密閉空間內(nèi)的溫度場變化對(duì)內(nèi)部轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備影響的分析

陳學(xué)斌

【摘 要】本文主要分析了在密閉空間中，運(yùn)行的轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備在空間內(nèi)溫度場發(fā)生變化時(shí)的運(yùn)行情況，通過分析得出了溫度場分布不均，以及溫度場的變化如何影響到轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備和電動(dòng)機(jī)等重要設(shè)備，經(jīng)過分析機(jī)理，總結(jié)出密閉空間內(nèi)微氣候的健立和控制方法，和空間內(nèi)空氣冷卻器的合理布置形式，以此來達(dá)到空間內(nèi)溫度場的均勻分布的結(jié)果，盡量減少轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備電動(dòng)機(jī)的影響因素，保證電動(dòng)機(jī)運(yùn)行壽命。

【關(guān)鍵詞】密閉空間；溫度場；電動(dòng)機(jī)

中圖分類號(hào)： TU113.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）04-0157-003

Analysis of the influence of temperature field changes on internal rotating equipment in confined space

CHEN Xue-bin

（Qinshan nuclear power operation 5，jiaxing zhejiang 314000，China）

【Abstract】This paper mainly analyzes the in confined Spaces，the operation of the rotating equipment in the space within the operation situation of temperature field changes by analyzing the temperature field distribution is obtained，and how to affect the change of the temperature field and other important equipment，rotating equipment and motor through mechanism analysis，summed up the micro climate has built in confined Spaces and control method of air cooler and space reasonable decorate a form， in order to achieve the uniform distribution of temperature field in the space as a result，as far as possible to reduce the influence factors of motor rotating equipment，ensure the operating life of motor.

【Key words】Confined space；Temperature field；Motor

1 密閉空間內(nèi)的溫度場

在當(dāng)前大部分發(fā)電廠中，其中會(huì)有部分廠房房間的設(shè)置和其中設(shè)備的布置設(shè)計(jì)中，為了保證相關(guān)介質(zhì)的安全性以及人員的安全性，設(shè)備房間一般會(huì)采取密閉的空間，內(nèi)部采用閉式冷卻風(fēng)機(jī)循環(huán)降溫，保證房間內(nèi)的設(shè)備安全穩(wěn)定的運(yùn)行。主要目的是限制房間內(nèi)的溫度，防止對(duì)房間及設(shè)備造成可能的危害，對(duì)房間內(nèi)構(gòu)筑物混凝土進(jìn)行冷卻，避免高溫脆化。

為了保證房間內(nèi)的冷卻，防止溫度過高，一般的設(shè)計(jì)方式是采用內(nèi)部空氣冷卻器等來實(shí)現(xiàn)，空氣冷卻器利用冷卻水來進(jìn)行冷卻，而且一般會(huì)設(shè)置多臺(tái)空氣冷卻器進(jìn)行房間內(nèi)整體區(qū)域的溫度控制，一般實(shí)行對(duì)稱布置。當(dāng)溫度高時(shí)，多啟動(dòng)幾臺(tái)空氣冷卻器，而溫度較高時(shí)會(huì)停運(yùn)幾臺(tái)空氣冷卻器，或者是少啟動(dòng)幾臺(tái)空氣冷卻器，通過此種方式來對(duì)密閉空間內(nèi)的溫度進(jìn)行控制，維持空間內(nèi)的溫度場。而為了保證設(shè)備的可靠性，設(shè)置上一般會(huì)配備有冗余就地空冷器，即空氣冷卻器的數(shù)量肯定是超過房間內(nèi)部溫度控制所需，一般設(shè)置為2倍的數(shù)量，目的是當(dāng)有設(shè)備失效后，避免房間內(nèi)的溫度失去控制，影響設(shè)備的安全運(yùn)行。正常運(yùn)行過程中，針對(duì)冗余的空冷器，對(duì)采取定期切換的方式運(yùn)行，防止某個(gè)空冷器長時(shí)間運(yùn)行導(dǎo)致設(shè)備可靠性降低。

