李云鵬，施具飛，王冉

(華電渠東發(fā)電有限公司，河南 新鄉(xiāng) 453000)

0 引言

在火力發(fā)電廠經(jīng)營(yíng)情況日益嚴(yán)峻的新時(shí)代背景下，各個(gè)發(fā)電廠都在努力降低廠用電以提高發(fā)電機(jī)組的利用效率，提高設(shè)備的盈利能力。在環(huán)保壓力日益嚴(yán)峻的新時(shí)代形勢(shì)下，環(huán)保設(shè)備的安全、穩(wěn)定運(yùn)行將直接關(guān)系到企業(yè)的盈利能力，進(jìn)而影響到企業(yè)生存。

華電渠東發(fā)電有限公司脫硫區(qū)域漿液循環(huán)泵電機(jī)是該公司環(huán)保設(shè)備中極其重要的高壓電動(dòng)機(jī)，此次分析的漿液循環(huán)泵電機(jī)位于漿液循環(huán)泵泵房中，在投產(chǎn)至今的10年間，每逢盛夏炎熱天氣，電機(jī)的運(yùn)行溫度極高，軸承和繞組溫度時(shí)常突破電機(jī)正常允許運(yùn)行的最高溫度。在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)維過(guò)程中，通過(guò)加裝軸流風(fēng)機(jī)的方式，對(duì)運(yùn)行中的漿液循環(huán)泵電機(jī)進(jìn)行強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱，雖然有一定效果，但治標(biāo)不治本，電機(jī)依然在較高的臨界溫度運(yùn)行，導(dǎo)致電機(jī)軸承油脂加速老化，軸承加速磨損，線圈繞組絕緣壽命降低，使電機(jī)的檢修次數(shù)增多，電機(jī)使用壽命降低，造成設(shè)備運(yùn)行可靠性降低，盈利能力差等問(wèn)題。

作者對(duì)電機(jī)的運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行分析，提出了對(duì)電機(jī)現(xiàn)有冷卻方式進(jìn)行優(yōu)化升級(jí)的建議和措施，在研究主要存在問(wèn)題以及需要解決的疑難問(wèn)題后，提出多種方案進(jìn)行分析，最終選定可行性方案，并付諸實(shí)施。

1 現(xiàn)狀診斷

華電渠東發(fā)電有限公司#1機(jī)組A漿液循環(huán)泵電機(jī)(以下簡(jiǎn)稱#1A漿液泵電機(jī))位于#1機(jī)組脫硫吸收塔漿液循環(huán)泵泵房?jī)?nèi)，泵房有8臺(tái)漿液循環(huán)泵電機(jī)，#1A漿液泵電機(jī)位于東北角，泵房西側(cè)有兩扇大門，東南側(cè)有一小門，小門外為樓梯間，南北兩側(cè)不通。泵房?jī)?nèi)通風(fēng)不暢且高壓電機(jī)較多，盛夏時(shí)節(jié)泵房?jī)?nèi)熱浪翻騰，致使電機(jī)散熱效果差，而#1A漿液泵電機(jī)所處位置是8臺(tái)電機(jī)中散熱效果最差的。

根據(jù)GB/T 755—2008《旋轉(zhuǎn)電機(jī)定額和性能》的規(guī)定［1］，為保證電機(jī)性能，運(yùn)行中軸承溫度不能超過(guò)85℃，繞組溫度不能超過(guò)120℃。

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行當(dāng)中，如果不外加風(fēng)機(jī)進(jìn)行散熱，電機(jī)運(yùn)行溫度會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)報(bào)警值(定子繞組溫度80℃)，為使電機(jī)能夠繼續(xù)運(yùn)行，在外加風(fēng)機(jī)散熱的情況下，軸承的最高溫度達(dá)到76℃以上，繞組最高溫度達(dá)到90℃以上。

電機(jī)長(zhǎng)期運(yùn)行在高溫臨界狀態(tài)，由于熱膨脹原因，電機(jī)振動(dòng)增大，噪聲污染嚴(yán)重;電機(jī)繞組絕緣層會(huì)加速老化，電機(jī)壽命明顯降低;軸承潤(rùn)滑脂會(huì)加速變質(zhì)，軸承間隙變大，電機(jī)運(yùn)行可靠性降低;需要外加風(fēng)機(jī)散熱，泵房?jī)?nèi)臨時(shí)電源線較多，影響現(xiàn)場(chǎng)巡檢及人員安全。

