高壓電動機軟起動裝置應(yīng)用導(dǎo)則

1 概述

熱管式冷卻技術(shù)的發(fā)明可以溯源于1942年申請并于1944年公布的美國專利，而實際上最早的成功應(yīng)用是在1964年美國的宇航技術(shù)上，隨后在各國科學(xué)界的努力下，熱管技術(shù)在理論設(shè)計、制造工藝以及應(yīng)用領(lǐng)域上都取得了極大發(fā)展。目前，作為一種成熟的冷卻技術(shù)，熱管作用高效傳熱元件已在許多工業(yè)領(lǐng)域得到推廣應(yīng)用。我國從上世紀(jì)50年代由中科院力學(xué)所等單位開始開展此項技術(shù)的研究工作，并陸續(xù)研制成功各種熱管;80年代以后我國更多單位參與熱管技術(shù)的應(yīng)用研究，而且在電子工業(yè)、空間技術(shù)、能源工程等領(lǐng)域獲得了成功應(yīng)用。

對于熱管在電機的冷卻技術(shù)中的應(yīng)用早已有人提出，并取得了一定的成果，還研制出一些容量比較小的電動機樣機，但大多數(shù)工作仍處于試驗研究階段，離實際生產(chǎn)應(yīng)用有一段距離。研究者或者僅是提出了高壓電動機熱管式冷卻器的可行性研究論文[1>，或者僅綜述性地展望了熱管技術(shù)在電機冷卻方面的良好前景[2>，但正如文獻[2>作者十幾年前在文章結(jié)語中所說，"熱管在電機冷卻中的應(yīng)用還處于試驗探索階段，試驗電機的容量都比較小。要實現(xiàn)熱管在電機冷卻(特別是大中型電機)中的工業(yè)應(yīng)用，還要做大量的理論研究和試驗分析工作。"我們在進行此項"高壓電動機熱管式冷卻器研制"課題的研究、開發(fā)過程中，沒有可以模仿的先例，靠我們自己掌握的電機設(shè)計和制造基礎(chǔ)以及其它行業(yè)成功的熱管技術(shù)應(yīng)用經(jīng)驗，依靠良鄉(xiāng)電力修造廠雄厚的電機生產(chǎn)能力，完全靠自己走出了一條大中型電機冷卻技術(shù)的新路。

為此，我們在大中型高壓電動機上應(yīng)用熱管冷卻技術(shù)方面進行了探索性試驗和應(yīng)用。

2 在火電廠大中型高壓電動機上應(yīng)用熱管技術(shù)的可行性

2.1 傳統(tǒng)列管式冷卻器存在的問題

大中型高壓電動機冷卻器目前廣泛采用列管式水-空型或空-空型結(jié)構(gòu)。運行時水-空型冷卻器是冷卻管內(nèi)通冷卻水，電機內(nèi)部熱空氣在風(fēng)壓的作用下流過冷卻管的外表面，與管內(nèi)冷卻水進行熱交換，達到冷卻電機的目的;空-空型冷卻器與水-空型冷卻器換熱原理一樣，只是冷卻管內(nèi)的冷卻水改成冷卻空氣而已。

若采用空-空換熱，即用外界冷空氣冷卻電機內(nèi)的熱空氣，熱空氣走管外，冷空氣走管內(nèi)，存在的問題主要是管內(nèi)換熱面積小，流動阻力大，冷卻器重量較重。

如果采用水-空換熱，則電機內(nèi)的熱空氣走管外，冷卻水走管內(nèi)，它存在原主要問題是:

◆對冷卻器使用的銅管材要求高，否則將造成銅管的脫鋅腐蝕，由此導(dǎo)致泄漏，漏入電機的水會造成電動機嚴(yán)重?fù)p壞事故;

◆對冷卻水的要求高，如果水不干凈或夾帶泥沙容易堵塞管子，冷卻器維護量大，要定期對冷卻器管子進行沖洗和捅刷，一旦磨損致使水漏入電機，將造成電動機嚴(yán)重?fù)p壞事故;

◆由于水溫低，很容易出現(xiàn)局部管壁溫度低于電機內(nèi)空氣的露點溫度，凝結(jié)水夾帶在空氣中，將損壞電機的絕緣。

2.2 使用熱管式空氣冷卻器的優(yōu)點

熱管式冷卻器與上述兩種傳統(tǒng)冷卻器的換熱原理截然不同，利用的是冷卻介質(zhì)物態(tài)變化時的熱效應(yīng)原理，即冷卻介質(zhì)由液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)時需要吸收熱量，由氣態(tài)變成液態(tài)時需要釋放熱量。這是一種全新的冷卻方式，為電機的冷卻開辟了新的途徑。

