甘 捷

(國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)川氣東送天然氣管道有限公司，湖北 武漢 430000)

1 引言

目前，天然氣長(zhǎng)輸管道上使用的壓縮機(jī)最常見(jiàn)的驅(qū)動(dòng)裝置是高壓電動(dòng)機(jī)，但隨著高壓電機(jī)使用年限和運(yùn)行工況的影響，在運(yùn)行中會(huì)出現(xiàn)電動(dòng)機(jī)繞組溫度較高的現(xiàn)象，電機(jī)如果長(zhǎng)期在繞組溫度較高的狀態(tài)下運(yùn)行，會(huì)影響到電機(jī)絕緣性能和使用壽命，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)發(fā)生電氣火災(zāi)安全事故。對(duì)于電機(jī)運(yùn)行時(shí)的繞組溫度變化往往是用溫升來(lái)進(jìn)行衡量，電機(jī)的允許溫升跟電機(jī)絕緣材料的絕緣等級(jí)相關(guān)，當(dāng)溫升突然增大或超過(guò)最高工作溫度時(shí)，說(shuō)明電機(jī)可能已出現(xiàn)故障，需要停機(jī)檢修；當(dāng)環(huán)境溫度和運(yùn)行負(fù)載發(fā)生改變，溫升也會(huì)隨之發(fā)生變化，雖然此時(shí)電機(jī)繞組溫度較高，但可以通過(guò)外部條件因素進(jìn)行控制。在某天然氣長(zhǎng)輸管道上曾出現(xiàn)過(guò)壓縮機(jī)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)繞組溫度較高的現(xiàn)象，通過(guò)對(duì)電機(jī)繞組溫度高的原因進(jìn)行查找分析，采取了清理電機(jī)換熱器、增大冷卻水流量和降低電機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)減少電機(jī)運(yùn)行電流的措施進(jìn)行處理，確保電機(jī)繞組溫度不高于安全工作溫度。

2 壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)繞組溫度高的影響

壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，根據(jù)電機(jī)的絕緣等級(jí)不同，對(duì)繞組溫度的要求也不同，壓縮機(jī)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)絕緣等級(jí)往往是F級(jí)，電機(jī)繞組極限工作溫度要求不高于155 ℃。對(duì)此，為了確保電機(jī)的安全運(yùn)行，往往對(duì)電機(jī)繞組溫度設(shè)置連鎖停機(jī)邏輯，連鎖停機(jī)一般設(shè)置在145 ℃，這是因?yàn)楫?dāng)電機(jī)的運(yùn)行溫度長(zhǎng)期超過(guò)極限工作溫度時(shí)，電機(jī)的絕緣性能老化將加劇，嚴(yán)重影響使用壽命，特別是電機(jī)使用年限已達(dá)到10年以后，這種影響將會(huì)更加明顯。因此，時(shí)刻關(guān)注電機(jī)繞組溫度的變化，有助于判斷電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)是否異常[1]。

3 壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)繞組溫度高的原因分析

造成電機(jī)繞組溫度偏高的影響因素主要有電機(jī)運(yùn)行工況的變化、電機(jī)通風(fēng)散熱問(wèn)題和電機(jī)自身故障等方面。針對(duì)電機(jī)繞組溫度偏高的問(wèn)題，也是建議先從這些影響因素進(jìn)行排查確定。

3.1 電機(jī)運(yùn)行工況的影響

電機(jī)運(yùn)行工況的影響主要體現(xiàn)在電網(wǎng)頻率異常、電機(jī)三相電壓不平衡和電機(jī)過(guò)載運(yùn)行等方面[2]。電機(jī)一般是由變頻裝置進(jìn)行供電驅(qū)動(dòng)，電機(jī)轉(zhuǎn)速和功率會(huì)跟隨變頻裝置的頻率變化，當(dāng)頻率增大時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速就會(huì)增大，對(duì)應(yīng)的電機(jī)做功就更多，運(yùn)行電流也會(huì)增大，導(dǎo)致電機(jī)繞組溫度升高。當(dāng)電機(jī)的三相電壓不平衡時(shí)，電機(jī)內(nèi)就會(huì)有逆序電流和逆序磁場(chǎng)存在，產(chǎn)生較大的逆序扭矩，造成電機(jī)三相電流分配不平衡，使某相繞組電流增大，從而使電機(jī)繞組溫度升高。當(dāng)壓縮機(jī)的進(jìn)口流量較大，電機(jī)高轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時(shí)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)的機(jī)械負(fù)荷很容易超過(guò)正常值，電機(jī)雖然可以勉強(qiáng)帶動(dòng)，但電機(jī)已處于過(guò)載運(yùn)行狀態(tài)，這樣會(huì)使電機(jī)電流增大，嚴(yán)重的時(shí)候會(huì)超過(guò)額定電流值，這些都會(huì)使電機(jī)繞組溫度升高。

