正压型防爆电机吹扫过程多组分瞬态浓度场分析

于喜伟 孟大伟 李琼

摘 要：以一台6.5 MW正压型防爆电机为例，首次将多组分流体理论应用于正压型防爆电机，采用了有限元法对电机的安全性能进行了仿真分析，分别完成了“模拟爆炸环境瞬态仿真计算”和“吹扫瞬态仿真计算”，得到了吹扫过程中爆炸性气体及清洁空气各组成成分的浓度变化云图，通过各部位的浓度云图能够得知电机内部是否存在吹扫死角，增强了安全性能。仿真结果经过防爆试验验证，计算数据满足精度要求。进一步优化了进气管道的布置方案，通过合理的调整进气管道开孔的位置、数量及大小提高了吹扫效率，节约了试验成本，同时也可以使电机快速启动，更好的服务工况。

关键词：正压型防爆;多组分;流体场;瞬态分析

中图分类号：TM 315

文献标志码：A

文章编号：1007-449X（2019）04-0049-07

0 引 言

防爆电机广泛应用于石油、化工等行业，按照防爆类型主要分为隔爆型、增安型、无火型及正压型，隔爆型电机是通过加厚机壳厚度及减小防爆间隙来实现防爆，这使得材料利用率很低[1-3]，且由于需要通过较高的水压试制，因此难以在大型电机里得到应用[4-6];增安型和无火花型电机是通过减小定转子电晕来实现防爆，电机为了满足定子绕组脉冲试验，绕组设计极为复杂且成本很高，在行业里应用较少[7];正压型电机起动前向电机内部吹入干燥的空气或惰性气体（氦气、二氧化碳、氮气等），用来置换电机内部可能存在的爆炸性气体，使电机内部爆炸性气体的浓度降到爆炸极限以下，这一过程称为“吹扫”过程。在电机运行过程中也需要向电机内部不断通入少量保护气体，用以保持电动机内部压力大于外部压力，防止外部爆炸性气体再次进入电机内部，从而达到防爆的目的。正压型电机克服了其它防爆电机的主要缺点，近年来，随着正压保护装置逐渐完善及国际标准IEC60079-2第6版正式发布，各大电机公司陆续将正压型防爆电机推向了市场。

对正压型防爆电机，目前主要采用试验的方式来保证其安全性能[8-10]，如此不仅成本高，且覆盖性不好，必须每台电机都要进行实验同时缺乏理论基础，难以为今后的设计提供参考依据。由于正压型防爆电机的应用历史较短，且分析的区域是由空气和爆炸性气体构成的多组分流体场，因而还没有开展其安全性能的模拟仿真研究。目前对多组分流体场的分析主要集中在石油化工领域，不但考虑了多组分的密度和粘度等自身特性影响[11-14]，有些还分析了多组分之间的相变、溶解、化学反应等因素[15-16]，在环境污染领域也偶有建树[17]。而在电机领域的应用多为单一物质的流体场分析，文献[18-19]对电机的定子流体场进行了分析，文献[20]计算了电机转子流体场，文献[21]对无刷励磁机通风冷却进行了模拟，文献[22]对电机的冷却器的流体场进行了优化，文献[23]对电机的全域流体进行了预测，而对电机进行多组分流体场分析的文献尚未发现。

本文以一台6.5 MW正压型防爆电机为例，结合实际运行情况给出合理的基本假设与边界条件，并根据多组分流体力学原理，采用有限元法对电机的安全性能进行了仿真分析，得到了吹扫过程中不同时间下的各组分气体的浓度分布情况、防爆试验气体消耗量及总计吹扫时间;同时与防爆试验进行了对比，为今后正压型防爆电机安全性能的仿真分析提供了理论基础;最后对进气管道的布置进行了改进，为后续类似产品设计提供参考。

1 物理模型

电动机的基本参数如表1所示。

样机实物如图1所示，图2为根据电机实物确立的求解模型，因分析吹扫过程只与电机内部气体流体有关，所以建模时略去了强迫风机、轴承、接线盒等部件，而对电机内部的定子、转子和冷却管等部件都进行了详细绘制。

在图2中定义的横向截面和纵向截面及点A、B、C、D、E是用于仿真分析说明，在轴向截面上与点A、B、C、D、E相对应点F、G、H、I、J，由于空间有限在此图中未示意。

2 有限元数值仿真分析

2.1 网格划分

采用结构网格对模型进行划分，由于电机整体尺寸很大，内部又具有很多狭小空间，为了得到较好的网格质量需要将单元尺寸设置很小，共计单元数1993万，节点数352万。图3为网格剖分图。

