同步電機勵磁機高溫解決方案研究

史寧崗，黃盛華

1中國石油天然氣股份有限公司管道分公司，河北 廊坊2中國石油管道局工程有限公司國際事業(yè)部，河北 廊坊

1.概況

陜京二線興縣壓氣站采用三臺離心式電驅(qū)壓縮機組為長輸管道天然氣增壓。其中主驅(qū)動電機為GE公司(原法國CONVERTEAM 公司)生產(chǎn)的雙繞組同步電機，額定電壓4400V，額定功率17.2MW，該同步電機轉(zhuǎn)子勵磁電流由與主電機同軸的旋轉(zhuǎn)整流盤式勵磁機提供。

勵磁機在產(chǎn)生交流電及整流盤將交流電轉(zhuǎn)換為直流勵磁電流的過程中將產(chǎn)生大量的熱量，該熱量由主電機冷卻系統(tǒng)進行散熱，其示意圖及本體風(fēng)道走向圖如圖1所示。

2.問題及原因分析

主電機及勵磁機的全部散熱由主電機頂部換熱器進行，主電機內(nèi)部轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，將熱量帶至頂部換熱器進行冷卻，冷卻后的冷空氣經(jīng)主電機兩端底部進行循環(huán)。在主電機非驅(qū)動端底部有勵磁機通風(fēng)散熱孔道，冷空氣、熱空氣均由主電機非驅(qū)動端底部流入和流出，這將導(dǎo)致勵磁機冷卻換熱通風(fēng)量小，勵磁機散熱效果不佳，勵磁機罩殼內(nèi)溫度較高，勵磁機運行環(huán)境相對較為惡劣，勵磁機轉(zhuǎn)子部分元件長期在高溫環(huán)境下運行導(dǎo)致老化加速、進而燒毀。在2015年10月，興縣壓氣站DY401機組勵磁機轉(zhuǎn)子繞組燒毀事件中得到了充分驗證。

為了獲取勵磁機罩殼內(nèi)的溫度情況，在2016年8月31日14:00分別選取罩殼上不同點位用紅外測溫槍進行了測量，測量結(jié)果為：罩殼所進冷空氣溫度為65.2℃，罩殼內(nèi)熱端溫度達到了99.6℃，勵磁機運行環(huán)境較為惡劣。

3.解決方案

針對上述勵磁機通風(fēng)系統(tǒng)的缺點，通過研究提出以下解決方案：

方案1：增加電機內(nèi)、外部換熱器的換熱面積：電機內(nèi)部的熱量是通過空(電機內(nèi)部)/水–水/空(外部環(huán)境)的交換方式將熱量傳遞出去的，因此通過增加電機內(nèi)、外部換熱器的換熱面積，能有效降低電機內(nèi)部整體的環(huán)境溫度，從而間接降低勵磁機的環(huán)境溫度。

方案2：增加正壓通風(fēng)的通風(fēng)量：在電機正常運轉(zhuǎn)時，需要引入外部的壓縮空氣作為正壓通風(fēng)氣源，以維持電機內(nèi)部的防爆環(huán)境。壓縮空氣的溫度一般在20℃左右，所以，可以通過增加正壓通風(fēng)的通風(fēng)量，降低電機內(nèi)部整體的環(huán)境溫度，進而降低勵磁機的內(nèi)部環(huán)境溫度。

方案3：改善勵磁機的通風(fēng)環(huán)境：通過測量發(fā)現(xiàn)，勵磁機通風(fēng)環(huán)境溫度整體高于主電機通風(fēng)環(huán)境溫度，而主電機在負荷加大時，勵磁機通風(fēng)環(huán)境溫度變化較大，主電機通風(fēng)環(huán)境溫度變化不大，因此可以通過增大勵磁機與主電機之間的通風(fēng)管路，提高勵磁機通風(fēng)量來降低勵磁機內(nèi)部環(huán)境溫度。

Figure 1.The heat dissipation diagram of original exciter 圖1.原勵磁機散熱示意圖

上述3項方案均可實現(xiàn)勵磁機內(nèi)部環(huán)境溫度的改善，但通過對比發(fā)現(xiàn)：方案1改動部件較多，改造成本高，而且受電機空間的限制，內(nèi)部換熱器改造難度較大，同時，該方案為間接降溫方案，如果主電機與勵磁機通風(fēng)環(huán)境未得到改善，主電機內(nèi)部環(huán)境溫度的降低給勵磁機帶來的溫降影響將受到限制。方案2 雖然改造部分不多，但要達到預(yù)期效果，需要的外部壓縮空氣量將大幅提高，運行成本將大大增加。方案3直接針對問題進行改進，改動成本不大，且主電機內(nèi)部換熱器仍有換熱空間，改造后既能降低勵磁機內(nèi)部環(huán)境溫度，又不影響主電機的正常運行。因此，選擇方案3作為改造的實施方案。

通過分析勵磁機旋轉(zhuǎn)過程中內(nèi)部冷卻空氣的流向，從增大勵磁機通風(fēng)管路，改變勵磁機冷空氣進風(fēng)通道，加裝勵磁機罩殼內(nèi)溫度傳感器、冷卻空氣流量傳感器及顯示儀表3方面入手解決。首先，將原本設(shè)計的勵磁機冷空氣進風(fēng)通道改為熱空氣回風(fēng)通道，這樣熱空氣回風(fēng)通道就由原來的1條通道改為現(xiàn)在的2 條通道，回風(fēng)通道截面積為原設(shè)計的2 倍。其次，將勵磁機冷空氣進風(fēng)通道由主電機冷卻器直接引至勵磁機罩殼頂部，進風(fēng)通道由2條直徑為200mm 的圓形管路組成，進風(fēng)通道截面積為原設(shè)計的4 倍。冷卻空氣從頂部送入勵磁機，經(jīng)過整個勵磁機熱交換后通過底部回風(fēng)通道進行循環(huán)[1]。最后，在勵磁機罩殼內(nèi)冷端、熱端分別加裝2 個溫度傳感器，在冷卻空氣進氣通道口加裝2個空氣流量溫度一體傳感器，且在勵磁機外殼增加溫度、流量外部顯示儀表，將6個傳感器實時數(shù)據(jù)現(xiàn)場顯示(圖2)。

4.結(jié)語

通過改善勵磁機的通風(fēng)環(huán)境，勵磁機罩殼內(nèi)溫度下降了20℃左右，勵磁機運行環(huán)境明顯改善，勵磁機內(nèi)部元件故障率下降了60%左右，壓縮機組勵磁機可靠率、可用率大幅提升，故障率大幅降低，改造之后的勵磁機運行狀態(tài)平穩(wěn)。

加裝冷卻空氣溫度、流量傳感器及就地顯示裝置之后，填補了以前無法監(jiān)測勵磁機內(nèi)部冷卻空氣溫度的空白，給值班巡檢及設(shè)備管理帶來了極大方便，可以隨時觀察勵磁機罩殼內(nèi)部溫度，提前預(yù)判設(shè)備相關(guān)各系統(tǒng)發(fā)生故障的現(xiàn)象，提前采取相應(yīng)措施，從而保證設(shè)備穩(wěn)定運行。

Figure 2.The heat dissipation chart of exciter after retrofit 圖2.改造后勵磁機散熱圖