趙地,歷銳
(1中海油惠州石化煉油六部,廣東惠州516086;2佳木斯電機股份有限公司,黑龍江佳木斯154002)
正壓外殼型/增安型無刷勵磁同步電動機國產(chǎn)化設(shè)計
趙地1,歷銳2
(1中海油惠州石化煉油六部,廣東惠州516086;2佳木斯電機股份有限公司,黑龍江佳木斯154002)
結(jié)合一臺為國外壓縮機配套的TZYW/TAW 10000-20/3250WTHF1正壓外殼型/增安型無刷勵磁同步電動機,研究了正壓外殼型/增安型無刷勵磁同步電動機的防爆優(yōu)勢,單支撐同步電機的設(shè)計關(guān)鍵點,以及與國內(nèi)外電機相比該電機的優(yōu)勢。
正壓外殼型/增安型;無刷勵磁;同步電動機;國產(chǎn)化設(shè)計
近年來,隨著國民經(jīng)濟和我國防爆電機工業(yè)的發(fā)展,石油、化工、化肥、煤炭等行業(yè)對大型防爆無刷勵磁同步電動機的需求量越來越大,尤其是近年石化行業(yè)產(chǎn)量不斷提升,大型防爆無刷勵磁同步電動機功率也越來越大,與國外相比,國內(nèi)大功率無刷勵磁同步電動機相對市場占有量較小,因此大功率防爆無刷勵磁同步電動機的國產(chǎn)化設(shè)計已迫在眉睫。
為此,中海石油煉化有限責任公司和佳木斯電機股份有限公司(以下簡稱“佳電”)共同合作進行惠州煉油二期2200萬噸/年改擴建及100萬噸/年乙烯工程項目用正壓外殼型/增安型無刷勵磁同步電動機的國產(chǎn)化設(shè)計,該同步電動機應(yīng)用在2區(qū),IIC(氫氣)場所,拖動渣油加氫裝置往復(fù)式新氫壓縮機負載。
TZYW/TAW 10000-20/3250WTHF1主要技術(shù)參數(shù)如下:額定功率:10000kW;極數(shù):20P;額定電壓:10kV;額定電流:661A;額定頻率:50Hz;相數(shù):3相;同步轉(zhuǎn)速:300r/min;絕緣等級:F級;安裝方式:IM7115(單軸承支撐,伸端與壓縮機共用一個軸承);冷卻方式:IC81W(上水冷);旋轉(zhuǎn)方向:逆時針(從電機軸伸端看);工作制:S1;功率因數(shù):0.9(超前);效率:97%(保證值);堵轉(zhuǎn)電流/額定電流:5.0(保證值);堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩/額定轉(zhuǎn)矩:0.6(保證值);牽入轉(zhuǎn)矩/額定轉(zhuǎn)矩:0.6(保證值);失步轉(zhuǎn)矩/額定轉(zhuǎn)矩:1.6(保證值);飛輪轉(zhuǎn)矩GD2:>100 t·m2;防爆標志: ExepzIIT3 Gc + ExeIICT3 Gc;同時取得正壓外殼型和增安型防爆合格證。
該電機在設(shè)計上主要有以下幾個關(guān)鍵點:(1)防爆型式的選擇;(2)低起動電流的設(shè)計;(3)結(jié)構(gòu)設(shè)計。
2.1 防爆型式的選擇
該電機應(yīng)用在2區(qū),IIC場所,考慮到增安型、隔爆型、正壓外殼型幾種防爆型式的優(yōu)缺點[6],為保證機組長期穩(wěn)定運行,本次電機設(shè)計防爆型式選用正壓外殼型/增安型[1]、[2],該型式是佳電2012年研制的一種新型防爆型式,具有以下優(yōu)點
(1)正壓外殼型/增安型無刷勵磁同步電動機同時設(shè)有兩套銘牌即增安型防爆電機銘牌和正壓外殼型防爆電機銘牌,電機同時獲得增安型防爆電機合格證及正壓外殼型防爆電機合格證,兩種防爆型式同時起作用,當一種防爆型式失效時另一種防爆型式仍可保證設(shè)備安全運轉(zhuǎn)。即同一設(shè)備設(shè)計制成不同的防爆型式,符合GB 3836.1—29.6多種防爆型式的相關(guān)規(guī)定。(2)產(chǎn)品通過了雙重防爆檢測,既通過了增安型電機絕緣系統(tǒng)試驗,又通過了正壓外殼型防爆試驗,既保留增安型電機不產(chǎn)生火花、電弧和危險溫度,tE時間保護等優(yōu)點,同時又具備正壓外殼型電機防爆安全性高,備用電機可處于保壓狀態(tài)隨時起車的優(yōu)點。安全性、可靠性提高。(3)正壓外殼型/增安型無刷勵磁同步電動機克服了單一防爆形式的缺點。
①正壓外殼型電機一旦出現(xiàn)失壓或外部管路故障,電機就必須停機進行檢查,該產(chǎn)品具備當一種防爆型式失效時另一種防爆型式仍可保證設(shè)備安全運轉(zhuǎn),無需停機。
