秦淮新河泵站卧式电动机冷却方式研究与改造

刘雪芹，梁云辉，孙 勇，蒋 涛

(1.江苏省水利勘测设计研究院有限公司，江苏 扬州 225217；2.江苏省秦淮河水利工程管理处，江苏 南京 210022)

秦淮新河泵站位于南京市雨花区天后村秦淮新河入江口处，具有防洪、排涝、灌溉和引水、改善水环境等多种功能。泵站于1982年6月建成，2002年进行加固改造。泵站设计流量50m3/s，安装5台1700ZWSQ10-2.5双向卧式轴流泵，配Y500- 6卧式异步电动机，采用B2SH11齿轮箱传动，电动机额定功率为630kW。

秦淮新河泵站由于其特殊的结构型式以及现有机组设备，运行时厂房噪音达90dB以上，噪音源主要来自主电机及其散热风机。在夏季高温期间，电机运行时定子绕组温度达100℃以上，极易发生线圈绝缘破坏造成事故停机，需对电机冷却方式进行研究，并对其进行适当改造，以降低电机运行温度和噪音，使机组在较优工况下运行。

1 卧式电机冷却方式

卧式电机的冷却主要包括轴承冷却和定、转子冷却两部分[1]。其中卧式电机驱动端和端部的滚动轴承采用润滑脂润滑，自冷却方式冷却[2]，只需根据电机运行情况定期补充或更换润滑脂即可。然而电机在运行过程中，定、转子产生的铜耗、铁耗等各种损耗导致的电机温升，不仅加速线圈绝缘老化，直接影响电机使用寿命和安全可靠性，而且会增大绕组阻值，大大降低电机效率[3]。因此卧式电机的冷却主要是定、转子冷却。

电机冷却方式主要有管道强迫通风冷却、空-空冷却及空-水冷却等几种冷却方式[4]。强迫通风冷却方式是以空气作为冷却介质，采用风扇强迫电机内部空气流动进行热交换，受环境条件制约，冷却效果较差，一般适用于小型电机。大型交流电机大都采用空-空冷却或空-水冷却，两种冷却方式均是通过换热器进行热量交换，它们的热流循环相似，都是利用装设于电机轴上的风扇强制冷空气流过电机转子支架、风沟、空气间隙，以及流经定子风沟，冷空气吸收热量后成为热空气，然后汇集到机座外壁进入外部冷却器，通过冷却器冷却后的冷空气重新进入电机内，如此循环进行热交换[5]。但是，两种冷却方式的冷流介质和循环方式不同，空-空冷却方式是以空气作为冷却介质，冷却器中的冷却管吸收电机内循环风中的热量，由风扇吹入冷却管的冷空气带走热量；空-水冷却方式是以水作为冷却介质，冷却器中的冷却管吸收电机内循环风中的热量，由通入冷却管中的冷却水带走热量[6- 7]。

空-空冷却和空-水冷却有各自特点。相比较而言，对相同的换热器，空-空冷却的换热系数要远小于空-水冷却，且空-空冷却的冷流介质还取决于环境温度，特别是环境温度较高的夏季，冷却效果较差。另外，空-空冷却以空气作为冷流介质，需要设置一套以风机驱动的风道系统，实践表明，风机的噪声较大，已成为泵站的主要噪声源。为确保泵站安全可靠运行，且考虑到秦淮新河泵站位于市区的降噪要求，秦淮新河泵站卧式电机的冷却方式宜采用空-水冷却方式[8]。卧式电机空-水冷却方式原理图如图1所示。

图1 卧式电机空-水冷却方式

2 冷却器选型

根据秦淮新河泵站机组布置型式，冷却器采用安装于卧式电机顶部的背包卧式空-水冷却器。背包卧式空-水冷却器有4种结构型式：①背包冷却器不装设风机，空气动力由电机自带风扇实现，通风型式为径向通风。②背包冷却器不装设风机，空气动力由电机自带风扇实现，通风型式为轴向通风。③电机不自带风扇，空气动力由背包冷却器装设风机实现，通风型式为径向通风。④电机不自带风扇，空气动力由背包冷却器装设风机实现，通风型式为轴向通风[3]。上述型式中，型式①和型式③为径向通风，型式②和型式④为轴向通风。

秦淮新河泵站原电机采用管道强迫通风冷却方式，电机转子自带风扇，顶部设有进出风口，为轴向通风型式。在采用空-水冷却器方案进行改造中[9]，仍保留原有的轴向通风型式，因此可选用型式②和型式④。为了进一步优选，现就其优缺点进性分析如下：

型式②：冷却器不装设风机，电机转子自带风扇使内部空气循环流动，满足换热要求，虽比型式④制造成本高，但考虑泵站运行的长期效益及运行人员的工作环境，机组运行时没有噪音源叠加，这对于降低噪音是有益的。

型式④：冷却器自带风机，即采用强制通风的箱体，其换热系数比型式②约大1倍，相应冷却器所需换热面积小1倍，换热管数量少1倍，冷却器外形尺寸减小，制造成本降低，但冷却器用水量没有变化，且自带风机会产生噪音。

综上所述，秦淮新河泵站电机冷却器应选用型式②。

3 空-水冷却器计算

3.1 冷却器额定功率

冷却器的换热功率为电机的发热功率[10]，根据电机制造厂提供的参数，电机效率为93.6%，其发热功率为：

(1)