2 電動(dòng)機(jī)振動(dòng)異常的危害

電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生振動(dòng)，會(huì)使繞組絕緣和軸承壽命縮短，影響滑動(dòng)軸承的正常潤滑，振動(dòng)力促使絕緣縫隙擴(kuò)大，使外界粉塵和水分入侵其中，造成絕緣電阻降低和泄露電流增大，甚至形成絕緣擊穿等事故。另外，電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生振動(dòng)，又容易使冷卻器水管振裂，焊接點(diǎn)振開，同時(shí)會(huì)造成負(fù)載機(jī)械的損傷，降低工件精度，會(huì)造成所有遭到振動(dòng)的機(jī)械部分的疲勞，會(huì)使地腳螺絲松動(dòng)或斷掉，電動(dòng)機(jī)又會(huì)造成碳刷和滑環(huán)的異常磨損，甚至?xí)霈F(xiàn)嚴(yán)重刷火而燒毀集電環(huán)絕緣，電動(dòng)機(jī)將產(chǎn)生很大噪音，這種情況一般在直流電機(jī)中也時(shí)有發(fā)生。

3 影響電動(dòng)機(jī)振動(dòng)的原因

1）轉(zhuǎn)子、耦合器、聯(lián)軸器、傳動(dòng)輪（制動(dòng)輪）不平衡引起的。

2）鐵心支架松動(dòng)，斜鍵、銷釘失效松動(dòng)，轉(zhuǎn)子綁扎不緊都會(huì)造成轉(zhuǎn)動(dòng)部分不平衡。

3）聯(lián)動(dòng)部分軸系不對(duì)中，中心線不重合，定心不正確。這種故障產(chǎn)生的原因主要是安裝過程中，對(duì)中不良、安裝不當(dāng)造成的。

4）聯(lián)動(dòng)部分中心線在冷態(tài)時(shí)是重合一致的，但運(yùn)行一段時(shí)間后由于轉(zhuǎn)子支點(diǎn)，基礎(chǔ)等變形，中心線又被破壞，因而產(chǎn)生振動(dòng)。

5）與電機(jī)相聯(lián)的齒輪、聯(lián)軸器有故障，齒輪咬合不良，輪齒磨損嚴(yán)重，對(duì)輪潤滑不良，聯(lián)軸器歪斜、錯(cuò)位，齒式聯(lián)軸器齒形、齒距不對(duì)、間隙過大或磨損嚴(yán)重，都會(huì)造成一定的振動(dòng)。

6）電機(jī)本身結(jié)構(gòu)的缺陷，軸頸橢圓，轉(zhuǎn)軸彎曲，軸與軸瓦間間隙過大或過小，軸承座、基礎(chǔ)板、地基的某部分乃至整個(gè)電機(jī)安裝基礎(chǔ)的剛度不夠。

7）安裝的問題，電機(jī)與基礎(chǔ)板之間固定不牢，底腳螺栓松動(dòng)，軸承座與基礎(chǔ)板之間松動(dòng)等。

8）軸與軸瓦間間隙過大或過小不僅可以造成振動(dòng)還可使軸瓦的潤滑和溫度產(chǎn)生異常。

9）電機(jī)拖動(dòng)的負(fù)載傳導(dǎo)振動(dòng)，比如說電機(jī)拖動(dòng)的風(fēng)機(jī)、水泵振動(dòng)，引起電機(jī)振動(dòng)。

10）交流電機(jī)定子接線錯(cuò)誤、繞線型異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子繞組短路，同步電機(jī)勵(lì)磁繞組匝間短路，同步電機(jī)勵(lì)磁線圈聯(lián)接錯(cuò)誤，籠型異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子斷條，轉(zhuǎn)子鐵心變形造成定、轉(zhuǎn)子氣隙不均，導(dǎo)致氣隙磁通不平衡從而造成振動(dòng)。