3.2 通風(fēng)散熱方面的影響

當(dāng)電機(jī)通風(fēng)散熱效果不好時(shí)，也是會(huì)造成電機(jī)內(nèi)部溫度升高，而影響電機(jī)通風(fēng)散熱的因素主要有電機(jī)冷卻器堵塞、電機(jī)轉(zhuǎn)子兩端的風(fēng)扇卡滯、電機(jī)繞組表面存在較多污垢灰塵等。電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，當(dāng)電機(jī)的發(fā)熱量大于散熱量時(shí)，電機(jī)的內(nèi)部溫度會(huì)不斷升高，導(dǎo)致電機(jī)燒壞，因此，為了確保電機(jī)的散熱量大于發(fā)熱量，都會(huì)采取一些技術(shù)措施對(duì)電機(jī)進(jìn)行散熱降溫。電機(jī)散熱有風(fēng)冷、油冷和水冷等方式，壓縮機(jī)的高壓電動(dòng)機(jī)最常見(jiàn)的散熱方式就是外置水冷和內(nèi)置風(fēng)冷，外置水冷是在電機(jī)上方安裝一臺(tái)管束冷卻器，采用外循環(huán)水換熱降溫的方法對(duì)電機(jī)內(nèi)部溫度進(jìn)行降低，如果冷卻器的管束存在堵塞，就會(huì)造成通過(guò)電機(jī)的外循環(huán)水流量低，換熱面積小從而影響電機(jī)的內(nèi)部換熱，造成電機(jī)內(nèi)部溫度升高。內(nèi)置風(fēng)冷是電機(jī)轉(zhuǎn)子兩端安裝有冷卻風(fēng)扇，風(fēng)扇出現(xiàn)卡滯問(wèn)題也會(huì)影響到電機(jī)的正常散熱[3]，電機(jī)內(nèi)的繞組表面附著較多污垢灰塵也是會(huì)直接影響到電機(jī)繞組的熱交換。

3.3 電機(jī)自身內(nèi)部故障

電機(jī)內(nèi)部出現(xiàn)繞組測(cè)溫元件故障，電機(jī)絕緣性能降低或電機(jī)軸承故障等也會(huì)導(dǎo)致電機(jī)繞組溫度升高。當(dāng)電機(jī)繞組測(cè)溫元件出現(xiàn)故障時(shí)，測(cè)量的溫度值變大，在后臺(tái)監(jiān)控主機(jī)上就會(huì)出現(xiàn)繞組溫度升高的情況。電動(dòng)機(jī)的溫升與絕緣等級(jí)直接相關(guān)，當(dāng)電機(jī)絕緣性能降低時(shí)，熱傳導(dǎo)能力將會(huì)下降，電動(dòng)機(jī)的溫升相應(yīng)的會(huì)增加。電機(jī)軸承出現(xiàn)故障時(shí)，電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中很容易出現(xiàn)過(guò)載現(xiàn)象，導(dǎo)致電機(jī)運(yùn)行電流增加，從而是電機(jī)繞組溫度升高。

4 處理措施

在某壓縮機(jī)站場(chǎng)有3臺(tái)高壓電動(dòng)機(jī)，絕緣等級(jí)都是F級(jí)，1#壓縮機(jī)在夏季運(yùn)行時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的繞組溫度一直處于較高狀態(tài)，當(dāng)時(shí)環(huán)境溫度是28 ℃，電動(dòng)機(jī)繞組溫度最高達(dá)到133 ℃，接近高報(bào)值135 ℃。于是，對(duì)該臺(tái)機(jī)組進(jìn)行停機(jī)，啟動(dòng)運(yùn)行2#壓縮機(jī)，但是2#壓縮機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，也出現(xiàn)電機(jī)繞組溫度較高的現(xiàn)象，接近報(bào)警值，又對(duì)3#壓縮機(jī)進(jìn)行啟動(dòng)運(yùn)行，電機(jī)繞組溫度同樣接近報(bào)警值。由于這3臺(tái)機(jī)組都出現(xiàn)電機(jī)繞組溫度較高的現(xiàn)象，先從電機(jī)自身故障進(jìn)行排查，查看近期電機(jī)的絕緣性能測(cè)試記錄，未發(fā)現(xiàn)異常；電機(jī)的測(cè)溫元件和軸承都進(jìn)行了檢查，也無(wú)異常，可以排除電機(jī)自身故障引起的。對(duì)此，接下來(lái)從電機(jī)的運(yùn)行工況和通風(fēng)散熱效果進(jìn)行考慮分析。

4.1 電機(jī)運(yùn)行工況分析

為了查找3臺(tái)機(jī)組都出現(xiàn)電機(jī)繞組較高的問(wèn)題原因，查看電網(wǎng)頻率、電機(jī)三相電壓都正常。從機(jī)組的運(yùn)行工況變化來(lái)進(jìn)行對(duì)比分析，以1#機(jī)組為例，通過(guò)1#機(jī)組的電機(jī)轉(zhuǎn)速、進(jìn)口流量、電機(jī)電流和繞組溫度之間的變化情況來(lái)看，如表1，在進(jìn)出口壓力接近，電機(jī)轉(zhuǎn)速不變的情況下，電機(jī)電流隨著壓縮機(jī)進(jìn)口流量成正向關(guān)系，進(jìn)口流量越大，對(duì)應(yīng)的電機(jī)電流也就越大，這是因?yàn)閴嚎s機(jī)進(jìn)口流量增加以后，電機(jī)需要更多的能量驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)對(duì)氣體做功，以致電機(jī)電流隨之增加，對(duì)應(yīng)的電機(jī)繞組溫度也升高?？紤]到大氣環(huán)境溫度的影響，表1中收集的數(shù)據(jù)是在夏季同期一段時(shí)間內(nèi)進(jìn)行記錄的，同期環(huán)境溫度影響范圍會(huì)在1～2 ℃，在電機(jī)轉(zhuǎn)速、進(jìn)口流量變化不大的情況下可以不做比較。