式中，η—效率;PN—额定功率。

电机需散热功率为42.8kW，对冷却器设计应留有15%的换热裕量，取50kW。

3.2 热平衡计算

(1)设计参数

换热功率P=50kW，电机内空气温度ti1≤55℃，电机内空气流量Qi=11000m3/h，冷却器水流量Qo=15m3/h，冷却器进水温度to1≤33℃。

(2)温度计算

空气出口温度ti2：

(2)

式中，ti1—空气进口温度(55℃)；ρi—空气的密度(1.06kg/m3)；Cpi—空气的比热容(1.005kJ/kg×℃)。

出水口温度to2：

(3)

式中，to1—冷却器进水温度(33℃)；ρ0—水的密度(993.5kg/m3)；Cpo—水的比热容(4.186kJ/kg·℃)

对数平均温度：

(4)

(3)换热面积计算[11]

根据冷却器制造厂提供的参数及冷却器的结构设计，查AWLJ- 500/6背包卧式冷却器相关参数：冷却管内水流速u=1.2m/s，迎风面空气流速uk=6.5m/s；查该冷却元件的热工性能系数，其总换热系数约为58W/m2℃。冷却器换热系数见表1。

表1 冷却器换热系数表

冷却器所需换热面积S按下式计算：

(5)

(4)冷却水量计算

冷却水量可按下式计算：

(6)

式中，P—换热功率；ΔT—冷却器进出水温差；ρ—水的密度，取(1000kg/m3)；CP—水的比热容，取(4.186kJ/(kg×℃))；Q—冷却器用水量，m3/h。

按换热量为50kW、冷却器进口温度为33℃、出口温度为35.9℃计算：

(7)

根据以上计算结果，电机配置的空-水冷却器用水量取15m3/h。

(5)管程数和传热管数计算

根据冷却器换热功率、电机外形尺寸确定冷却管的管数和管程，冷却管数确定需综合考虑换热效果、生产成本和运行成本。从换热功率大而水压降小的角度考虑，管内水流速一般按1～1.5m/s计算，选择合适的管数。管数过小需要的用水量相应增大，运行成本高；反之管数过多，则生产成本增大。

根据传热管内径和流速确定单管程传热管数：

(8)

式中，n—单程传热管数；Q—管程体积流量，m3/s；d—传热管内径，mm；u—管内流体流速，m/s。

按单管程计算，所需的传热管长度为：

(9)

式中，L—按单程管计算传热管长度，m；S—换热面积，m2，d0—换热管外径，m。

按单管程设计，传热管过长则应采用多管程。根据电机外形尺寸及冷却器定型产品规格分类情况，取传热管单根长0.5m计25根，即长l=0.5×25=12.5m，换热器管程数：N=L/l=67.5/12.5=5.4≈6，传热管总根数NΣ=nN=25×6=150根。

(6)复核计算

冷却器的实际换热面积：

S=πd0lNΣ=3.14×0.0144×12.5×150 =84.8m2>73.3m2

(10)

冷却器实际换热面积为84.8m2，满足换热性能要求，且有15.7%的换热裕度。

综上，冷却器选择背包卧式空-水冷却器(型式②)，结构尺寸及性能指标与Y500- 6型卧式电机相匹配，主要参数：冷却器用水量15m3/h，冷却器进水温度≤33℃，冷却器出风温度≤40℃，工作水压0.2～0.3MPa，防护等级IP54。

4 冷却方式改造

4.1 现状冷却方式

现状电机采用管道强迫通风冷却方式，电机顶部安装排风管道，排风管道接至内河侧墩墙，通过墩墙上排风机将热风排出，管程长冷却效果差。现状管道强迫通风冷却方式如图2所示。

图2 现状管道强迫通风冷却方式图

4.2 冷却方式改造

(1)拆除电机上部防护顶罩及排风管道、排风机。

(2)根据电机外形尺寸定制空-水冷却器，冷却器与电机机座采用螺栓连接。冷却器与电机进出风口相互对准，采用专用密封垫，密封严实，使电机内部形成一个封闭的循环系统。改造后电机空-水冷却器如图3所示。

(3)将冷却器进出水口位置布置于电机主接线盒对侧，进水口位于下部，出水口位于上部。现场新铺设供水管道，与冷却器的进出水口采用法兰方式连接。

(4)对电机内部风路进行疏通清理，进风和出风的风道用挡风板隔开，空气流动阻力小，不能形成气流短路，保证内部气流循环畅通，以提高换热效率。

图3 改造后电机空-水冷却器图

4.3 冷却方式改造效果

(1)在夏季高温期间，电机在相近工况下运行时，改造前电机定子绕组温度达100℃以上，改造后定子绕组温度在65℃～75℃，温度明显降低，电机运行效率相应有所提高。

(2)改造前厂房噪音达90dB以上，改造后在85dB以下，厂房内噪音大大降低，机组运行环境得到明显改善。

5 结语

本文通过对比分析与选型计算，提出了适合于秦淮新河泵站电机的空-水冷却器优化改造方案。实践运行结果表明，技术改造后定子绕组温度明显降低，厂房内噪音大大降低，电机运行效率有所提高。该优化技术改造方案的成功实践，可为类似泵站工程的设备改造提供经验借鉴，具有较大的工程应用价值。