4 密閉空間內(nèi)的溫度場變化如何影響到內(nèi)部的轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備

在進(jìn)行密閉空間內(nèi)空氣冷卻器切換的過程中，會(huì)打破原來已經(jīng)長期形成的密閉空間內(nèi)的溫度場，溫度場的變化則會(huì)影響到運(yùn)行中的轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備已經(jīng)形成的一個(gè)穩(wěn)態(tài)環(huán)境，電機(jī)及其相關(guān)部件的熱應(yīng)力和熱脹冷縮已經(jīng)處于一個(gè)穩(wěn)態(tài)的狀態(tài)，而此時(shí)外界溫度場的變化必然會(huì)導(dǎo)致該穩(wěn)定狀態(tài)被打破，電機(jī)需要重建立新的溫度場，而在此過程中，因?yàn)榄h(huán)境溫度的變化，電機(jī)本體的機(jī)械熱應(yīng)力變化，軸與軸瓦間間隙發(fā)生變化，過大或過小均可以造成電機(jī)振動(dòng)的變化，一般發(fā)現(xiàn)，環(huán)境溫度降低，電機(jī)的振動(dòng)會(huì)有一個(gè)下降，而環(huán)境溫度上升，相反的會(huì)導(dǎo)致振動(dòng)有所上升。空氣冷卻器切換過程中房間內(nèi)溫度點(diǎn)的動(dòng)態(tài)變化如下：

空氣冷卻器切換過程中內(nèi)部電動(dòng)機(jī)的狀態(tài)變化：

如以上實(shí)際運(yùn)行中的溫度場變化后，導(dǎo)致明顯的影響到電動(dòng)機(jī)的振動(dòng)和溫度，從一個(gè)穩(wěn)定的溫度場變?yōu)榱硪粋€(gè)溫度場有一個(gè)長時(shí)間的波動(dòng)過程，最終與另一個(gè)溫度場達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，其振動(dòng)參數(shù)也相應(yīng)的發(fā)生明顯的變化。

并且，環(huán)境溫度的變化影響到電機(jī)潤滑油的溫度，而潤滑油溫度的變化會(huì)影響其特性，如溫度太高，黏度降低，油膜無法正常建立，潤滑失效，若溫度過高會(huì)導(dǎo)致潤滑油乳化，油質(zhì)惡化，導(dǎo)致潤滑油失效，威脅到電機(jī)本體。

針對(duì)以上電機(jī)振動(dòng)高的原因分析，密閉環(huán)境內(nèi)的溫度場變化直接影響到內(nèi)部轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備的因素，主要是機(jī)械熱應(yīng)力和機(jī)械部件之間的熱脹冷縮，實(shí)際工作中發(fā)現(xiàn)，對(duì)熱應(yīng)力的影響較明顯，油溫的變化較小。

電動(dòng)機(jī)械對(duì)于溫度的變化無外乎于影響其內(nèi)部的金屬零件及能降低電機(jī)內(nèi)摩擦阻力的潤滑油。我們都知道一個(gè)常識(shí)，金屬會(huì)隨著溫度的變化而熱脹冷縮，對(duì)于電機(jī)而言，尤其是核級(jí)電機(jī)，它是比較精密儀器。溫度的變化會(huì)使軸與軸瓦間間隙幾何尺寸發(fā)生微小的改變，而這些關(guān)鍵的部件的每一微小的變化都會(huì)直接影響到震蕩周期。

我們別忘了還有一個(gè)因素在，那就是溫度還會(huì)使電動(dòng)機(jī)內(nèi)的潤滑油的粘稠發(fā)生改變，從而使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)軸隙的空間及其軸與軸瓦的配合發(fā)生變化。潤滑油對(duì)于電機(jī)來講也是異常重要，要想使電機(jī)里的轉(zhuǎn)動(dòng)件摩擦阻力和磨損減少，在軸承、軸瓦的工作面等處都加有潤滑油，以提高電機(jī)機(jī)構(gòu)中的能量傳遞效率和工作效率，如果溫度發(fā)生變化，潤滑情況也會(huì)發(fā)生變化。

