劉新泉，劉雪芹，梁云輝

(江蘇省水利勘測設(shè)計研究院有限公司，江蘇 揚州 225217)

大中型泵站一般采用交流電動機(jī)作為動力來拖動水泵運行，技術(shù)供水主要用于水泵電動機(jī)組的冷卻和潤滑用水，其中冷卻用水量約占全部技術(shù)供水量的85%左右[1]。冷卻水供應(yīng)既要保證持續(xù)供給，又要滿足設(shè)備冷卻要求，是泵站技術(shù)供水的重要組成部分。近年來，由于新技術(shù)發(fā)展和國家倡導(dǎo)節(jié)能降耗，通過技術(shù)改進(jìn)、提高冷卻器的性能越來越受到工業(yè)界的重視。泵站冷卻供水方式也由傳統(tǒng)的河水直供發(fā)展到循環(huán)供水方式，大大提高了泵站運行的可靠性。由于冷卻器材質(zhì)和形式多樣化，電動機(jī)油缸冷卻供水有河水直供和循環(huán)供水等方式，在設(shè)計選用上缺乏規(guī)范性和針對性，有必要進(jìn)行分析和比較，總結(jié)出經(jīng)濟(jì)合理的選型設(shè)計原則，規(guī)范泵站技術(shù)供水系統(tǒng)的設(shè)計。

1 油缸冷卻供水形式

大中型立式電動機(jī)主要由定子、轉(zhuǎn)子(包括主軸)、上機(jī)架(包括油缸)、下機(jī)架(包括油缸)及油水管路系統(tǒng)等組成，冷卻水主要用于上、下機(jī)架油缸油冷卻器用水。電機(jī)主軸與水泵軸采用直聯(lián)方式傳動，推力軸承安裝在電機(jī)上機(jī)架上。由于機(jī)組轉(zhuǎn)動部分的重量和作用在葉輪上的軸向水推力全部靠推力軸承承受，推力軸承位于轉(zhuǎn)子上部，這種形式的電機(jī)又稱為懸式電動機(jī)。立式電動機(jī)結(jié)構(gòu)與油缸冷卻見圖1。

圖1 立式電動機(jī)結(jié)構(gòu)與油缸冷卻圖Fig.1 The structural diagram of vertical motor and oil cylinder cooling 1-推力頭；2-上導(dǎo)瓦；3-推力瓦；4-油冷卻器；5-上機(jī)架；6-定子；7-轉(zhuǎn)子；8-下機(jī)架；9-下導(dǎo)瓦；10-油冷卻器進(jìn)出水管

大中型立式電動機(jī)一般采用滑動軸承，稀油潤滑，推力軸承和上導(dǎo)軸承裝配在上機(jī)架油缸中，下導(dǎo)軸承裝配在下機(jī)架油缸中。軸承發(fā)熱量主要由軸承摩擦力矩引起，電機(jī)在運轉(zhuǎn)時推力軸承及上、下導(dǎo)軸承產(chǎn)生機(jī)械摩擦，此損失以熱能的形式積聚在軸承中，軸承浸在潤滑油中，熱量由軸承傳入油內(nèi)，此熱量需及時排出，否則將影響軸承的使用壽命及安全，并加速油的劣化。油缸中裝配有油冷卻器，同時通過冷卻水來冷卻潤滑油，使軸承不致過熱。

2 熱交換過程

油冷卻器的散熱過程是油缸內(nèi)潤滑油的熱量與冷卻器管內(nèi)冷卻水通過管壁進(jìn)行熱量交換的過程，冷卻器所帶走的熱量也就是電機(jī)運行時軸承摩擦產(chǎn)生的熱量[2]。熱量交換的過程見圖2。

傳熱基本方程式：

Q=K×A×ΔT

(1)

式中：Q為換熱量；K為總傳熱系數(shù)；A為換熱面積；ΔT為換熱溫差。

圖2 熱量交換過程示意圖Fig.2 The schematic diagram of heat exchange process 注：T1′、T1″為熱流體的進(jìn)出口溫度；T2′、T2″為冷流體的進(jìn)出口溫度。

根據(jù)傳熱基本方程式，并針對潤滑油較高黏度的特點，強化潤滑油冷卻器的傳熱，要求所采用的冷卻器管型材具有較大的擴(kuò)展表面積(即增大A值)；其次要求管型材具有較強的破壞流體邊界層的能力，使?jié)櫥驮诘土魉贂r達(dá)到紊流狀態(tài)，成為紊流換熱，達(dá)到強化傳熱目的(即增大K值)。

3 冷卻器形式

基于以上考慮，經(jīng)過對大量管型材篩選試驗，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)整體翅片管(外翅片管)對于黏度較高的油類的強化換熱作用十分明顯[3]。翅片管片距均勻、傳熱性好、強度高、工作壽命長。常用的有繞片式翅片管、串片式翅片管和擠片式翅片管。

