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高壓電動機熱管式冷卻器的研發與應用前景

熱管式冷卻技術的發明可以溯源于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用是在1964年美國的宇航技術上,隨后在各國科學界的努力下,熱管技術在理論設計、制造工藝以及應用領域上都取得了極大發展。目前,作為一種成熟的冷卻技術,熱管作用高效傳熱元件已在許多工業領域得到推廣應用。我國從上世紀50年代由中科院力學所等單位開始開展此項技術的研究工作,并陸續研制成功各種熱管;80年代以后我國更多單位參與熱管技術的應用研究,而且在電子工業、空間技術、能源工程等領域獲得了成功應用。
  對于熱管在電機的冷卻技術中的應用早已有人提出,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,但大多數工作仍處于試驗研究階段,離實際生產應用有一段距離。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語中所說,“熱管在電機冷卻中的應用還處于試驗探索階段,試驗電機的容量都比較小。要實現熱管在電機冷卻(特別是大中型電機)中的工業應用,還要做大量的理論研究和試驗分析工作!蔽覀冊谶M行此項“高壓電動機熱管式冷卻器研制”課題的研究、開發過程中,沒有可以模仿的先例,靠我們自己掌握的電機設計和制造基礎以及其它行業成功的熱管技術應用經驗,依靠良鄉電力修造廠雄厚的電機生產能力,完全靠自己走出了一條大中型電機冷卻技術的新路。
  為此,我們在大中型高壓電動機上應用熱管冷卻技術方面進行了探索性試驗和應用。
2 在火電廠大中型高壓電動機上應用熱管技術的可行性
2.1 傳統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—空型結構。運行時水—空型冷卻器是冷卻管內通冷卻水,電機內部熱空氣在風壓的作用下流過冷卻管的外表面,與管內冷卻水進行熱交換,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的熱空氣,熱空氣走管外,冷空氣走管內,存在的問題主要是管內換熱面積小,流動阻力大,冷卻器重量較重。
  如果采用水—空換熱,則電機內的熱空氣走管外,冷卻水走管內,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,由此導致泄漏,漏入電機的水會造成電動機嚴重損壞事故;
  ◆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,將造成電動機嚴重損壞事故;
  ◆由于水溫低,很容易出現局部管壁溫度低于電機內空氣的露點溫度,凝結水夾帶在空氣中,將損壞電機的絕緣。
2.2 使用熱管式空氣冷卻器的優點
熱管式冷卻器與上述兩種傳統冷卻器的換熱原理截然不同,利用的是冷卻介質物態變化時的熱效應原理,即冷卻介質由液態變為氣態時需要吸收熱量,由氣態變成液態時需要釋放熱量。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的列管式冷卻器,將具有以下優點。
a)對于空—空型換熱:
  ●利用熱管的高傳熱性能,將冷空氣的管內換熱轉換為管外換熱,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;
  ●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,這就能保證電機的安全運行,而且,少數熱管的失效不會對整個設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;
  ●設計上便于調節熱管的表面溫度,以保持在循環空氣的露點溫度以上,避免冷凝水滴出現在空氣中,保證對電機的絕緣要求。
2.3 熱管技術用于電機空氣冷卻器上需要解決的問題
  由于大型電機設備要求必須保證安全、穩定的運行,熱管的設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用,主要技術難點是熱管型式、材料、工藝、尺寸等設計參數的計算和選擇,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,冷卻效果原則上應優于原冷卻器,同時還要考慮控制生產成本等因素,盡量節約資金。
  從目前熱管技術的發展來看,無論是對空—空型換熱還是水—空型換熱,設計應該說比較成熟,工程設計參數也比較齊全。從我們對熱管技術的掌握情況來看,可供選擇的熱管類型包括管材和工質,是能夠滿足我們的設計要求的。
  為保證電動機長期可靠的工作,熱管材料和工質的選擇以及制作工藝質量的檢測等方面,需要嚴格把關,不能留下質量隱患。
  冷卻器容量的設計上,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構尺寸的設計,應當對具體型號電動機有相對準確和具體的計算方案。
3 熱管式冷卻器
  隨著熱管技術的發展,目前可供選擇的材料、工藝以及設計參數都比較完備。具體的設計和計算,詳見本課題研制報告,不在此重復。
  熱管冷卻器采用鋁軋翅片管,其結構為分離式熱管結構,這樣比較容易布置換熱面。
  采用分離式熱管結構便于布置電機循環氣流(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,對密封有利。
  此外,熱管冷卻器設計為冷、熱氣流完全逆流換熱,可以減少使用熱管的數量。
  在熱管質量保證方面,熱管工質的選用要保證長壽命和安全性,選用氨作為經過長期考驗的工質,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