②正壓外殼型/增安型無刷勵磁同步電動機正壓保護系統(tǒng)模塊設(shè)計進行智能化升級,主備機切換過程中無需等待,克服了增安型電機每次起動前需重新進行吹掃換氣的問題(即由一種防爆型式向另一種防爆型式切換過程順暢,不會出現(xiàn)電機互鎖停機問題)。
該產(chǎn)品通過在國際范圍內(nèi)的查新,證實了該產(chǎn)品在防爆技術(shù)運用上的創(chuàng)新性。將兩種防爆型式應(yīng)用在同一產(chǎn)品上,為國內(nèi)外首創(chuàng)。
2.2 低起動電流的設(shè)計[5]
2.3 結(jié)構(gòu)的設(shè)計
電機安裝方式IM7115, 冷卻方式為IC81W,防護等級IP54,單支撐結(jié)構(gòu),法蘭軸伸,尾端設(shè)座式滑動軸承, 電機采用徑向通風結(jié)構(gòu),避免產(chǎn)生軸向力,同時可以有效地保證電機鐵心溫度場的均勻分布(電機總體結(jié)構(gòu)見圖1)。從軸伸端看,電機右側(cè)帶一個主接線盒;在電機的保護上,電機帶有以下輔助及保護措施:(1)加熱器;(2)漏水保護器;(3)定子測溫裝置;(4)軸承測溫裝置;(5)電機進出風測溫裝置;(6)正壓保護裝置及泄露補償裝置;(7)磁平衡電流互感器;(8)軸振動傳感器;(9)勵磁機轉(zhuǎn)速測量裝置。
圖1 TZYW/TAW 10000-20/3250WTHF1電機整體結(jié)構(gòu)
2.3.1 電機的軸系計算[3]
本次設(shè)計的TZYW/TAW 10000-20/3250WTHF1正壓外殼型/增安型無刷勵磁同步電動機是我公司設(shè)計的最大功率的單支撐電機,由于其軸系的特殊性,特對整個軸系進行了詳細的計算,軸系見圖2。
圖2 TZYW/TAW 10000-20/3250WTHF1 軸系結(jié)構(gòu)
計算結(jié)果如下
軸的撓度為:0.4623mm,撓度占氣隙的百分數(shù)4.17%<8%(許用值);
軸臨界轉(zhuǎn)速計算值為:1352r/min 注:考慮磁拉力;
1352r/min>2.3×300=690r/min,因此軸的臨界轉(zhuǎn)速滿足要求;
軸的疲勞強度安全系數(shù)量小值為:2.34>1.5(許用系數(shù));
軸的靜強度安全系數(shù)最小值為:2.40>1.5(許用系數(shù));
軸的扭轉(zhuǎn)強度計算值為12.97MPa<[τ]=30MPa,[τ]—許用剪切力;
軸的扭轉(zhuǎn)剛度計算值為:0.038(°/m)<[φ]=0.25(°/m)[φ]—許用扭轉(zhuǎn)角。
另外,通過采用有限元軟件對軸的撓度及軸臨界轉(zhuǎn)速進行分析,上述分析結(jié)果與手工計算相符。如圖3所示。
圖3 軸的臨界轉(zhuǎn)速和撓度有限元分析計算
2.3.2 定子電流波動與飛輪力矩的選擇計算[4]
本次設(shè)計的TZYW/TAW 10000-20/3250WTHF1正壓外殼型/增安型無刷勵磁同步電動機用于驅(qū)動往復(fù)式壓縮機,由于壓縮機的自身特性,設(shè)計時必須保證壓縮機曲軸的旋轉(zhuǎn)角速度變化在合理范圍內(nèi),以避免在運動機件連接處引起附加動載荷及在垂直于曲軸的平面內(nèi)產(chǎn)生振動,影響機件的強度和降低機械效率。也可避免電動機直接驅(qū)動壓縮機時,引起電動機中電流脈動和供電網(wǎng)中的電壓波動。如何保證曲軸的旋轉(zhuǎn)角速度在允許的波動范圍,關(guān)鍵就是合理選擇系統(tǒng)的飛輪轉(zhuǎn)矩,作為整個系統(tǒng)的驅(qū)動設(shè)備,同步電動機的飛輪轉(zhuǎn)矩正確選擇十分重要,因此在本次設(shè)計中佳電引進了定子電流波動與飛輪力矩的選擇計算。一般同步電動機的電流波動(振蕩的振幅)要求采用,振蕩角的電角度,經(jīng)計算,在壓縮機最高運行功率100%負載額定電壓下,計算結(jié)果符合上述要求,且電機自身飛輪力矩滿足主機廠的要求(見圖4)。
圖4 電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)及其飛輪力矩計算
2.3.3 可靠的密封技術(shù)
該產(chǎn)品借鑒了我公司生產(chǎn)的成熟的TZYW系列正壓型無刷勵磁同步電動機的產(chǎn)品設(shè)計和制造經(jīng)驗,采用了密封可靠性極高的新結(jié)構(gòu)、新工藝、新材料,尤其是在密封材料的選取上進行了大量的試驗驗證,選取了耐腐蝕、抗老化、耐高溫的優(yōu)質(zhì)密封材料,從而控制電機的泄漏量,提高了電機的密封可靠性,確保產(chǎn)品的一次性成功。
2.3.4 創(chuàng)新的試驗方法