繞片式和串片式翅片管由于兩種金屬電極電位不同，在翅片表面有水的情況下會產(chǎn)生化學(xué)腐蝕導(dǎo)致間隙熱阻增加，影響傳熱性能，而擠片式(軋片式)翅片管將基管完全包復(fù)，與基管間的接觸應(yīng)力不會消失，長期工作接觸熱阻不增加，因此傳熱性能更好，使用壽命更長。

目前，翅片管一般采用鋁合金管材，翅片管的內(nèi)襯管材質(zhì)通常采用紫銅管作為基管，紫銅具有優(yōu)良的導(dǎo)熱性﹑延展性和耐蝕性，熱導(dǎo)率僅次于銀[4]。由于擠片式翅片冷卻器工藝簡單、整體與基管過盈配合，其散熱系數(shù)大大提高，近年來電機(jī)油缸油冷卻器一般都選用擠片式翅片管。擠片式翅片管結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 擠片式翅片管結(jié)構(gòu)圖Fig.3 The structural diagram of squeeze fin tube 1-翼片管；2-U型連接管；3-連接板；4-連接管；5-盤狀托架

4 計算案例

4.1 數(shù)據(jù)統(tǒng)計

立式電動機(jī)主要以上油缸的推力軸承發(fā)熱量為主，因此對上油缸油冷卻器的用水量進(jìn)行統(tǒng)計和計算。部分泵站立式電動機(jī)冷卻用水量統(tǒng)計及相關(guān)數(shù)據(jù)見表1。

表1 上油缸油冷卻器用水量及相關(guān)數(shù)據(jù)Tab.1 Water quantity and relevant data of oil cooler on upper cylinder

4.2 數(shù)據(jù)計算

以泵站3立式同步電動機(jī)為例，電機(jī)功率2 800 kW，轉(zhuǎn)速150 r/min，推力軸承荷重83 000 kg，平均圓周速度5 m/s，計算其推力軸承發(fā)熱量和上油缸油冷卻器用水量。

4.2.1 發(fā)熱量計算

推力軸承損耗功率計算公式[5]：

W=PfV×10-3

(2)

式中：P為推力軸承荷重，由軸向水推力和機(jī)組轉(zhuǎn)動部分重量組成，N；V為推力軸瓦上平均直徑處的圓周速度，m/s；f為推力軸承鏡板與軸瓦間摩擦系數(shù)(與摩擦條件有關(guān))，取0.003～0.004。

W=PfV×10-3=83 000×9.8×0.003×5×10-3=12.2 kW

4.2.2 冷卻用水量計算

油冷卻器冷卻用水量按軸承摩擦所損耗的功率進(jìn)行計算。

冷卻用水量計算公式[5]：

Q=3 600W/(ρC△t)

(3)

式中：Q為推力軸承油冷卻器冷卻用水量，m3/h；W為推力軸承損耗功率，kW；ρ為水的密度，1 kg/L；C為水的比熱容，4.186 J/(kg·K)×103；△t為潤滑水溫升，△t=3～5 ℃，取決于散熱條件。

Q=3 600W/ρC△t=3 600×12.2/(1×4.186×103×3)=

3.49 m3/h

電機(jī)上、下導(dǎo)軸承冷卻用水量各為推力軸承的10%～20%[5]，推算電機(jī)上油缸油冷卻器的用水量為3.8～4.1 m3/h。表1中，冷卻器用水量選擇4 m3/h，符合計算要求。

5 分析研究

5.1 數(shù)據(jù)對比

(1)泵站1與泵站3。泵站1水泵葉輪直徑3 000 mm，最大揚程8.8 m；泵站3水泵葉輪直徑2 900 mm，最大揚程6.08 m；兩個泵站水泵葉輪直徑相近，最大揚程相差1.45倍，推力軸承損耗功率相差1.24倍，冷卻器用水量按軸承摩擦損耗的功率進(jìn)行計算，上油缸油冷卻器用水量應(yīng)相差1.24倍左右。表1數(shù)據(jù)顯示，泵站1電動機(jī)上油缸油冷卻器用水量為10.1 m3/h，泵站3為4 m3/h，用水量相差2.5倍以上。

(2)泵站2與泵站5。泵站2水泵葉輪直徑2 600 mm，最大揚程10.2 m；泵站5水泵葉輪直徑2 600 mm，最大揚程5.83 m；兩個泵站水泵葉輪直徑相同，最大揚程相差1.75倍，推力軸承損耗功率相差1.45倍，上油缸油冷卻器用水量應(yīng)相差1.45倍左右。表1中，泵站2和泵站5的冷卻用水量相同，均為5 m3/h。