2.2 计算模型建立

2.2.1 数学描述

计算区域内由多种成分组成，流体的物性参数由每个组分流体的物性及其质量分率决定，各组分质量分率之和等于 1 ，即：

采用Species Transport模型，求解时利用质量守恒方程对流体流动进行控制，如式（4）所示;且由于流体粘性的作用，流体流动满足动量守恒方程，如式（5）所示;吹扫过程的流动状态由雷诺数进行判断，如式（6）所示，经过计算雷诺数为90 855，远大于4 000，流动状态属于湍流，采用了标准的湍流k-ε模型，如式（7）所示。

2.2.2 基本假设

1）不考虑多组分之间化学反应;

2）气体在整个运动过程中温度不变;

3）电机内气体处于常压下，忽略流体域内流体浮力和重力的影响;

4）流体流速远小于声速，即把电机内流体作为不可压缩流体处理。

2.2.3 边界条件

2.2.3.1 模拟爆炸环境瞬态仿真计算

1）电机安装场所为Zone 2（IIC），主要爆炸气体为H2和C2H2，模拟爆炸气体采用He（防爆试验时常使用He模拟爆炸气体，因He密度与氢气相近，且为惰性气体）。

2）电机内部初始为空气（由21%的O2和79%的N2组成）。

3）从电机入口通入浓度100%的He，采用速度入口，速度为30 m/s。

4）采用压力出口。

5）计算的结束条件为：He在各个取样点的浓度不低于70%（按照防爆標准要求）。

2.2.3.2 吹扫瞬态仿真计算

1）结合真实试验过程，“模拟爆炸环境”后将对电机进行“吹扫”试验，因此以“模拟爆炸环境”的结束状态作为吹扫瞬态计算的初始状态。

2）向电机内部吹入空气（由21%的O2和79%的N2组成），采用速度入口，速度为30 m/s。

3）采用压力出口。

4）计算的结束条件为：He在各个取样点的浓度不高于1%（按照防爆标准要求）。

2.3 计算结果

本文的所有分析均为瞬态过程，为了获取不同时刻的各组分的浓度情况，每隔240 s进行一次数据存储，图4为模拟爆炸环境瞬态计算的t=1 680 s时He浓度分布云图，当t=1 680 s时计算域内所有位置He浓度都达到70%以上，完成了模拟爆炸环境，所消耗的He总量为Q=71 m3。根据保存下来的不同时刻浓度数据，可以获得电机不同取样点的各组分浓度随着时间变化曲线，如图5所示。

图6为吹扫瞬态计算t=5 040 s时的He浓度分布云图，图中所有位置He浓度都降低到1%以下，且无吹扫死角，吹扫时间为3 360 s，最小换气量142 m3。图7为吹扫瞬态计算时电机不同取样点的各组分浓度随着时间变化曲线。

3 防爆试验

样机装配后进行了防爆试验，图8（a）为试验时在电机外表面设置浓度测试点，机座上有6处，冷却器上有4处，图8（b）是在通过仪器进行各点浓度测量。进行爆炸环境试验：当所有测试点He浓度都达到70%以上时用新鲜空气进行吹扫试验：当所有测试点He浓度都达到1%以下时，吹扫时间为58 min，最小换气量150 m3。仿真计算结果与试验数据相比，吹扫时间与最小换气量的相对误差分别为5.33%和3.44%，满足工程精度要求。

4 改进

由仿真结果可以看出，在吹扫过程中图7的C点He浓度降低最慢，图6纵向截面图的中部浓度降低较慢（即转子内部的浓度降低较慢）。浓度降低速度主要与进气管道布置有关，因此对进气管道进行了改进。改进前后的进气管道如图9所示，改进后A端比B端的开孔略大，可以提高C点侧的濃度降低速度，改为两排进气使中部的进气量增多，提高中部浓度降低速度。

图10为改进进气管道后模拟爆炸环境瞬态计算t=1 260 s时的He浓度分布云图，所有位置He浓度都达到70%以上，所消耗的He总量Q=53 m3。与改进前相比，He用量降低了25%。图11为改进进气管道后模拟爆炸环境瞬态计算时各组分浓度随着时间变化曲线。

图12为改进进气管道后吹扫瞬态计算t=3 780 s时的He浓度分布云图，图中所有位置He浓度都降低到1%以下，吹扫时间为2 520 s，较改进前减少了25%，极大提高了吹扫效率。同时，转子内部浓度降低速度已经有所提高。图13为改进进气管道后吹扫瞬态计算时各组分浓度随着时间变化曲线，从曲线中可以看出C点侧的浓度降低速度已经明显提高。

5 结 论

本文对通过对6.5 MW正压型防爆电机安全性能研究，可以得到如下结论：

1）仿真结果与防爆试验数据吻合，说明采用多组分流体场有限元法对电机安全性能进行仿真是可行的。

2）通过该仿真方式能够得到任一时间任一位置的气体浓度分布情况，可以得知电机内部是否存在吹扫死角，增强了电机安全性。

3）合理布置进气管道，能够节约试验成本，提高吹扫效率，也加速了电机启动。

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（编辑：刘琳琳）