漿液循環(huán)泵電機冷卻方式的優(yōu)化分析

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)營情況日益嚴峻的新時代背景下，各個發(fā)電廠都在努力降低廠用電以提高發(fā)電機組的利用效率，提高設備的盈利能力。在環(huán)保壓力日益嚴峻的新時代形勢下，環(huán)保設備的安全、穩(wěn)定運行將直接關系到企業(yè)的盈利能力，進而影響到企業(yè)生存。

華電渠東發(fā)電有限公司脫硫區(qū)域漿液循環(huán)泵電機是該公司環(huán)保設備中極其重要的高壓電動機，此次分析的漿液循環(huán)泵電機位于漿液循環(huán)泵泵房中，在投產(chǎn)至今的10年間，每逢盛夏炎熱天氣，電機的運行溫度極高，軸承和繞組溫度時常突破電機正常允許運行的最高溫度。在現(xiàn)場實際運維過程中，通過加裝軸流風機的方式，對運行中的漿液循環(huán)泵電機進行強迫風冷散熱，雖然有一定效果，但治標不治本，電機依然在較高的臨界溫度運行，導致電機軸承油脂加速老化，軸承加速磨損，線圈繞組絕緣壽命降低，使電機的檢修次數(shù)增多，電機使用壽命降低，造成設備運行可靠性降低，盈利能力差等問題。

作者對電機的運行環(huán)境進行分析，提出了對電機現(xiàn)有冷卻方式進行優(yōu)化升級的建議和措施，在研究主要存在問題以及需要解決的疑難問題后，提出多種方案進行分析，最終選定可行性方案，并付諸實施。

1 現(xiàn)狀診斷

華電渠東發(fā)電有限公司#1機組A漿液循環(huán)泵電機(以下簡稱#1A漿液泵電機)位于#1機組脫硫吸收塔漿液循環(huán)泵泵房內(nèi)，泵房有8臺漿液循環(huán)泵電機，#1A漿液泵電機位于東北角，泵房西側有兩扇大門，東南側有一小門，小門外為樓梯間，南北兩側不通。泵房內(nèi)通風不暢且高壓電機較多，盛夏時節(jié)泵房內(nèi)熱浪翻騰，致使電機散熱效果差，而#1A漿液泵電機所處位置是8臺電機中散熱效果最差的。

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

現(xiàn)場實際運行當中，如果不外加風機進行散熱，電機運行溫度會遠遠超過報警值(定子繞組溫度80℃)，為使電機能夠繼續(xù)運行，在外加風機散熱的情況下，軸承的最高溫度達到76℃以上，繞組最高溫度達到90℃以上。

電機長期運行在高溫臨界狀態(tài)，由于熱膨脹原因，電機振動增大，噪聲污染嚴重;電機繞組絕緣層會加速老化，電機壽命明顯降低;軸承潤滑脂會加速變質，軸承間隙變大，電機運行可靠性降低;需要外加風機散熱，泵房內(nèi)臨時電源線較多，影響現(xiàn)場巡檢及人員安全。

2 方案分析

2.1 電機運行環(huán)境改造

在泵房東側墻壁上開孔加裝軸流風機進行散熱，雖然會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的運行溫度，而且會改變泵房的承重結構，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構也會出現(xiàn)問題，導致泵房墻體、墻面等位置出現(xiàn)可能的積水或腐蝕等現(xiàn)象。

2.2 電機冷卻方式改變

#1A漿液泵電機型號為YKK－500－4，額定功率為720 kW，額定電流為79.5 A，額定轉速為1 490 r/min，防護等級為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)在轉子、定子雙空冷的基礎上，增加一項水冷，在電機外殼上焊接散熱片，散熱片內(nèi)連接水管，利用廠用開式水冷卻電機外殼，達到降低電機運行溫度的目的。

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

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空空冷卻器風扇布置在電機非驅動端，風箱布置在電機頂部，冷風從風扇吹入，通過頂部的風箱從電機驅動端上部的出風口吹出，電機空冷器形成散熱外循環(huán)，電機的定轉子通過驅動端的風扇形成內(nèi)循環(huán)，外循環(huán)帶走內(nèi)循環(huán)的熱量進行散熱，散熱效率較低，但電機的防護等級高。

改為開啟式自冷，去除電機非驅動端風扇，將電機頂部的風箱改為新的形式，利用電機轉子驅動端自帶的風扇將外界空氣從非驅動端進風口吸進，冷風直接通過電機的定轉子從電機驅動端頂部的出風口排出，雙循環(huán)冷卻變?yōu)橹苯永鋮s，散熱效率會明顯提高，從而達到降低電機運行溫度的目的。這樣的改造方式，只需對電機風箱進行改造，拆除原有散熱風扇加裝保護罩，投入的資金量較小，只需要做好電機防護等級的控制，就會有較好的效果。最終選擇此方案。