熱管式冷卻器代替常規(guī)的列管式冷卻器，將具有以下優(yōu)點。

a)對于空-空型換熱:

●利用熱管的高傳熱性能，將冷空氣的管內(nèi)換熱轉(zhuǎn)換為管外換熱，這樣就很容易擴展

換熱面積，從而減少冷卻器的體積和重量;

●管外流動阻力小。

b)對于水-空型換熱:

●水不在每根管子的管內(nèi)流，而在熱管-端管外流，只要隔板密封的好，就可以避免水漏到電機內(nèi);

●每根熱管都是獨立的傳熱元件，即使由于水沖磨損損壞，水也不會漏到空氣一側(cè)，這就能保證電機的安全運行，而且，少數(shù)熱管的失效不會對整個設(shè)備的性能有什么影響。不像列管式冷卻器一旦泄漏，必須停機處理;

●設(shè)計上便于調(diào)節(jié)熱管的表面溫度，以保持在循環(huán)空氣的露點溫度以上，避免冷凝水滴出現(xiàn)在空氣中，保證對電機的絕緣要求。

2.3 熱管技術(shù)用于電機空氣冷卻器上需要解決的問題

由于大型電機設(shè)備要求必須保證安全、穩(wěn)定的運行，熱管的設(shè)計和制作必須要滿足可靠性方面的苛刻要求。

熱管式冷卻器在高壓電動機上的應(yīng)用，主要技術(shù)難點是熱管型式、材料、工藝、尺寸等設(shè)計參數(shù)的計算和選擇，以及在實際施工改裝方面，要求在原有電機列管式冷卻器的空間上進行改裝，冷卻效果原則上應(yīng)優(yōu)于原冷卻器，同時還要考慮控制生產(chǎn)成本等因素，盡量節(jié)約資金。

從目前熱管技術(shù)的發(fā)展來看，無論是對空-空型換熱還是水-空型換熱，設(shè)計應(yīng)該說比較成熟，工程設(shè)計參數(shù)也比較齊全。從我們對熱管技術(shù)的掌握情況來看，可供選擇的熱管類型包括管材和工質(zhì)，是能夠滿足我們的設(shè)計要求的。

為保證電動機長期可靠的工作，熱管材料和工質(zhì)的選擇以及制作工藝質(zhì)量的檢測等方面，需要嚴(yán)格把關(guān)，不能留下質(zhì)量隱患。

冷卻器容量的設(shè)計上，在考慮冷卻效果不低于原冷卻器的前提下，還要留有進一步擴展容量的空間，需要時可以靠增加熱管元件，方便地達到增大冷卻效果的目的。因此對熱管容量和結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計，應(yīng)當(dāng)對具體型號電動機有相對準(zhǔn)確和具體的計算方案。

3 熱管式冷卻器

隨著熱管技術(shù)的發(fā)展，目前可供選擇的材料、工藝以及設(shè)計參數(shù)都比較完備。具體的設(shè)計和計算，詳見本課題研制報告，不在此重復(fù)。

熱管冷卻器采用鋁軋翅片管，其結(jié)構(gòu)為分離式熱管結(jié)構(gòu)，這樣比較容易布置換熱面。

采用分離式熱管結(jié)構(gòu)便于布置電機循環(huán)氣流(熱氣流)和冷卻空氣(冷氣流)的流道，也減少了穿過隔板的管子根數(shù)，對密封有利。

此外，熱管冷卻器設(shè)計為冷、熱氣流完全逆流換熱，可以減少使用熱管的數(shù)量。

在熱管質(zhì)量保證方面，熱管工質(zhì)的選用要保證長壽命和安全性，選用氨作為經(jīng)過長期考驗的工質(zhì)，氨和鋁可以長期相容，工作的溫度范圍也適合作空氣冷卻器使用，而且它的熱性能也非常好。

4 試驗電動機的選擇和安裝試驗

根據(jù)良鄉(xiāng)電力修造廠正常的生產(chǎn)進度，選擇了三臺不同型號的高壓電動機進行了熱管式冷卻器的設(shè)計和計算，分別是YMKQ600-6型650kW6kV高壓電動機、YMK600-6-10型630kW10kV高壓電動機和YMKQ500-6型450kW6kV高壓電動機，分別屬于三家不同的用戶，被拖動設(shè)備全部是磨煤機。

