密閉空間內的溫度場變化對內部轉動設備影響的分析

陳學斌

【摘 要】本文主要分析了在密閉空間中，運行的轉動設備在空間內溫度場發(fā)生變化時的運行情況，通過分析得出了溫度場分布不均，以及溫度場的變化如何影響到轉動設備和電動機等重要設備，經過分析機理，總結出密閉空間內微氣候的健立和控制方法，和空間內空氣冷卻器的合理布置形式，以此來達到空間內溫度場的均勻分布的結果，盡量減少轉動設備電動機的影響因素，保證電動機運行壽命。

【關鍵詞】密閉空間；溫度場；電動機

中圖分類號： TU113.8 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）04-0157-003

Analysis of the influence of temperature field changes on internal rotating equipment in confined space

CHEN Xue-bin

（Qinshan nuclear power operation 5，jiaxing zhejiang 314000，China）

【Abstract】This paper mainly analyzes the in confined Spaces，the operation of the rotating equipment in the space within the operation situation of temperature field changes by analyzing the temperature field distribution is obtained，and how to affect the change of the temperature field and other important equipment，rotating equipment and motor through mechanism analysis，summed up the micro climate has built in confined Spaces and control method of air cooler and space reasonable decorate a form， in order to achieve the uniform distribution of temperature field in the space as a result，as far as possible to reduce the influence factors of motor rotating equipment，ensure the operating life of motor.

【Key words】Confined space；Temperature field；Motor

1 密閉空間內的溫度場

在當前大部分發(fā)電廠中，其中會有部分廠房房間的設置和其中設備的布置設計中，為了保證相關介質的安全性以及人員的安全性，設備房間一般會采取密閉的空間，內部采用閉式冷卻風機循環(huán)降溫，保證房間內的設備安全穩(wěn)定的運行。主要目的是限制房間內的溫度，防止對房間及設備造成可能的危害，對房間內構筑物混凝土進行冷卻，避免高溫脆化。

為了保證房間內的冷卻，防止溫度過高，一般的設計方式是采用內部空氣冷卻器等來實現(xiàn)，空氣冷卻器利用冷卻水來進行冷卻，而且一般會設置多臺空氣冷卻器進行房間內整體區(qū)域的溫度控制，一般實行對稱布置。當溫度高時，多啟動幾臺空氣冷卻器，而溫度較高時會停運幾臺空氣冷卻器，或者是少啟動幾臺空氣冷卻器，通過此種方式來對密閉空間內的溫度進行控制，維持空間內的溫度場。而為了保證設備的可靠性，設置上一般會配備有冗余就地空冷器，即空氣冷卻器的數(shù)量肯定是超過房間內部溫度控制所需，一般設置為2倍的數(shù)量，目的是當有設備失效后，避免房間內的溫度失去控制，影響設備的安全運行。正常運行過程中，針對冗余的空冷器，對采取定期切換的方式運行，防止某個空冷器長時間運行導致設備可靠性降低。

2 電動機振動異常的危害

電動機產生振動，會使繞組絕緣和軸承壽命縮短，影響滑動軸承的正常潤滑，振動力促使絕緣縫隙擴大，使外界粉塵和水分入侵其中，造成絕緣電阻降低和泄露電流增大，甚至形成絕緣擊穿等事故。另外，電動機產生振動，又容易使冷卻器水管振裂，焊接點振開，同時會造成負載機械的損傷，降低工件精度，會造成所有遭到振動的機械部分的疲勞，會使地腳螺絲松動或斷掉，電動機又會造成碳刷和滑環(huán)的異常磨損，甚至會出現(xiàn)嚴重刷火而燒毀集電環(huán)絕緣，電動機將產生很大噪音，這種情況一般在直流電機中也時有發(fā)生。

3 影響電動機振動的原因

1）轉子、耦合器、聯(lián)軸器、傳動輪（制動輪）不平衡引起的。

2）鐵心支架松動，斜鍵、銷釘失效松動，轉子綁扎不緊都會造成轉動部分不平衡。

3）聯(lián)動部分軸系不對中，中心線不重合，定心不正確。這種故障產生的原因主要是安裝過程中，對中不良、安裝不當造成的。

4）聯(lián)動部分中心線在冷態(tài)時是重合一致的，但運行一段時間后由于轉子支點，基礎等變形，中心線又被破壞，因而產生振動。

5）與電機相聯(lián)的齒輪、聯(lián)軸器有故障，齒輪咬合不良，輪齒磨損嚴重，對輪潤滑不良，聯(lián)軸器歪斜、錯位，齒式聯(lián)軸器齒形、齒距不對、間隙過大或磨損嚴重，都會造成一定的振動。