當(dāng)溫度升高至50度以上時(shí)，潤滑油不但會(huì)因粘度降低面迅速擴(kuò)散流失，還會(huì)被氧化變質(zhì)和揮發(fā)而失去潤滑作用，影響電機(jī)性能。

當(dāng)溫度降低時(shí)，潤滑油的粘度增大，摩擦阻力增加，其結(jié)果一方面使能量傳遞效率降低，電機(jī)的轉(zhuǎn)速減小；另一方面軸瓦摩擦阻力增加，油質(zhì)無法建立潤滑油膜，影響電機(jī)的安全。

5 密閉空間內(nèi)空氣冷卻器的布置及空間內(nèi)溫度場的建立和控制分析

空間內(nèi)的循環(huán)通風(fēng)冷卻系統(tǒng)中空氣冷卻器的布置進(jìn)行建模分析：

對(duì)于單個(gè)空氣冷卻器的冷卻能力Q，利用能熱公式進(jìn)行分析確定：

Q=K*F*ΔT

公式中：Q---冷卻能力，Kcal/h

K---傳熱系數(shù)，W/ m2*K

F---冷卻面積，m2

ΔT---傳熱溫差，℃

從以上公式可以看出，空氣冷卻器的工作能力與空冷器的傳熱系數(shù)K，傳熱面積F和傳熱溫差有關(guān)，其中任一參數(shù)的變化，都會(huì)對(duì)空氣冷卻器的冷卻能力Q直接產(chǎn)生影響，一般空氣冷卻器設(shè)計(jì)完成后，其傳熱面積是一個(gè)確定的值，因?yàn)閹缀未笮∫讯?，不再變化，至于傳熱系?shù)K，基本認(rèn)為其是一個(gè)定值，一般變化不大，因此為了便于分析，可以假定K，F(xiàn)這兩個(gè)參數(shù)是不變的，空氣冷卻器的冷卻能力Q則僅隨著傳熱溫差的變化而變化，會(huì)隨著空氣冷卻器入口和出風(fēng)口的溫度以及其內(nèi)部冷卻水的溫度變化而變化，但是因?yàn)榭臻g內(nèi)的溫度以及冷卻水的溫度都會(huì)控制由溫度控制閥控制的比較穩(wěn)定，因而空冷器吸入口風(fēng)的溫度對(duì)其冷卻能力的影響是最大的，最終會(huì)影響到空氣冷卻器出口風(fēng)的溫度，這樣每個(gè)單個(gè)空氣冷卻器的出風(fēng)溫度的細(xì)微變化，會(huì)影響到整個(gè)密閉空間內(nèi)的各區(qū)域溫度場的分布。

密閉空間內(nèi)的溫度場微氣候模型

密閉空間內(nèi)的熱平衡狀態(tài)變化情況按穩(wěn)態(tài)來處理，假定：

①室內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備的散熱和冷卻作用在一時(shí)間內(nèi)是穩(wěn)定的；

②空間內(nèi)的溫度和相對(duì)溫度在高度方向上梯度的變化很小，即空間體積不是很大，溫度和濕度等能在很快時(shí)間內(nèi)擴(kuò)散均勻。

③室內(nèi)的溫度損失，即與外界的熱交換很少，忽略不計(jì)，則擬合出密閉空間內(nèi)的熱平衡方程為：

VρC=α電機(jī)A*N*（Ti-T電機(jī)）+Kc*A熱管*（Ti-T熱管）+K冷卻水*A空氣器*（Ti-T冷卻水）

α電機(jī)---每臺(tái)電機(jī)的外表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/ m2*K

A---每臺(tái)電機(jī)的外表面與空氣接觸的面積，m2

N---空間內(nèi)有N臺(tái)電動(dòng)機(jī)