(3)泵站3與泵站4。泵站3水泵葉輪直徑2 900 mm，最大揚程6.08 m，電機(jī)功率2 800 kW；泵站4水泵葉輪直徑2 700 mm，最大揚程5.7 m，電機(jī)功率2 000 kW；泵站3水泵的葉輪直徑、最大揚程和電機(jī)功率均大于泵站4，按規(guī)律，泵站3冷卻用水量應(yīng)大于泵站4，而表1中，泵站3的冷卻用水量為4 m3/h，泵站4為6 m3/h，數(shù)據(jù)出現(xiàn)了異?，F(xiàn)象。

5.2 分析研究

根據(jù)以上3組數(shù)據(jù)對比，反映出3種情況如下：

(1)冷卻器選型存在差異。泵站1油冷卻器在進(jìn)水溫度25 ℃、換熱容量15.0 kW時，其耗水量為10.12 m3/h；泵站3油冷卻器在進(jìn)水溫度25 ℃、換熱容量12.5 kW時，其耗水量為4.02 m3/h。

經(jīng)對比，泵站1油冷卻器選用繞片式翅片管，采用不銹鋼管材，片距為6.5 mm；泵站3油冷卻器選用擠片式翅片管，采用鋁合金管材，片距為3.2 mm。擠片式翅片管的傳熱性能更好，散熱面積成倍加大，換熱容量更大。所以，泵站3冷卻器用水量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于泵站1。

(2)冷卻用水量選取沒有統(tǒng)一尺度?？紤]到個別冷卻器發(fā)生管路堵塞時電機(jī)仍需正常運行，電機(jī)廠在設(shè)計冷卻器時會加大換熱裕量，裕量系數(shù)取值各不相同。如泵站2，計算換熱容量13.22 kW，冷卻用水量為4.98 m3/h，廠家取值為5 m3/h；泵站5，計算換熱容量9.11 kW，冷卻用水量為3.43 m3/h，廠家取值亦為5 m3/h，裕量系數(shù)達(dá)1.45倍。

另外，電機(jī)廠目前已基本不進(jìn)行冷卻器的計算和選型，將軸承總損耗計算后交由冷卻器專業(yè)生產(chǎn)廠家進(jìn)行換算和選型，這會造成冷卻器的選型因廠家而異、不同廠家換算的冷卻用水量也各不相同的情況。

(3)冷卻器進(jìn)水溫度取值不同。根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定[6]，電動機(jī)應(yīng)能在下列條件下連續(xù)運行：①海拔不超過1 000 m；②初級冷卻介質(zhì)溫度不超過40 ℃；③冷卻器進(jìn)水溫度一般不超過30 ℃，最高不超過33 ℃。擠片式翅片管環(huán)形油冷卻器部分規(guī)格及參數(shù)[7]見表2。

表2 擠片式翅片管環(huán)形油冷卻器基本參數(shù)Tab.2 The basic parameters of the annular finned tube squeeze oil cooler

進(jìn)水溫度不宜過低，否則會使冷卻器及外部連接水管外壁凝結(jié)水珠，甚至因溫度變化太大造成管路裂縫而影響電機(jī)安全運行。

從表2可知，冷卻器的進(jìn)水溫度有3種溫度可選擇，分別是25、28、33 ℃，各自對應(yīng)的換熱容量不同，冷卻器進(jìn)水溫度低的換熱容量大。經(jīng)了解，各電機(jī)廠按三種進(jìn)水溫度設(shè)計的都有，做法不一。如泵站3，計算換熱容量12.2 kW，當(dāng)進(jìn)水溫度選擇25 ℃時，冷卻器耗水量為4.02 m3/h；泵站4，計算換熱容量11.18 kW，當(dāng)進(jìn)水溫度選擇33 ℃時，冷卻器耗水量為5.94 m3/h，這就造成了冷卻水量數(shù)據(jù)異常的現(xiàn)象。

6 循環(huán)冷卻供水方式

傳統(tǒng)的泵站技術(shù)供水采用河水直供方式，其缺點在于取水口和濾水器的堵塞。由于河道中水草、生活垃圾較多，水中微生物和小魚進(jìn)入濾水器，導(dǎo)致取水口和濾水器非常容易堵塞，曾有多座泵站因取水口和濾水器嚴(yán)重堵塞而被迫停機(jī)，處理打撈清理雜物。另外河水含沙量較高，雖然在供水系統(tǒng)中加裝了濾水器，但還有泥沙進(jìn)入冷卻器內(nèi)，導(dǎo)致冷卻管路堵塞。由于增加了濾水器，系統(tǒng)中多了一個設(shè)備故障點，濾水器的經(jīng)常堵塞也導(dǎo)致供水系統(tǒng)維護(hù)次數(shù)增加。傳統(tǒng)采用的直供冷卻方式已不能滿足泵站工程對運行可靠性的要求。