6）電機本身結構的缺陷，軸頸橢圓，轉軸彎曲，軸與軸瓦間間隙過大或過小，軸承座、基礎板、地基的某部分乃至整個電機安裝基礎的剛度不夠。

7）安裝的問題，電機與基礎板之間固定不牢，底腳螺栓松動，軸承座與基礎板之間松動等。

8）軸與軸瓦間間隙過大或過小不僅可以造成振動還可使軸瓦的潤滑和溫度產生異常。

9）電機拖動的負載傳導振動，比如說電機拖動的風機、水泵振動，引起電機振動。

10）交流電機定子接線錯誤、繞線型異步電動機轉子繞組短路，同步電機勵磁繞組匝間短路，同步電機勵磁線圈聯(lián)接錯誤，籠型異步電動機轉子斷條，轉子鐵心變形造成定、轉子氣隙不均，導致氣隙磁通不平衡從而造成振動。

4 密閉空間內的溫度場變化如何影響到內部的轉動設備

在進行密閉空間內空氣冷卻器切換的過程中，會打破原來已經長期形成的密閉空間內的溫度場，溫度場的變化則會影響到運行中的轉動設備已經形成的一個穩(wěn)態(tài)環(huán)境，電機及其相關部件的熱應力和熱脹冷縮已經處于一個穩(wěn)態(tài)的狀態(tài)，而此時外界溫度場的變化必然會導致該穩(wěn)定狀態(tài)被打破，電機需要重建立新的溫度場，而在此過程中，因為環(huán)境溫度的變化，電機本體的機械熱應力變化，軸與軸瓦間間隙發(fā)生變化，過大或過小均可以造成電機振動的變化，一般發(fā)現(xiàn)，環(huán)境溫度降低，電機的振動會有一個下降，而環(huán)境溫度上升，相反的會導致振動有所上升。空氣冷卻器切換過程中房間內溫度點的動態(tài)變化如下：

空氣冷卻器切換過程中內部電動機的狀態(tài)變化：

如以上實際運行中的溫度場變化后，導致明顯的影響到電動機的振動和溫度，從一個穩(wěn)定的溫度場變?yōu)榱硪粋€溫度場有一個長時間的波動過程，最終與另一個溫度場達到穩(wěn)定狀態(tài)，其振動參數(shù)也相應的發(fā)生明顯的變化。

并且，環(huán)境溫度的變化影響到電機潤滑油的溫度，而潤滑油溫度的變化會影響其特性，如溫度太高，黏度降低，油膜無法正常建立，潤滑失效，若溫度過高會導致潤滑油乳化，油質惡化，導致潤滑油失效，威脅到電機本體。

針對以上電機振動高的原因分析，密閉環(huán)境內的溫度場變化直接影響到內部轉動設備的因素，主要是機械熱應力和機械部件之間的熱脹冷縮，實際工作中發(fā)現(xiàn)，對熱應力的影響較明顯，油溫的變化較小。

電動機械對于溫度的變化無外乎于影響其內部的金屬零件及能降低電機內摩擦阻力的潤滑油。我們都知道一個常識，金屬會隨著溫度的變化而熱脹冷縮，對于電機而言，尤其是核級電機，它是比較精密儀器。溫度的變化會使軸與軸瓦間間隙幾何尺寸發(fā)生微小的改變，而這些關鍵的部件的每一微小的變化都會直接影響到震蕩周期。

我們別忘了還有一個因素在，那就是溫度還會使電動機內的潤滑油的粘稠發(fā)生改變，從而使電機轉動軸隙的空間及其軸與軸瓦的配合發(fā)生變化。潤滑油對于電機來講也是異常重要，要想使電機里的轉動件摩擦阻力和磨損減少，在軸承、軸瓦的工作面等處都加有潤滑油，以提高電機機構中的能量傳遞效率和工作效率，如果溫度發(fā)生變化，潤滑情況也會發(fā)生變化。