我們在經(jīng)過詳細(xì)論證和計算以后，在三臺電動機上分別安裝了熱管式冷卻器取代原設(shè)計的列管式冷卻器。

三臺電動機中第一臺電機因某些客觀原因沒有進行型式試驗，但隨訪用戶反映電動機運行情況良好，未見異常。后兩臺電動機專門取同樣型號，僅冷卻器是傳統(tǒng)的列管式冷卻器，分別在北京重型電機廠進行包括性能考核在內(nèi)的型式試驗。4臺電動機的對比性試驗結(jié)果顯示電動機溫升有所降低，但不是十分明顯，這是因為熱管設(shè)計時為控制試驗成本，取用的熱管容量與原冷卻器容量比較接近，在實際安裝空間上留有一定的擴展裕度，如果需要，完全可以再增大熱管容量，使溫度降得更多一些。

實際運行和性能考核試驗結(jié)果表明，我們在高壓電動機上安裝熱管式冷卻器技術(shù)改造項目是成功的。

5 熱管冷卻器在電動機冷卻技術(shù)上的應(yīng)用前景

熱管式冷卻器與傳統(tǒng)的列管式空-空型或水-空型冷卻器相比較，因換熱原理不同，其優(yōu)點是顯而易見的。首先是換熱效率高，其次是相應(yīng)的冷卻器重量輕，造價低，同時還不存在管道堵塞問題，使維護工作量減少，由于不用水，也就不存在漏水引起的電動機故障問題，對節(jié)約水資源也大為有益。熱管式冷卻器首次在高壓電動機上的成功應(yīng)用顯示應(yīng)用前景十分可觀。

1)在大中型高壓電動機上更換傳統(tǒng)的列管式空-空型冷卻器，可以改善冷卻效果，延長電動機的使用壽命，并減少了冷卻系統(tǒng)故障，從而提高了電動機的運行可靠性。

2)在大中型高壓電機上更換傳統(tǒng)的水-空型冷卻器，可以節(jié)約大量的水資源，在我國北方缺水地區(qū)具有重要的經(jīng)濟價值和社會效益。

3)若在大型發(fā)電機上更換傳統(tǒng)的水-空型氣體(氫氣或空氣)冷卻器，既達到降低發(fā)電機溫升、提高出力能力的重要目的，還可以節(jié)約大量的水資源。

4)我們這次只開發(fā)了空-空型熱管式冷卻器，今后若開發(fā)水-空型熱管式冷卻器，只需將熱管的冷端通水冷卻即可，這種熱管式冷卻器熱端置于電機頂部，與電機內(nèi)部熱空氣進行換熱，而把熱管冷端或置于電機頂上最上部，或置于電機側(cè)面，防止漏水引起電機故障，進一步的研究有待于將來繼續(xù)進行。

5)發(fā)電機的冷卻器，無論是空氣冷卻器(如大多數(shù)水輪發(fā)電機和抽水蓄能發(fā)電-電動機、全空冷的汽輪發(fā)電機)還是氫氣冷卻器(如采用氫氣冷卻的大多數(shù)大型汽輪發(fā)電機)，其基本工作原理都與電動機的冷卻器一樣，盡管冷卻器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有許多型式，但總體上說仍屬于傳統(tǒng)的列管式冷卻器進行熱交換范疇，我們在電動機上的成功經(jīng)驗，為下一步進行發(fā)電機冷卻器的改造打下了很好的基礎(chǔ)。發(fā)電機冷卻器的改造預(yù)期應(yīng)能取得類似電動機的效果，如降低電機內(nèi)部溫升、減少冷卻器故障幾率、減少檢修工作量、提高設(shè)備可靠性等等，其經(jīng)濟效益將極為可觀。

6 應(yīng)用及效益分析

高壓電動機熱管式冷卻器的應(yīng)用單位主要是各發(fā)電廠以及其它工業(yè)生產(chǎn)企業(yè)電動機檢修部門和電動機制造廠。由于此類電動機數(shù)量很多，并且在各種工業(yè)生產(chǎn)部門都屬于重點動力設(shè)備，所以項目的應(yīng)用對象非常廣泛，應(yīng)用前景廣闊，具有很大的經(jīng)濟效益和社會效益。