2 方案分析

2.1 電機(jī)運(yùn)行環(huán)境改造

在泵房東側(cè)墻壁上開孔加裝軸流風(fēng)機(jī)進(jìn)行散熱，雖然會(huì)加速泵房的空氣流通，使得泵房的環(huán)境溫度有所改善，但并不能完全保證降低電機(jī)的運(yùn)行溫度，而且會(huì)改變泵房的承重結(jié)構(gòu)，威脅泵房上層配電室和程控室的安全，而且泵房的整體防水結(jié)構(gòu)也會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題，導(dǎo)致泵房墻體、墻面等位置出現(xiàn)可能的積水或腐蝕等現(xiàn)象。

2.2 電機(jī)冷卻方式改變

#1A漿液泵電機(jī)型號(hào)為YKK－500－4，額定功率為720 kW，額定電流為79.5 A，額定轉(zhuǎn)速為1 490 r/min，防護(hù)等級(jí)為IP54，冷卻方式為IC611空空冷卻(如圖1所示)。

2.2.1 冷卻方式由空空冷改為空空水冷

在現(xiàn)在轉(zhuǎn)子、定子雙空冷的基礎(chǔ)上，增加一項(xiàng)水冷，在電機(jī)外殼上焊接散熱片，散熱片內(nèi)連接水管，利用廠用開式水冷卻電機(jī)外殼，達(dá)到降低電機(jī)運(yùn)行溫度的目的。

此種冷卻方式需要增加大量配套設(shè)備，包括新增開式水管道、新增冷卻水管道的循環(huán)水泵1套、電機(jī)外殼散熱器改裝、各種類型的閥門、儀表等，而且在電機(jī)檢修時(shí)，增加了檢修工時(shí)以及大量非電氣設(shè)備的檢修，改造投入大，后期維護(hù)復(fù)雜。

圖1 IC611空空冷卻Fig.1 IC611 air-to-air cooling

2.2.2 冷卻方式由空空冷改為開啟式自冷

IC611空空冷卻器風(fēng)扇布置在電機(jī)非驅(qū)動(dòng)端，風(fēng)箱布置在電機(jī)頂部，冷風(fēng)從風(fēng)扇吹入，通過(guò)頂部的風(fēng)箱從電機(jī)驅(qū)動(dòng)端上部的出風(fēng)口吹出，電機(jī)空冷器形成散熱外循環(huán)，電機(jī)的定轉(zhuǎn)子通過(guò)驅(qū)動(dòng)端的風(fēng)扇形成內(nèi)循環(huán)，外循環(huán)帶走內(nèi)循環(huán)的熱量進(jìn)行散熱，散熱效率較低，但電機(jī)的防護(hù)等級(jí)高。

改為開啟式自冷，去除電機(jī)非驅(qū)動(dòng)端風(fēng)扇，將電機(jī)頂部的風(fēng)箱改為新的形式，利用電機(jī)轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)端自帶的風(fēng)扇將外界空氣從非驅(qū)動(dòng)端進(jìn)風(fēng)口吸進(jìn)，冷風(fēng)直接通過(guò)電機(jī)的定轉(zhuǎn)子從電機(jī)驅(qū)動(dòng)端頂部的出風(fēng)口排出，雙循環(huán)冷卻變?yōu)橹苯永鋮s，散熱效率會(huì)明顯提高，從而達(dá)到降低電機(jī)運(yùn)行溫度的目的。這樣的改造方式，只需對(duì)電機(jī)風(fēng)箱進(jìn)行改造，拆除原有散熱風(fēng)扇加裝保護(hù)罩，投入的資金量較小，只需要做好電機(jī)防護(hù)等級(jí)的控制，就會(huì)有較好的效果。最終選擇此方案。

3 問(wèn)題解決

3.1 選定方案存在的問(wèn)題

(1)電機(jī)防護(hù)等級(jí)的下降所帶來(lái)的安全隱患如何消除。

(2)新風(fēng)箱風(fēng)道如何設(shè)計(jì)才能達(dá)到最好的散熱效果，并且不破壞電機(jī)運(yùn)行的平衡狀態(tài)。

3.2 問(wèn)題分析

3.2.1 防護(hù)等級(jí)下降問(wèn)題分析

原有電機(jī)防護(hù)等級(jí)為 IP54，根據(jù) GB 4208—2008《外殼防護(hù)等級(jí)(IP 標(biāo)志)》［2］的規(guī)定，此電機(jī)可以完全防止外物侵入，雖不能完全防止灰塵侵入，但灰塵的侵入量不會(huì)影響電機(jī)的正常運(yùn)作;可以防止各個(gè)方向飛濺而來(lái)的水侵入電機(jī)而造成損壞。

