秦淮新河泵站臥式電動機冷卻方式研究與改造

劉雪芹，梁云輝，孫 勇，蔣 濤

(1.江蘇省水利勘測設(shè)計研究院有限公司，江蘇 揚州 225217；2.江蘇省秦淮河水利工程管理處，江蘇 南京 210022)

秦淮新河泵站位于南京市雨花區(qū)天后村秦淮新河入江口處，具有防洪、排澇、灌溉和引水、改善水環(huán)境等多種功能。泵站于1982年6月建成，2002年進行加固改造。泵站設(shè)計流量50m3/s，安裝5臺1700ZWSQ10-2.5雙向臥式軸流泵，配Y500- 6臥式異步電動機，采用B2SH11齒輪箱傳動，電動機額定功率為630kW。

秦淮新河泵站由于其特殊的結(jié)構(gòu)型式以及現(xiàn)有機組設(shè)備，運行時廠房噪音達90dB以上，噪音源主要來自主電機及其散熱風(fēng)機。在夏季高溫期間，電機運行時定子繞組溫度達100℃以上，極易發(fā)生線圈絕緣破壞造成事故停機，需對電機冷卻方式進行研究，并對其進行適當改造，以降低電機運行溫度和噪音，使機組在較優(yōu)工況下運行。

1 臥式電機冷卻方式

臥式電機的冷卻主要包括軸承冷卻和定、轉(zhuǎn)子冷卻兩部分[1]。其中臥式電機驅(qū)動端和端部的滾動軸承采用潤滑脂潤滑，自冷卻方式冷卻[2]，只需根據(jù)電機運行情況定期補充或更換潤滑脂即可。然而電機在運行過程中，定、轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的銅耗、鐵耗等各種損耗導(dǎo)致的電機溫升，不僅加速線圈絕緣老化，直接影響電機使用壽命和安全可靠性，而且會增大繞組阻值，大大降低電機效率[3]。因此臥式電機的冷卻主要是定、轉(zhuǎn)子冷卻。

電機冷卻方式主要有管道強迫通風(fēng)冷卻、空-空冷卻及空-水冷卻等幾種冷卻方式[4]。強迫通風(fēng)冷卻方式是以空氣作為冷卻介質(zhì)，采用風(fēng)扇強迫電機內(nèi)部空氣流動進行熱交換，受環(huán)境條件制約，冷卻效果較差，一般適用于小型電機。大型交流電機大都采用空-空冷卻或空-水冷卻，兩種冷卻方式均是通過換熱器進行熱量交換，它們的熱流循環(huán)相似，都是利用裝設(shè)于電機軸上的風(fēng)扇強制冷空氣流過電機轉(zhuǎn)子支架、風(fēng)溝、空氣間隙，以及流經(jīng)定子風(fēng)溝，冷空氣吸收熱量后成為熱空氣，然后匯集到機座外壁進入外部冷卻器，通過冷卻器冷卻后的冷空氣重新進入電機內(nèi)，如此循環(huán)進行熱交換[5]。但是，兩種冷卻方式的冷流介質(zhì)和循環(huán)方式不同，空-空冷卻方式是以空氣作為冷卻介質(zhì)，冷卻器中的冷卻管吸收電機內(nèi)循環(huán)風(fēng)中的熱量，由風(fēng)扇吹入冷卻管的冷空氣帶走熱量；空-水冷卻方式是以水作為冷卻介質(zhì)，冷卻器中的冷卻管吸收電機內(nèi)循環(huán)風(fēng)中的熱量，由通入冷卻管中的冷卻水帶走熱量[6- 7]。

空-空冷卻和空-水冷卻有各自特點。相比較而言，對相同的換熱器，空-空冷卻的換熱系數(shù)要遠小于空-水冷卻，且空-空冷卻的冷流介質(zhì)還取決于環(huán)境溫度，特別是環(huán)境溫度較高的夏季，冷卻效果較差。另外，空-空冷卻以空氣作為冷流介質(zhì)，需要設(shè)置一套以風(fēng)機驅(qū)動的風(fēng)道系統(tǒng)，實踐表明，風(fēng)機的噪聲較大，已成為泵站的主要噪聲源。為確保泵站安全可靠運行，且考慮到秦淮新河泵站位于市區(qū)的降噪要求，秦淮新河泵站臥式電機的冷卻方式宜采用空-水冷卻方式[8]。臥式電機空-水冷卻方式原理圖如圖1所示。