由于熱管式冷卻器比傳統(tǒng)的列管式冷卻器換熱效率高，并且冷卻器重量較輕，造價較低，同時還不存在管道堵塞問題，使維護工作量減少，由于不用水，也就不存在漏水引起的電動機故障問題，對節(jié)約水資源也大為有益，因此熱管式冷卻器在高壓電動機上應(yīng)用的經(jīng)濟效益十分可觀。

1)在電廠大中型高壓電動機上更換傳統(tǒng)的列管式冷卻器，可以改善運行條件和提高發(fā)電機組設(shè)備的可靠性，為電廠持續(xù)安全發(fā)電帶來良好的經(jīng)濟效益，通常減少一次發(fā)電設(shè)備非正常停運事故，避免的直接經(jīng)濟損失以數(shù)百萬元計算，間接經(jīng)濟損失更加巨大。

2)在大中型高壓電機上更換傳統(tǒng)的水-空型冷卻器，可以節(jié)約大量的水資源，在我國北方缺水地區(qū)具有重要的經(jīng)濟價值和社會效益。資料顯示，單臺電動機節(jié)水可達38萬噸/年[1>。

3)若在大型發(fā)電機上應(yīng)用熱管式冷卻器，既可以達到降低發(fā)電機溫升、提高發(fā)電機可靠性的重要目的，還可以節(jié)約大量的水資源，其經(jīng)濟效益將極為可觀。

全國僅各發(fā)電廠(暫不考慮其它工業(yè)部門)在運的帶舊式冷卻器的高壓電動機數(shù)量為數(shù)千臺，做舊電動機改造的應(yīng)用前景就非常廣闊，同時每年電力部門新投產(chǎn)的高壓電動機有數(shù)百臺，采用此技術(shù)按保守計算，每年改裝或新生產(chǎn)合計不少于500臺，每臺冷卻器產(chǎn)值按1.5萬元至2萬元計算，利潤按20%計算，則每年總的產(chǎn)值達到1千萬元，利潤超過200萬元。

由于高壓電動機數(shù)量巨大，并且在各種生產(chǎn)部門都屬于重點動力設(shè)備，其冷卻器改造項目可以帶來改善設(shè)備運行條件、增長設(shè)備使用壽命和提高設(shè)備運行可靠性指標(biāo)，以及節(jié)約工業(yè)用水等好處，雖然每臺電動機的改造經(jīng)濟效益相對還是有限的，但從整個部門、整個地區(qū)，甚至全國范圍來看，其創(chuàng)造的經(jīng)濟效益和社會效益就極其可觀了。另外，若進一步開發(fā)成功發(fā)電機冷卻器上的應(yīng)用技術(shù)，那么在單臺發(fā)電機上產(chǎn)生的經(jīng)濟效益就將更為可觀。

7 結(jié)論

熱管式冷卻器取代傳統(tǒng)的列管式冷卻器，在高壓電動機上應(yīng)用，可以給電動機運行性能和檢修維護帶來明顯的好處。

首先設(shè)計適當(dāng)?shù)臒峁苁嚼鋮s器可以降低電動機的溫升，改善運行狀態(tài)，提高運行性能，其次是減少了冷卻器的維護工作量，并且基本上避免了向電動機內(nèi)漏水的可能性，從而明顯地提高了電動機的運行可靠性，這對保證發(fā)電廠發(fā)電設(shè)備安全穩(wěn)定運行，無疑具有重要的實際意義和廣闊的工業(yè)應(yīng)用前景，具有明顯的社會效益和經(jīng)濟效益。

熱管式冷卻器在高壓電動機上的應(yīng)用，主要技術(shù)難點是熱管型式、材料、工藝、尺寸等設(shè)計參數(shù)的計算和選擇，以及在實際施工改裝方面，要求在原有電機列管式冷卻器的空間上進行改裝，冷卻效果原則上應(yīng)優(yōu)于原冷卻器，同時還要考慮控制生產(chǎn)成本等因素，在初步探索性研究的熱管容量設(shè)計方面，已經(jīng)留有一定的裕度。

針對三臺不同容量的高壓電動機的空-空型熱管式冷卻器的設(shè)計和安裝是成功的。如果還需要再提高冷卻器冷卻效果，只需再增加幾只熱管就可以解決。

根據(jù)空-空型熱管式冷卻器的研制開發(fā)成功經(jīng)驗，我們確信完全可以進一步開發(fā)電動機水-空型熱管式冷卻器和汽輪發(fā)電機 用的水-空型熱管式氣體(氫氣或空氣)冷卻器，擴大熱管式冷卻器在電廠電機設(shè)備的應(yīng)用范圍。