由此來(lái)看，電機(jī)原有的防護(hù)等級(jí)在泵房的室內(nèi)環(huán)境下是高標(biāo)準(zhǔn)的。泵房?jī)?nèi)灰塵濃度較低，外物和昆蟲也較少，不存在各個(gè)角度的水淋情況，空氣濕度較低，可以將防塵等級(jí)從5降低到3，防水等級(jí)從4降低到3，防護(hù)等級(jí)調(diào)整為IP33，調(diào)整后可以做到防止直徑或厚度大于2.5 mm的小型外物侵入或接觸到電機(jī)內(nèi)部;防雨或防止與垂直夾角小于60°方向所噴灑的水侵入電機(jī)而造成損壞。

對(duì)于在泵房?jī)?nèi)運(yùn)行的#1A漿液泵電機(jī)而言，此種防護(hù)等級(jí)完全滿足安全、穩(wěn)定運(yùn)行要求。

3.2.2 風(fēng)道設(shè)計(jì)問(wèn)題分析

風(fēng)箱的設(shè)計(jì)要保證冷風(fēng)吹過(guò)電機(jī)繞組，又不破壞電機(jī)的整體平衡，則外形設(shè)計(jì)與原風(fēng)箱保持一致，所有螺絲開孔與原風(fēng)箱保持一致，長(zhǎng)寬高保持不變，內(nèi)部風(fēng)道進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，風(fēng)的流向?yàn)殡姍C(jī)非驅(qū)動(dòng)端進(jìn)入經(jīng)過(guò)電機(jī)定轉(zhuǎn)子后從電機(jī)驅(qū)動(dòng)端吹出，風(fēng)道要設(shè)計(jì)成弧形，并有吸音隔音材料和止振材料。經(jīng)過(guò)不斷修改，最終把風(fēng)道設(shè)計(jì)定型［3］，優(yōu)化后風(fēng)道設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 優(yōu)化后風(fēng)道設(shè)計(jì)草圖Fig.2 Draft of optimized duct design

由圖2可知，冷風(fēng)進(jìn)入風(fēng)箱后，直接通過(guò)定轉(zhuǎn)子繞組，然后從驅(qū)動(dòng)端正上方出風(fēng)口吹出。風(fēng)箱的導(dǎo)風(fēng)板由止振材料包裹，風(fēng)箱內(nèi)部由吸音材料包裹，進(jìn)風(fēng)口為百葉窗結(jié)構(gòu)，內(nèi)設(shè)雙層濾網(wǎng)，風(fēng)箱與電機(jī)的連接面由密封條進(jìn)行密封，這樣的風(fēng)箱完全能夠滿足使用要求。

4 實(shí)施階段

(1)風(fēng)箱按照要求制作完成后運(yùn)抵生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，防護(hù)罩等一并運(yùn)抵。

(2)拆除原電機(jī)非驅(qū)動(dòng)端風(fēng)扇、風(fēng)箱，做好記錄留作備用［4］。風(fēng)箱更換完成后，在驅(qū)動(dòng)端裸露的大軸部分安裝保護(hù)罩。

(3)安裝完成后，進(jìn)行120 min電機(jī)空轉(zhuǎn)測(cè)試，每10 min記錄繞組溫度、軸承溫度、電流、電壓及振動(dòng)值［4－7］。經(jīng)過(guò)實(shí)測(cè)，拆除非驅(qū)動(dòng)端風(fēng)扇后空轉(zhuǎn)電流下降1.21 A。

(4)空轉(zhuǎn)測(cè)試電機(jī)各項(xiàng)數(shù)值無(wú)異常后［1，5，8］，連接對(duì)輪，帶負(fù)荷運(yùn)行，進(jìn)行實(shí)際驗(yàn)證。

實(shí)施階段在2017年5月25日結(jié)束，#1A漿液泵電機(jī)(如圖3所示)投入實(shí)際運(yùn)行，至今經(jīng)過(guò)連續(xù)3年的高溫天氣運(yùn)行考驗(yàn)，效果良好。

