的下列特性曲线: 导叶开度～出力曲线; 导叶开度～蜗壳压力曲线; 导叶开度～尾水位变化曲线。
(4)根据现场试验结果, 并结合水轮机机型特性, 对电站机组实际运行的水力参数和运行状态进行分析, 其结果如下。①箐门口二级水电站机组出力达不到额定出力400 kW, 在导叶开度80%时, 机组最大出力370 kW, 导叶再开大, 机组出力不再随导叶开度的增大而增加。其原因是: ( a)水轮机制造质量差, 有可能导致其运行效率低和过流能力不足; ( b)设备陈旧, 转轮多次检修、叶片变形使水轮机效率下降; ( c)额定工况点的选择未留充分裕量, 在以前的设计中往往把额定工况点选在出力限制线上, 在正常情况下机组可达到额定出力, 但如遇到水头不足、制造质量差等因素的影响,就会产生出力不足。而且这样选择, 水轮机运行效率低, 气蚀性能差, 本电站机组就属这样情况。箐门口水电站丰水期最大负荷运行仍有弃水的时间约为5个多月, 枯水期流量很小, 一般单机运行出力100 kW 左右。②漫海水电站机组,无论是单机或双机运行均可发足额定出力,但由于引水渠过流能力的影响, 即使是丰水期, 上一级电站的大流量来水也不能引到本电站来, 故丰水期即使更换大流量高效转轮, 仍难以大幅度提高出力, 而枯水期1～5月份, 由于来水少, 一般1台机运行单机出力在400～500 kW左右, 少时只有200～300 kW, 机组空载开度约为20%。
3.2水轮机机型落后
箐门口二级水电站及漫海水电站虽然是20世纪末建造, 但选用的机型是HL123 及HL220, 两机型都是原苏联20世纪40～50年代的技术, 其能量、气蚀性能都已落后, 技术应更新换代了。
4水轮机技改的基本思想和新转轮的优化设计
4.1水轮机技改的基本思想
(1)保持电站的引水、压力钢管、尾水系统不变, 不改变水轮机主阀、蜗壳、导水机构、水轮机主轴及发电机, 只重新设计制造、更换水轮机转轮。
(2)箐门口二级水电站只重新设计制造大流量高效转轮, 在丰水期多利用弃水增发电量; 漫海水电站只重新设计制造小流量高效转轮, 在枯水期提高水轮机的运行效率多发电量。
4.2箐门口二级水电站大流量新转轮设计与性能预估
(1)在电站水轮机的基本设计参数下, 新转轮的主要模型参数如下。最优工况: 单位转速n′10 = 68 r/min,单位流量Q′10 = 1120 m3 / s, 效率ηmax = 9312%。设计工况: 单位流量Q ′1 r = 1128 m3 / s, 效率ηrm = 9214% ,气蚀系数σ = 0112。
(2)真机性能预估。在净水头3012 m条件下,单机出力达440 kW, 双机出力达820 kW以上。机组的气蚀、稳定性能优于改造前。
4.3漫海水电站小流量新转轮设计与性能预估
(1)在电站水轮机的基本设计参数下, 新转轮的主要模型参数如下。最优工况: 单位转速n′10 = 65 r/min,单位流量Q′10 = 017 m3 / s, 效率ηmax = 9215%。限制工况: 单位流量Q′13 = 0180 m3 / s, 效率η3 = 90%, 气蚀系数σ =0104。
(2)真机性能预估。真机小流量运行, 净水头H = 47133 m, 真机最大出力750 kW。出力更大时,超出设计运行范围, 水轮机的效率会低于原转轮。
4.4新转轮研制
新转轮模型主要设计参数确定后, 可进行计算机优化设计, 必要时加工出模型转轮, 在高精度模型试验台上做模型试验, 验证经过优化设计的水轮机新转轮的性能。上述2座水电站新转轮设计, 为了节省费用, 只应用成熟的计算机优化设计完成。
新转轮设计完成后, 按国家水轮机通流部件的标准, 严格加工制造, 以保证材料化学及机械性能。新转轮的叶型、进出口角度及其外形尺寸和静平衡等各项指标, 均达到设计图纸和国家标准的要求。