圖1 臥式電機空-水冷卻方式

2 冷卻器選型

根據(jù)秦淮新河泵站機組布置型式，冷卻器采用安裝于臥式電機頂部的背包臥式空-水冷卻器。背包臥式空-水冷卻器有4種結(jié)構(gòu)型式：①背包冷卻器不裝設(shè)風(fēng)機，空氣動力由電機自帶風(fēng)扇實現(xiàn)，通風(fēng)型式為徑向通風(fēng)。②背包冷卻器不裝設(shè)風(fēng)機，空氣動力由電機自帶風(fēng)扇實現(xiàn)，通風(fēng)型式為軸向通風(fēng)。③電機不自帶風(fēng)扇，空氣動力由背包冷卻器裝設(shè)風(fēng)機實現(xiàn)，通風(fēng)型式為徑向通風(fēng)。④電機不自帶風(fēng)扇，空氣動力由背包冷卻器裝設(shè)風(fēng)機實現(xiàn)，通風(fēng)型式為軸向通風(fēng)[3]。上述型式中，型式①和型式③為徑向通風(fēng)，型式②和型式④為軸向通風(fēng)。

秦淮新河泵站原電機采用管道強迫通風(fēng)冷卻方式，電機轉(zhuǎn)子自帶風(fēng)扇，頂部設(shè)有進出風(fēng)口，為軸向通風(fēng)型式。在采用空-水冷卻器方案進行改造中[9]，仍保留原有的軸向通風(fēng)型式，因此可選用型式②和型式④。為了進一步優(yōu)選，現(xiàn)就其優(yōu)缺點進性分析如下：

型式②：冷卻器不裝設(shè)風(fēng)機，電機轉(zhuǎn)子自帶風(fēng)扇使內(nèi)部空氣循環(huán)流動，滿足換熱要求，雖比型式④制造成本高，但考慮泵站運行的長期效益及運行人員的工作環(huán)境，機組運行時沒有噪音源疊加，這對于降低噪音是有益的。

型式④：冷卻器自帶風(fēng)機，即采用強制通風(fēng)的箱體，其換熱系數(shù)比型式②約大1倍，相應(yīng)冷卻器所需換熱面積小1倍，換熱管數(shù)量少1倍，冷卻器外形尺寸減小，制造成本降低，但冷卻器用水量沒有變化，且自帶風(fēng)機會產(chǎn)生噪音。

綜上所述，秦淮新河泵站電機冷卻器應(yīng)選用型式②。

3 空-水冷卻器計算

3.1 冷卻器額定功率

冷卻器的換熱功率為電機的發(fā)熱功率[10]，根據(jù)電機制造廠提供的參數(shù)，電機效率為93.6%，其發(fā)熱功率為：

(1)

式中，η—效率;PN—額定功率。

電機需散熱功率為42.8kW，對冷卻器設(shè)計應(yīng)留有15%的換熱裕量，取50kW。

3.2 熱平衡計算

(1)設(shè)計參數(shù)

換熱功率P=50kW，電機內(nèi)空氣溫度ti1≤55℃，電機內(nèi)空氣流量Qi=11000m3/h，冷卻器水流量Qo=15m3/h，冷卻器進水溫度to1≤33℃。

(2)溫度計算

空氣出口溫度ti2：

(2)

式中，ti1—空氣進口溫度(55℃)；ρi—空氣的密度(1.06kg/m3)；Cpi—空氣的比熱容(1.005kJ/kg×℃)。

出水口溫度to2：

(3)

式中，to1—冷卻器進水溫度(33℃)；ρ0—水的密度(993.5kg/m3)；Cpo—水的比熱容(4.186kJ/kg·℃)

對數(shù)平均溫度：

(4)

(3)換熱面積計算[11]

根據(jù)冷卻器制造廠提供的參數(shù)及冷卻器的結(jié)構(gòu)設(shè)計，查AWLJ- 500/6背包臥式冷卻器相關(guān)參數(shù)：冷卻管內(nèi)水流速u=1.2m/s，迎風(fēng)面空氣流速uk=6.5m/s；查該冷卻元件的熱工性能系數(shù)，其總換熱系數(shù)約為58W/m2℃。冷卻器換熱系數(shù)見表1。

表1 冷卻器換熱系數(shù)表

冷卻器所需換熱面積S按下式計算：

(5)

(4)冷卻水量計算

冷卻水量可按下式計算：

(6)

式中，P—換熱功率；ΔT—冷卻器進出水溫差；ρ—水的密度，取(1000kg/m3)；CP—水的比熱容，取(4.186kJ/(kg×℃))；Q—冷卻器用水量，m3/h。

按換熱量為50kW、冷卻器進口溫度為33℃、出口溫度為35.9℃計算：

(7)