當溫度升高至50度以上時，潤滑油不但會因粘度降低面迅速擴散流失，還會被氧化變質和揮發(fā)而失去潤滑作用，影響電機性能。

當溫度降低時，潤滑油的粘度增大，摩擦阻力增加，其結果一方面使能量傳遞效率降低，電機的轉速減小；另一方面軸瓦摩擦阻力增加，油質無法建立潤滑油膜，影響電機的安全。

5 密閉空間內空氣冷卻器的布置及空間內溫度場的建立和控制分析

空間內的循環(huán)通風冷卻系統(tǒng)中空氣冷卻器的布置進行建模分析：

對于單個空氣冷卻器的冷卻能力Q，利用能熱公式進行分析確定：

Q=K*F*ΔT

公式中：Q---冷卻能力，Kcal/h

K---傳熱系數(shù)，W/ m2*K

F---冷卻面積，m2

ΔT---傳熱溫差，℃

從以上公式可以看出，空氣冷卻器的工作能力與空冷器的傳熱系數(shù)K，傳熱面積F和傳熱溫差有關，其中任一參數(shù)的變化，都會對空氣冷卻器的冷卻能力Q直接產生影響，一般空氣冷卻器設計完成后，其傳熱面積是一個確定的值，因為幾何大小已定，不再變化，至于傳熱系數(shù)K，基本認為其是一個定值，一般變化不大，因此為了便于分析，可以假定K，F(xiàn)這兩個參數(shù)是不變的，空氣冷卻器的冷卻能力Q則僅隨著傳熱溫差的變化而變化，會隨著空氣冷卻器入口和出風口的溫度以及其內部冷卻水的溫度變化而變化，但是因為空間內的溫度以及冷卻水的溫度都會控制由溫度控制閥控制的比較穩(wěn)定，因而空冷器吸入口風的溫度對其冷卻能力的影響是最大的，最終會影響到空氣冷卻器出口風的溫度，這樣每個單個空氣冷卻器的出風溫度的細微變化，會影響到整個密閉空間內的各區(qū)域溫度場的分布。

密閉空間內的溫度場微氣候模型

密閉空間內的熱平衡狀態(tài)變化情況按穩(wěn)態(tài)來處理，假定：

①室內轉動設備的散熱和冷卻作用在一時間內是穩(wěn)定的；

②空間內的溫度和相對溫度在高度方向上梯度的變化很小，即空間體積不是很大，溫度和濕度等能在很快時間內擴散均勻。

③室內的溫度損失，即與外界的熱交換很少，忽略不計，則擬合出密閉空間內的熱平衡方程為：

VρC=α電機A*N*（Ti-T電機）+Kc*A熱管*（Ti-T熱管）+K冷卻水*A空氣器*（Ti-T冷卻水）

α電機---每臺電機的外表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/ m2*K

A---每臺電機的外表面與空氣接觸的面積，m2

N---空間內有N臺電動機

Kc---密閉空間內的熱介質流體管線與空氣的傳熱系數(shù)，W/m2*K

A熱管---熱介質流體管線的外表面積，m2

K冷卻水---空氣冷卻器的傳熱系數(shù)，W/m2*K

A空氣器---空氣冷卻器的傳熱面積，m2

從模型中分析，有3個主要因素影響空間內的溫度場變化，一是，內部電機運行時的主動發(fā)熱，導致室內的溫度上升；二是，電動機帶動的泵及其熱介質管道也會對空間內進行散熱；三是，空氣冷卻器對空間內進行冷卻降溫；三種因素中，電動機和熱介質的管線均是固定布置，無法改變或難以改變，而空氣冷卻器的位置變化相對來講比較靈活，根據(jù)位置，溫度以及空間進行合理的布置，可以很好的控制空間內的溫度場的分布。

針對密閉空間內的空冷器的布置原則是，盡量避免出風口直接對著高溫的轉動設備，防止在切換和啟停的過程中對轉動電機環(huán)境溫度場造成過大的影響，另外在合理布置時，應盡量保證室內溫度場的分布，盡可能的將溫度進行均勻的分布。可以借鑒當前研究的溫室微氣候的建立和控制，采用合理布置空間冷卻器分布的位置和溫度的區(qū)域探測，利用密閉空間內再分區(qū)，同時對內部冷卻風向進行調整，控制密閉空間內的空氣流場，保證整個溫度場的均勻分布。

6 對空氣冷卻器的布置規(guī)則的運行經驗和建議

多組空氣冷卻器布置規(guī)則

1）多組空氣冷卻器布置在一起時，應布置形式一致，宜采用成列式布置；應避免一部分成列式布置而另一部分成排布置；

2）并排布置的兩臺空冷器或聯(lián)合空冷器的構架立柱之間的距離，不應小于3m；

3）盡量避免讓風機冷風的出口直對高溫轉動設備，如果空間條件限制，可以在出口加裝擋風板，防止冷風直吹。

4）布置細節(jié)

i.空冷器管束兩端管箱和傳動機械處應設置平臺；

ii.布置空冷器的構架或主管廊的一側地面上應留有必要的金屬軟管補償器檢修場地和通道。

有條件下的密閉空間微氣候的建立和布置

如果在密閉空間設計之初，有足夠能力，可以對重要轉動設備所在的密閉空間進行微氣候設備的安裝，如可調風向冷卻風機的布置和各區(qū)域溫度探頭的安裝，采用多點風機布置，同時溫度探頭的測溫點增加數(shù)量，采用分小區(qū)域多點均衡測溫，分隔空間對其再細分化，對每一小區(qū)域進行單獨溫度測量，同時可采用微型計算機的聯(lián)動控制，溫度的高低自動控制風機的風向和冷卻水溫，來控制整個密閉空間內的溫度場在要求范圍內。