3 問題解決

3.1 選定方案存在的問題

(1)電機防護等級的下降所帶來的安全隱患如何消除。

(2)新風箱風道如何設計才能達到最好的散熱效果，并且不破壞電機運行的平衡狀態(tài)。

3.2 問題分析

3.2.1 防護等級下降問題分析

原有電機防護等級為 IP54，根據(jù) GB 4208—2008《外殼防護等級(IP 標志)》［2］的規(guī)定，此電機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影響電機的正常運作;可以防止各個方向飛濺而來的水侵入電機而造成損壞。

由此來看，電機原有的防護等級在泵房的室內(nèi)環(huán)境下是高標準的。泵房內(nèi)灰塵濃度較低，外物和昆蟲也較少，不存在各個角度的水淋情況，空氣濕度較低，可以將防塵等級從5降低到3，防水等級從4降低到3，防護等級調整為IP33，調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而造成損壞。

對于在泵房內(nèi)運行的#1A漿液泵電機而言，此種防護等級完全滿足安全、穩(wěn)定運行要求。

3.2.2 風道設計問題分析

風箱的設計要保證冷風吹過電機繞組，又不破壞電機的整體平衡，則外形設計與原風箱保持一致，所有螺絲開孔與原風箱保持一致，長寬高保持不變，內(nèi)部風道進行重新設計，風的流向為電機非驅動端進入經(jīng)過電機定轉子后從電機驅動端吹出，風道要設計成弧形，并有吸音隔音材料和止振材料。經(jīng)過不斷修改，最終把風道設計定型［3］，優(yōu)化后風道設計如圖2所示。

圖2 優(yōu)化后風道設計草圖Fig.2 Draft of optimized duct design

由圖2可知，冷風進入風箱后，直接通過定轉子繞組，然后從驅動端正上方出風口吹出。風箱的導風板由止振材料包裹，風箱內(nèi)部由吸音材料包裹，進風口為百葉窗結構，內(nèi)設雙層濾網(wǎng)，風箱與電機的連接面由密封條進行密封，這樣的風箱完全能夠滿足使用要求。

4 實施階段

(1)風箱按照要求制作完成后運抵生產(chǎn)現(xiàn)場，防護罩等一并運抵。

(2)拆除原電機非驅動端風扇、風箱，做好記錄留作備用［4］。風箱更換完成后，在驅動端裸露的大軸部分安裝保護罩。

(3)安裝完成后，進行120 min電機空轉測試，每10 min記錄繞組溫度、軸承溫度、電流、電壓及振動值［4－7］。經(jīng)過實測，拆除非驅動端風扇后空轉電流下降1.21 A。

(4)空轉測試電機各項數(shù)值無異常后［1，5，8］，連接對輪，帶負荷運行，進行實際驗證。

實施階段在2017年5月25日結束，#1A漿液泵電機(如圖3所示)投入實際運行，至今經(jīng)過連續(xù)3年的高溫天氣運行考驗，效果良好。

圖3 實物圖Fig.3 Physical drawing

5 改造效果

5.1 同工況下的對比

1A與1B電機溫度對比如圖4所示。#1A漿液泵電機冷卻方式改造后第9天，與#1B漿液泵電機的溫度對比。繞組溫度93℃對比73℃，軸承溫度53℃對比46℃，溫度明顯降低(此時#1B漿液泵電機有2臺散熱風機輔助散熱，環(huán)境溫度36℃，負荷相同)。

圖4 溫度對比Fig.4 Temperature comparison

5.2 溫度比較

改造前后#1A漿液泵電機繞組、軸承溫度對比如圖5所示。2017年取了有標志性的4個溫度，對比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，電機的運行溫度明顯降低。而且數(shù)據(jù)中有一個不能體現(xiàn)的關鍵點，2016年的數(shù)據(jù)是在外加2臺散熱風機的情況下得出的溫度數(shù)值，2017年的數(shù)據(jù)是未加風機的溫度數(shù)值。

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

圖5 改造前后#1A漿液泵電機繞組、軸承溫度對比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)運行的可靠性

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

電機的運行可靠性明顯提高，解體檢修頻率可由1年1次變?yōu)?年1次，且軸承潤滑脂情況良好，軸承無過熱磨損痕跡，軸承無需頻繁更換，軸承油脂無需頻繁補充，降低能耗的同時，降低了維護成本。

6 結論

(1)拆除電機非驅動端風扇后，實測空轉電流由22.749 A 下降至21.539 A，下降了 1.210 A，電機內(nèi)置拖動損耗下降1%，同樣輸出功率下每小時節(jié)電7.2 kW·h，每年節(jié)電63072.0 kW·h。

(2)無需外加散熱風機散熱，每臺風機功率為2 kW，總功率4 kW，按照連續(xù)運行100 d計算，每年節(jié)電9600 kW·h。

(3)漿液循環(huán)泵電機運行可靠性提高，維護成本降低，保證機組脫硫效率，保證機組環(huán)保高效運行。

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