表1 1#機(jī)組相關(guān)運(yùn)行參數(shù)

電機(jī)的通風(fēng)散熱效果直接會(huì)影響到電機(jī)的繞組正常情況下，電機(jī)轉(zhuǎn)速越大、電機(jī)電流應(yīng)該越大，但從表1中也可以看出，電機(jī)轉(zhuǎn)速分別在1360 r/min、1430 r/min的條件下運(yùn)行時(shí)，進(jìn)口流量對(duì)電機(jī)電流的大小起到了主導(dǎo)作用，即使電機(jī)轉(zhuǎn)速很高，但進(jìn)口流量不大，電機(jī)電流也不會(huì)很高，對(duì)應(yīng)的電機(jī)繞組溫度也不會(huì)高。進(jìn)一步說(shuō)明了進(jìn)口流量對(duì)電機(jī)電流和繞組溫度的影響是非常大的，也可以判斷電機(jī)繞組溫度異常升高的主要原因是壓縮機(jī)進(jìn)口流量大大增加，使得電機(jī)運(yùn)行負(fù)荷增加，從而導(dǎo)致電機(jī)電流增大，繞組溫度升高。因此，在不影響管道生產(chǎn)的情況下，可以通過(guò)降低電機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)減小電機(jī)運(yùn)行電流，對(duì)降低電機(jī)繞組溫度也能起到一定的作用。

4.2 電機(jī)通風(fēng)散熱情況排查

溫度變化，也是需要對(duì)電機(jī)通風(fēng)散熱情況進(jìn)行檢查。打開(kāi)電機(jī)換熱器的管束接口，對(duì)各個(gè)管束進(jìn)行檢查，用毛刷子對(duì)各個(gè)管束通道進(jìn)行清理，未發(fā)現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，對(duì)電機(jī)的繞組進(jìn)行檢查，定子線圈繞組表面未發(fā)現(xiàn)較多的灰塵和油污，對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子兩端的風(fēng)扇進(jìn)行了檢查，風(fēng)扇葉片完好，也未發(fā)現(xiàn)異常情況。當(dāng)電機(jī)換熱器外循環(huán)水的進(jìn)水流量較低或進(jìn)水溫度較高時(shí)，這對(duì)電機(jī)就起不到很好的換熱降溫效果。通過(guò)對(duì)電機(jī)外循環(huán)水的冷卻塔由原先的3臺(tái)運(yùn)行調(diào)整為4臺(tái)運(yùn)行，觀察發(fā)現(xiàn)電機(jī)的繞組溫度可以下降2～3 ℃。當(dāng)外循環(huán)水的冷卻塔由原先的3臺(tái)運(yùn)行調(diào)整為2臺(tái)運(yùn)行時(shí)，觀察發(fā)現(xiàn)電機(jī)的繞組溫度會(huì)上升5 ℃左右，這說(shuō)明了冷卻塔對(duì)外循環(huán)水的換熱冷卻效果也是影響電機(jī)繞組溫度的因素之一。這是因?yàn)橹挥挟?dāng)電機(jī)換熱器外循環(huán)水進(jìn)水溫度較低、流量較大時(shí)，才能更好地與電機(jī)進(jìn)行換熱來(lái)降低電機(jī)內(nèi)部溫度，但隨著冷卻塔運(yùn)行年限長(zhǎng)，它的冷卻換熱效果也必然會(huì)變差，如果冷卻塔的換熱能力達(dá)不到要求，對(duì)外循環(huán)水冷卻降溫的作用有限，電機(jī)無(wú)法正常熱交換，也是會(huì)導(dǎo)致電機(jī)繞組溫度升高。

5 結(jié)論

本文對(duì)可能影響壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)繞組溫度升高的因素進(jìn)行分析，得出電機(jī)在非自身內(nèi)部故障的情況下，電機(jī)繞組溫度升高與電機(jī)運(yùn)行電流大和電機(jī)換熱器外循環(huán)水進(jìn)水溫度高及流量小有關(guān)。當(dāng)電機(jī)繞組溫度較高時(shí)，可以通過(guò)適當(dāng)降低電機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)減小電機(jī)運(yùn)行電流，從而降低電機(jī)繞組溫度。在電機(jī)通風(fēng)換熱方面，要保證電機(jī)換熱器外循環(huán)水的進(jìn)水溫度和流量滿足工作要求，這樣電機(jī)換熱器才能起到很好地?fù)Q熱冷卻作用。