Kc---密閉空間內(nèi)的熱介質(zhì)流體管線與空氣的傳熱系數(shù)，W/m2*K

A熱管---熱介質(zhì)流體管線的外表面積，m2

K冷卻水---空氣冷卻器的傳熱系數(shù)，W/m2*K

A空氣器---空氣冷卻器的傳熱面積，m2

從模型中分析，有3個(gè)主要因素影響空間內(nèi)的溫度場變化，一是，內(nèi)部電機(jī)運(yùn)行時(shí)的主動(dòng)發(fā)熱，導(dǎo)致室內(nèi)的溫度上升；二是，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)的泵及其熱介質(zhì)管道也會(huì)對(duì)空間內(nèi)進(jìn)行散熱；三是，空氣冷卻器對(duì)空間內(nèi)進(jìn)行冷卻降溫；三種因素中，電動(dòng)機(jī)和熱介質(zhì)的管線均是固定布置，無法改變或難以改變，而空氣冷卻器的位置變化相對(duì)來講比較靈活，根據(jù)位置，溫度以及空間進(jìn)行合理的布置，可以很好的控制空間內(nèi)的溫度場的分布。

針對(duì)密閉空間內(nèi)的空冷器的布置原則是，盡量避免出風(fēng)口直接對(duì)著高溫的轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備，防止在切換和啟停的過程中對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)環(huán)境溫度場造成過大的影響，另外在合理布置時(shí)，應(yīng)盡量保證室內(nèi)溫度場的分布，盡可能的將溫度進(jìn)行均勻的分布?？梢越梃b當(dāng)前研究的溫室微氣候的建立和控制，采用合理布置空間冷卻器分布的位置和溫度的區(qū)域探測(cè)，利用密閉空間內(nèi)再分區(qū)，同時(shí)對(duì)內(nèi)部冷卻風(fēng)向進(jìn)行調(diào)整，控制密閉空間內(nèi)的空氣流場，保證整個(gè)溫度場的均勻分布。

6 對(duì)空氣冷卻器的布置規(guī)則的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和建議

多組空氣冷卻器布置規(guī)則

1）多組空氣冷卻器布置在一起時(shí)，應(yīng)布置形式一致，宜采用成列式布置；應(yīng)避免一部分成列式布置而另一部分成排布置；

2）并排布置的兩臺(tái)空冷器或聯(lián)合空冷器的構(gòu)架立柱之間的距離，不應(yīng)小于3m；

3）盡量避免讓風(fēng)機(jī)冷風(fēng)的出口直對(duì)高溫轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備，如果空間條件限制，可以在出口加裝擋風(fēng)板，防止冷風(fēng)直吹。

4）布置細(xì)節(jié)

i.空冷器管束兩端管箱和傳動(dòng)機(jī)械處應(yīng)設(shè)置平臺(tái)；

ii.布置空冷器的構(gòu)架或主管廊的一側(cè)地面上應(yīng)留有必要的金屬軟管補(bǔ)償器檢修場地和通道。

有條件下的密閉空間微氣候的建立和布置

如果在密閉空間設(shè)計(jì)之初，有足夠能力，可以對(duì)重要轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備所在的密閉空間進(jìn)行微氣候設(shè)備的安裝，如可調(diào)風(fēng)向冷卻風(fēng)機(jī)的布置和各區(qū)域溫度探頭的安裝，采用多點(diǎn)風(fēng)機(jī)布置，同時(shí)溫度探頭的測(cè)溫點(diǎn)增加數(shù)量，采用分小區(qū)域多點(diǎn)均衡測(cè)溫，分隔空間對(duì)其再細(xì)分化，對(duì)每一小區(qū)域進(jìn)行單獨(dú)溫度測(cè)量，同時(shí)可采用微型計(jì)算機(jī)的聯(lián)動(dòng)控制，溫度的高低自動(dòng)控制風(fēng)機(jī)的風(fēng)向和冷卻水溫，來控制整個(gè)密閉空間內(nèi)的溫度場在要求范圍內(nèi)。