5技改新转轮的运行及效益分析
5.1丰水期大流量新转轮的运行及效益
箐门口二级水电站换装JF3622新转轮以后, 过机流量增加, 效率提高, 机组出力增加, 运行稳定,气蚀噪音小。机组出力从原来370 kW增加到440 kW,最大达460 kW, 据统计双机运行出力从720 kW增加到840 kW, 净增加120 kW, 按丰水期5个月弃水计算, 年增加发电量4312万kW·h。
5.2枯水期小流量高效转轮的运行及效益
漫海水电站枯水期换装1个JF2519新转轮以后,机组效率提高, 出力增大, 发电量增加。当原转轮出力为116, 328, 545 kW 时, 新转轮相应出力增为202, 518, 661 kW, 原转轮空载时, 新转轮出力可达100 kW左右。按新转轮运行一个枯水期统计, 平均出力为620 kW, 比往年旧转轮运行出力的平均值480～500 kW高出140～120 kW, 一个枯水期多发电量26万～30万kW·h, 见表1。
6节能增效新转轮在云南省小水电站的应用前景
箐门口二级水电站与漫海水电站的技术改造, 是2种不同类型的典型改造例证, 前者是设计高效大流量转轮, 充分利用电站弃水, 后者是设计高效小流量转轮, 以提高枯期水能所用效率, 2种典型改造可在一定程度上解决小型水电站径流式开发河流来水流量不能控制与调节问题。这也是目前小水电站开发中普遍存在的问题, 主要原因如下。
(1)一般说来, 水轮机的设计流量是按动能经济分析确定的, 对于径流式电站, 设计流量不是丰水期的大流量, 也不是枯水期的小流量, 因此, 电站在丰水期会有不同程度的弃水, 而枯水期则水流量不足,如果弃水时间长, 或枯水期时间长, 可以引用上述方法, 更充分利用水能。
(2)由于自然环境的变化, 和人为改变河流的流量, 电站设计时河流的水文条件与建成后实际运行水文条件出现较大的差异。这样可能形成电站大量弃水或者水流量不足的情况, 也可用上述方法在一定程度上予以解决。
(3)对于混流式水轮机, 由于其转轮叶片是固定的, 在一定水头条件下, 其流量与效率特性是固定不变的, 不可能在较大的流量变化范围内均高效工作,因此对径流式小型水电站机组, 就会产生河道水量丰富、电站引水能力大而机组过水能力和机组出力受限, 电站前池弃水; 也会出现河道水量少、过机水量太小而水轮机效率过低, 少发电或发不出电量。由于小型卧式混流式水轮机结构简单, 拆装比较方便, 如能更换适用的大流量和小流量高效转轮, 等于大大拓宽了机组的最优运行区, 可以更充分利用水资源发更多电量, 如图1所示。
在云南省已建水电站中, 小型水电站( 5 万kW以下的电站)装机约有1 000万kW, 据粗略估计, 其中径流开发的混流卧式机组超过300万kW, 若换装大流量高效转轮后, 在丰水期可利用弃水多发电10%。如以装机利用小时4 600 h、丰水期发电量占年发电量的85%计算, 年可利用弃水增发丰水电量约1117亿kW·h; 而枯水期发电量估计占年总发电量的15%, 从漫海电站更换小流量转轮增效24%推算, 更换小流量高效转轮年发电量可增加枯水期电量约415亿kW·h, 两项合计年可增加小型水电站发电量约1612亿kW·h, 相当于新增电站装机3512万kW的年发电量。此项技术的推广节能增效的意义重大。
此项节能增发电技术对在建、拟建小水电站都适用。
参考文献
[1] 杨 旭，马素萍，陈 锐，赵兴康.小水电站节能增效的好途径———记箐门口二级水电站和漫海水电站技术改造[J].水利水电技术，2009，40（4）：76-82.
[2] 作者.题名[J].刊名，出版年份，卷号（期号）：起止页码.
[3] 作者.题名[J].刊名，出版年份，卷号（期号）：起止页码.
[4]梁思武.多级节能水轮机[P].中国,实用新型专利，200820009346.8，2009.10.21.