圖3 實(shí)物圖Fig.3 Physical drawing

5 改造效果

5.1 同工況下的對(duì)比

1A與1B電機(jī)溫度對(duì)比如圖4所示。#1A漿液泵電機(jī)冷卻方式改造后第9天，與#1B漿液泵電機(jī)的溫度對(duì)比。繞組溫度93℃對(duì)比73℃，軸承溫度53℃對(duì)比46℃，溫度明顯降低(此時(shí)#1B漿液泵電機(jī)有2臺(tái)散熱風(fēng)機(jī)輔助散熱，環(huán)境溫度36℃，負(fù)荷相同)。

圖4 溫度對(duì)比Fig.4 Temperature comparison

5.2 溫度比較

改造前后#1A漿液泵電機(jī)繞組、軸承溫度對(duì)比如圖5所示。2017年取了有標(biāo)志性的4個(gè)溫度，對(duì)比2016年的同期數(shù)據(jù)。

從圖5中可以看出，冷卻方式優(yōu)化后，電機(jī)的運(yùn)行溫度明顯降低。而且數(shù)據(jù)中有一個(gè)不能體現(xiàn)的關(guān)鍵點(diǎn)，2016年的數(shù)據(jù)是在外加2臺(tái)散熱風(fēng)機(jī)的情況下得出的溫度數(shù)值，2017年的數(shù)據(jù)是未加風(fēng)機(jī)的溫度數(shù)值。

綜上所述，#1A漿液泵電機(jī)冷卻方式優(yōu)化后，軸承溫度平均下降8℃，繞組溫度平均下降10℃，并且無(wú)需外加散熱風(fēng)機(jī)散熱，電機(jī)降溫明顯。

圖5 改造前后#1A漿液泵電機(jī)繞組、軸承溫度對(duì)比Fig.5 Comparison of the winding and bearing temperature of No.1A slurry circulating pump motor before and after modification

5.3 持續(xù)運(yùn)行的可靠性

冷卻方式優(yōu)化完畢至今，#1A漿液泵電機(jī)在2019年3月25日進(jìn)行了解體檢修［4］，更換風(fēng)箱內(nèi)的濾網(wǎng)，電機(jī)繞組內(nèi)無(wú)異物、雜質(zhì)，只有一層薄薄的灰塵，用水和酒精擦拭干凈;與2018年解體檢查時(shí)相比，軸承油脂無(wú)明顯過(guò)熱變質(zhì)情況，軸承間隙平均增大2μm，更換兩側(cè)軸承，且相較上次更換軸承已有3年時(shí)間。

電機(jī)的運(yùn)行可靠性明顯提高，解體檢修頻率可由1年1次變?yōu)?年1次，且軸承潤(rùn)滑脂情況良好，軸承無(wú)過(guò)熱磨損痕跡，軸承無(wú)需頻繁更換，軸承油脂無(wú)需頻繁補(bǔ)充，降低能耗的同時(shí)，降低了維護(hù)成本。

6 結(jié)論

(1)拆除電機(jī)非驅(qū)動(dòng)端風(fēng)扇后，實(shí)測(cè)空轉(zhuǎn)電流由22.749 A 下降至21.539 A，下降了 1.210 A，電機(jī)內(nèi)置拖動(dòng)損耗下降1%，同樣輸出功率下每小時(shí)節(jié)電7.2 kW·h，每年節(jié)電63072.0 kW·h。

(2)無(wú)需外加散熱風(fēng)機(jī)散熱，每臺(tái)風(fēng)機(jī)功率為2 kW，總功率4 kW，按照連續(xù)運(yùn)行100 d計(jì)算，每年節(jié)電9600 kW·h。

(3)漿液循環(huán)泵電機(jī)運(yùn)行可靠性提高，維護(hù)成本降低，保證機(jī)組脫硫效率，保證機(jī)組環(huán)保高效運(yùn)行。

(4)空冷高壓電動(dòng)機(jī)如果在2.5 mm以下顆粒物較少、25℃下相對(duì)濕度不超過(guò)90%、電機(jī)本體不會(huì)受到小于60°夾角的水柱直射這樣的環(huán)境下運(yùn)行，可以通過(guò)改變空空冷卻為開啟式自冷的方式，降低運(yùn)行溫度，提高運(yùn)行可靠性。