由于本次項目用電機為單支撐結(jié)構(gòu),試驗時難度較大,以往單支撐電機試驗時采用加長軸與電機軸伸法蘭對接,加長軸上加工有軸承臺,設(shè)置支撐軸承、試驗底架與電機對接后進行試驗。本次直接采用試驗軸承,對電機軸伸端軸頸部位精加工,在此部位支撐后進行試驗,與以往相比節(jié)約時間,降低成本,可靠性高。
結(jié)構(gòu)優(yōu)勢:電機采用單支撐結(jié)構(gòu),現(xiàn)場安裝對中更加方便,降低了系統(tǒng)損耗,提高了系統(tǒng)效率,環(huán)保節(jié)能。
防爆優(yōu)勢:采用雙重防爆型式,克服了單一防爆型式的缺點,提高了產(chǎn)品的安全性和可靠性。
技術(shù)優(yōu)勢:采用先進的有限元軟件精確設(shè)計,電機的電磁、結(jié)構(gòu)設(shè)計方案更精確合理,采用先進的計算方法及手段,提高了產(chǎn)品的科技含量,使產(chǎn)品性能更佳。
服務(wù)優(yōu)勢:與國內(nèi)外其它企業(yè)相比,佳電通過多年的發(fā)展,在全國各主要城市都設(shè)有銷售及售后服務(wù)機構(gòu),在全國范圍內(nèi)服務(wù)網(wǎng)絡(luò)發(fā)達。
TZYW/TAW 10000-20/3250WTHF1正壓外殼型/增安型無刷勵磁同步電動機研制生產(chǎn)成功,將使我國大型防爆電機的地位得到提升,進一步推進國內(nèi)三相同步電動機發(fā)展,填補國內(nèi)空白。同時為我國大型防爆電機的設(shè)計制造積累大量寶貴的經(jīng)驗,為今后大電機的設(shè)計生產(chǎn)、大型設(shè)備國產(chǎn)化打下了堅實的基礎(chǔ)。
[1] GB 3836.3—2010,爆炸性環(huán)境 第3部分:由增安型“e”保護的設(shè)備[S].
[2] GB 3836.5—2004,爆炸性氣體環(huán)境用電氣設(shè)備 第5部分:正壓外殼型“p”[S].
[3] 徐灝.機械設(shè)計手冊[M].北京:機械工業(yè)出版社,2010:26-14~26-32.
[4] 陳興衛(wèi).驅(qū)動壓縮機用同步電動機的定子電流波動計算與飛輪力矩選擇[J].電機技術(shù),2014.5.
[5] 陳世坤.電機設(shè)計[M].北京:機械工業(yè)出版社,2000:253-258.
[6] 陳興衛(wèi).無刷勵磁同步電動機的防爆技術(shù)特點[J].防爆電機,2014.4.
Chinalized Design of TZYW/TAW 10000-20/3250WTHF1 Pressurized Enclosure/Increased-Safety Brushless Excitation Synchronous Motor
ZhaoDiandLiRui
(1.CNOOC Huizhou Petrochemical Refinery Sixth Business Unit, Huizhou 516086, China;2.Jiamusi Electric Machine Co., Ltd., Jiamusi 154002, China)
Taking a TZYW/TAW 10000-20/3250WTHF1 pressurized enclosure/increased-
safety brushless excitation synchronous motor matched with an foreign compressor as an example, this paper researches explosion-proof advantages of this kind of motors, key points of designing single-supporting synchronous motors, and advantages of this kind of motors compared with domestic and international motors.
Pressurized enclosure/increased-safety;brushless excitation;synchronous motor;chinalized design
10.3969/J.ISSN.1008-7281.2017.03.10
TM357
A
1008-7281(2017)03-0032-004
趙地 男 1980年生;畢業(yè)于北京化工大學機械工程及自動化專業(yè),現(xiàn)從事設(shè)備管理工作.
2016-01-30