為提高泵站運行的可靠性，利用冷卻水可循環(huán)使用的特點，采用循環(huán)供水方式，通過系統(tǒng)內(nèi)安裝的盤管冷卻器、板式換熱器或冷水機(jī)組帶走電機(jī)產(chǎn)生的熱量，達(dá)到電機(jī)有效散熱冷卻的目的。近期建設(shè)的泵站，采用冷水機(jī)組進(jìn)行循環(huán)供水的方式越來越普遍[8]。為保證冷卻供水可靠性，冷水機(jī)組帶有備用機(jī)組，其特點是進(jìn)出水溫度可以控制和調(diào)節(jié)，冷水機(jī)組進(jìn)出水溫差不低于5℃。泵站技術(shù)供水采用冷水機(jī)組進(jìn)行冷卻的循環(huán)供水系統(tǒng)見圖4。

圖4 循環(huán)供水系統(tǒng)圖Fig.4 The diagram of circulating water supply system 1-冷水機(jī)組(2用1備)；2-循環(huán)供水裝置；3-儀表三通旋塞；4-壓力表；5-閘閥；6-電接點壓力表；7-自動排氣閥；8-電磁流量計；9-截 止 閥；10-電動閥；11-示流信號器；12-溫度傳感器；13-壓力傳感器；14-法蘭悶板

由于目前不同電機(jī)廠提供的冷卻用水量差異較大，供水系統(tǒng)在設(shè)計時沒有準(zhǔn)確依據(jù)，冷水機(jī)組的供水量只能按照電機(jī)廠提供的數(shù)據(jù)進(jìn)行選配，當(dāng)冷卻用水量過大時就會造成冷水機(jī)組制冷量選擇偏大，因此冷水機(jī)組的功率加大，帶來的后果是既增加了設(shè)備投資，又不利于節(jié)能運行。

根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，冷卻器進(jìn)水溫度可設(shè)在25 ℃，冷水機(jī)組的出水溫度可以始終控制在25 ℃，由表2數(shù)據(jù)得出，在25 ℃時冷卻器的換熱容量比28 ℃大1.1倍，比33 ℃大1.3倍。這樣可以要求電機(jī)廠統(tǒng)一按進(jìn)水溫度25 ℃進(jìn)行設(shè)計，在滿足換熱容量的基礎(chǔ)上，冷卻器選型可以相應(yīng)減小規(guī)格，冷卻器的用水量也會相應(yīng)降低。

因此，在設(shè)備招標(biāo)階段可對電機(jī)主要技術(shù)參數(shù)和要求加以明確，提出冷卻器的材質(zhì)及選型要求、冷卻器用水量控制范圍，并對冷卻器進(jìn)水溫度做出規(guī)定，這樣可以避免各電機(jī)廠因冷卻器選型不一致、進(jìn)水溫度不統(tǒng)一而造成用水量差異大的現(xiàn)象，為合理配置冷水機(jī)組做好基礎(chǔ)工作。

7 結(jié) 語

本文通過對電機(jī)推力軸承損耗與冷卻器用水量的比較分析與計算，可得出如下結(jié)論，對電機(jī)油缸冷卻器設(shè)計和冷卻方式選擇具有重要的指導(dǎo)意義。

(1)根據(jù)泵站技術(shù)供水要求，利用冷卻水可循環(huán)使用的特點，采用冷水機(jī)組與循環(huán)供水裝置組成密閉的循環(huán)供水系統(tǒng)，是一種可靠、節(jié)能的技術(shù)供水方式，這也是將來泵站技術(shù)供水的一種發(fā)展方向。

(2)冷卻器的設(shè)計在于材料和結(jié)構(gòu)的選擇。通過上述分析計算表明：采用鋁合金基材的擠片式翅片管作為散熱結(jié)構(gòu)的冷卻器要好于采用不銹鋼基材的繞片式翅片管作為散熱結(jié)構(gòu)的冷卻器。另外，增加翅片的密度即減小翅片間距，有利于提高散熱效果。因此，在冷卻器設(shè)計上應(yīng)優(yōu)化選材和翅片結(jié)構(gòu)，以達(dá)到經(jīng)濟(jì)性和散熱效果俱佳的冷卻器設(shè)計方案。

(3)文中給出了推力軸承發(fā)熱量和冷卻用水量的計算公式，通過這些公式可對電機(jī)廠提供的重要參數(shù)進(jìn)行復(fù)核，并據(jù)此合理地選擇冷卻器的規(guī)格參數(shù)，配置合適的冷水機(jī)組和供水方式，為泵站技術(shù)供水系統(tǒng)的設(shè)計提供理論依據(jù)。

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