根據(jù)以上計算結(jié)果，電機配置的空-水冷卻器用水量取15m3/h。

(5)管程數(shù)和傳熱管數(shù)計算

根據(jù)冷卻器換熱功率、電機外形尺寸確定冷卻管的管數(shù)和管程，冷卻管數(shù)確定需綜合考慮換熱效果、生產(chǎn)成本和運行成本。從換熱功率大而水壓降小的角度考慮，管內(nèi)水流速一般按1～1.5m/s計算，選擇合適的管數(shù)。管數(shù)過小需要的用水量相應(yīng)增大，運行成本高；反之管數(shù)過多，則生產(chǎn)成本增大。

根據(jù)傳熱管內(nèi)徑和流速確定單管程傳熱管數(shù)：

(8)

式中，n—單程傳熱管數(shù)；Q—管程體積流量，m3/s；d—傳熱管內(nèi)徑，mm；u—管內(nèi)流體流速，m/s。

按單管程計算，所需的傳熱管長度為：

(9)

式中，L—按單程管計算傳熱管長度，m；S—換熱面積，m2，d0—換熱管外徑，m。

按單管程設(shè)計，傳熱管過長則應(yīng)采用多管程。根據(jù)電機外形尺寸及冷卻器定型產(chǎn)品規(guī)格分類情況，取傳熱管單根長0.5m計25根，即長l=0.5×25=12.5m，換熱器管程數(shù)：N=L/l=67.5/12.5=5.4≈6，傳熱管總根數(shù)NΣ=nN=25×6=150根。

(6)復(fù)核計算

冷卻器的實際換熱面積：

S=πd0lNΣ=3.14×0.0144×12.5×150 =84.8m2>73.3m2

(10)

冷卻器實際換熱面積為84.8m2，滿足換熱性能要求，且有15.7%的換熱裕度。

綜上，冷卻器選擇背包臥式空-水冷卻器(型式②)，結(jié)構(gòu)尺寸及性能指標與Y500- 6型臥式電機相匹配，主要參數(shù)：冷卻器用水量15m3/h，冷卻器進水溫度≤33℃，冷卻器出風(fēng)溫度≤40℃，工作水壓0.2～0.3MPa，防護等級IP54。

4 冷卻方式改造

4.1 現(xiàn)狀冷卻方式

現(xiàn)狀電機采用管道強迫通風(fēng)冷卻方式，電機頂部安裝排風(fēng)管道，排風(fēng)管道接至內(nèi)河側(cè)墩墻，通過墩墻上排風(fēng)機將熱風(fēng)排出，管程長冷卻效果差?，F(xiàn)狀管道強迫通風(fēng)冷卻方式如圖2所示。

圖2 現(xiàn)狀管道強迫通風(fēng)冷卻方式圖

4.2 冷卻方式改造

(1)拆除電機上部防護頂罩及排風(fēng)管道、排風(fēng)機。

(2)根據(jù)電機外形尺寸定制空-水冷卻器，冷卻器與電機機座采用螺栓連接。冷卻器與電機進出風(fēng)口相互對準，采用專用密封墊，密封嚴實，使電機內(nèi)部形成一個封閉的循環(huán)系統(tǒng)。改造后電機空-水冷卻器如圖3所示。

(3)將冷卻器進出水口位置布置于電機主接線盒對側(cè)，進水口位于下部，出水口位于上部?，F(xiàn)場新鋪設(shè)供水管道，與冷卻器的進出水口采用法蘭方式連接。

(4)對電機內(nèi)部風(fēng)路進行疏通清理，進風(fēng)和出風(fēng)的風(fēng)道用擋風(fēng)板隔開，空氣流動阻力小，不能形成氣流短路，保證內(nèi)部氣流循環(huán)暢通，以提高換熱效率。

圖3 改造后電機空-水冷卻器圖

4.3 冷卻方式改造效果

(1)在夏季高溫期間，電機在相近工況下運行時，改造前電機定子繞組溫度達100℃以上，改造后定子繞組溫度在65℃～75℃，溫度明顯降低，電機運行效率相應(yīng)有所提高。

(2)改造前廠房噪音達90dB以上，改造后在85dB以下，廠房內(nèi)噪音大大降低，機組運行環(huán)境得到明顯改善。

5 結(jié)語

本文通過對比分析與選型計算，提出了適合于秦淮新河泵站電機的空-水冷卻器優(yōu)化改造方案。實踐運行結(jié)果表明，技術(shù)改造后定子繞組溫度明顯降低，廠房內(nèi)噪音大大降低，電機運行效率有所提高。該優(yōu)化技術(shù)改造方案的成功實踐，可為類似泵站工程的設(shè)備改造提供經(jīng)驗借鑒，具有較大的工程應(yīng)用價值。