  根據良鄉電力修造廠正常的生產進度,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,被拖動設備全部是磨煤機。
  我們在經過詳細論證和計算以后,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的型式試驗。4臺電動機的對比性試驗結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果表明,我們在高壓電動機上安裝熱管式冷卻器技術改造項目是成功的。
5 熱管冷卻器在電動機冷卻技術上的應用前景
  熱管式冷卻器與傳統的列管式空—空型或水—空型冷卻器相比較,因換熱原理不同,其優點是顯而易見的。首先是換熱效率高,其次是相應的冷卻器重量輕,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用顯示應用前景十分可觀。
  1)在大中型高壓電動機上更換傳統的列管式空—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的水—空型冷卻器,可以節約大量的水資源,在我國北方缺水地區具有重要的經濟價值和社會效益。
  3)若在大型發電機上更換傳統的水—空型氣體(氫氣或空氣)冷卻器,既達到降低發電機溫升、提高出力能力的重要目的,還可以節約大量的水資源。
  4)我們這次只開發了空—空型熱管式冷卻器,今后若開發水—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,或置于電機側面,防止漏水引起電機故障,進一步的研究有待于將來繼續進行。
  5)發電機的冷卻器,無論是空氣冷卻器(如大多數水輪發電機和抽水蓄能發電—電動機、全空冷的汽輪發電機)還是氫氣冷卻器(如采用氫氣冷卻的大多數大型汽輪發電機),其基本工作原理都與電動機的冷卻器一樣,盡管冷卻器的內部結構有許多型式,但總體上說仍屬于傳統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驗,為下一步進行發電機冷卻器的改造打下了很好的基礎。發電機冷卻器的改造預期應能取得類似電動機的效果,如降低電機內部溫升、減少冷卻器故障幾率、減少檢修工作量、提高設備可靠性等等,其經濟效益將極為可觀。
  6 應用及效益分析
  高壓電動機熱管式冷卻器的應用單位主要是各發電廠以及其它工業生產企業電動機檢修部門和電動機制造廠。由于此類電動機數量很多,并且在各種工業生產部門都屬于重點動力設備,所以項目的應用對象非常廣泛,應用前景廣闊,具有很大的經濟效益和社會效益。
  由于熱管式冷卻器比傳統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用的經濟效益十分可觀。
  1)在電廠大中型高壓電動機上更換傳統的列管式冷卻器,可以改善運行條件和提高發電機組設備的可靠性,為電廠持續安全發電帶來良好的經濟效益,通常減少一次發電設備非正常停運事故,避免的直接經濟損失以數百萬元計算,間接經濟損失更加巨大。
  2)在大中型高壓電機上更換傳統的水—空型冷卻器,可以節約大量的水資源,在我國北方缺水地區具有重要的經濟價值和社會效益。資料顯示,單臺電動機節水可達38萬噸/年[1]。
  3)若在大型發電機上應用熱管式冷卻器,既可以達到降低發電機溫升、提高發電機可靠性的重要目的,還可以節約大量的水資源,其經濟效益將極為可觀。
  全國僅各發電廠(暫不考慮其它工業部門)在運的帶舊式冷卻器的高壓電動機數量為數千臺,做舊電動機改造的應用前景就非常廣闊,同時每年電力部門新投產的高壓電動機有數百臺,采用此技術按保守計算,每年改裝或新生產合計不少于500臺,每臺冷卻器產值按1.5萬元至2萬元計算,利潤按20%計算,則每年總的產值達到1千萬元,利潤超過200萬元。
  由于高壓電動機數量巨大,并且在各種生產部門都屬于重點動力設備,其冷卻器改造項目可以帶來改善設備運行條件、增長設備使用壽命和提高設備運行可靠性指標,以及節約工業用水等好處,雖然每臺電動機的改造經濟效益相對還是有限的,但從整個部門、整個地區,甚至全國范圍來看,其創造的經濟效益和社會效益就極其可觀了。另外,若進一步開發成功發電機冷卻器上的應用技術,那么在單臺發電機上產生的經濟效益就將更為可觀。

7 結論
  熱管式冷卻器取代傳統的列管式冷卻器,在高壓電動機上應用,可以給電動機運行性能和檢修維護帶來明顯的好處。
  首先設計適當的熱管式冷卻器可以降低電動機的溫升,改善運行狀態,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,這對保證發電廠發電設備安全穩定運行,無疑具有重要的實際意義和廣闊的工業應用前景,具有明顯的社會效益和經濟效益。
  熱管式冷卻器在高壓電動機上的應用,主要技術難點是熱管型式、材料、工藝、尺寸等設計參數的計算和選擇,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,冷卻效果原則上應優于原冷卻器,同時還要考慮控制生產成本等因素,在初步探索性研究的熱管容量設計方面,已經留有一定的裕度。
  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。
  根據空—空型熱管式冷卻器的研制開發成功經驗,我們確信完全可以進一步開發電動機水—空型熱管式冷卻器和汽輪發電機 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備的應用范圍。

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