正壓型防爆電機吹掃過程多組分瞬態濃度場分析

于喜偉 孟大偉 李瓊

摘 要：以一臺6.5 MW正壓型防爆電機為例，首次將多組分流體理論應用于正壓型防爆電機，采用了有限元法對電機的安全性能進行了仿真分析，分別完成了“模擬爆炸環境瞬態仿真計算”和“吹掃瞬態仿真計算”，得到了吹掃過程中爆炸性氣體及清潔空氣各組成成分的濃度變化云圖，通過各部位的濃度云圖能夠得知電機內部是否存在吹掃死角，增強了安全性能。仿真結果經過防爆試驗驗證，計算數據滿足精度要求。進一步優化了進氣管道的布置方案，通過合理的調整進氣管道開孔的位置、數量及大小提高了吹掃效率，節約了試驗成本，同時也可以使電機快速啟動，更好的服務工況。

關鍵詞：正壓型防爆;多組分;流體場;瞬態分析

中圖分類號：TM 315

文獻標志碼：A

文章編號：1007-449X（2019）04-0049-07

0 引 言

防爆電機廣泛應用于石油、化工等行業，按照防爆類型主要分為隔爆型、增安型、無火型及正壓型，隔爆型電機是通過加厚機殼厚度及減小防爆間隙來實現防爆，這使得材料利用率很低[1-3]，且由于需要通過較高的水壓試制，因此難以在大型電機里得到應用[4-6];增安型和無火花型電機是通過減小定轉子電暈來實現防爆，電機為了滿足定子繞組脈沖試驗，繞組設計極為復雜且成本很高，在行業里應用較少[7];正壓型電機起動前向電機內部吹入干燥的空氣或惰性氣體（氦氣、二氧化碳、氮氣等），用來置換電機內部可能存在的爆炸性氣體，使電機內部爆炸性氣體的濃度降到爆炸極限以下，這一過程稱為“吹掃”過程。在電機運行過程中也需要向電機內部不斷通入少量保護氣體，用以保持電動機內部壓力大于外部壓力，防止外部爆炸性氣體再次進入電機內部，從而達到防爆的目的。正壓型電機克服了其它防爆電機的主要缺點，近年來，隨著正壓保護裝置逐漸完善及國際標準IEC60079-2第6版正式發布，各大電機公司陸續將正壓型防爆電機推向了市場。

對正壓型防爆電機，目前主要采用試驗的方式來保證其安全性能[8-10]，如此不僅成本高，且覆蓋性不好，必須每臺電機都要進行實驗同時缺乏理論基礎，難以為今后的設計提供參考依據。由于正壓型防爆電機的應用歷史較短，且分析的區域是由空氣和爆炸性氣體構成的多組分流體場，因而還沒有開展其安全性能的模擬仿真研究。目前對多組分流體場的分析主要集中在石油化工領域，不但考慮了多組分的密度和粘度等自身特性影響[11-14]，有些還分析了多組分之間的相變、溶解、化學反應等因素[15-16]，在環境污染領域也偶有建樹[17]。而在電機領域的應用多為單一物質的流體場分析，文獻[18-19]對電機的定子流體場進行了分析，文獻[20]計算了電機轉子流體場，文獻[21]對無刷勵磁機通風冷卻進行了模擬，文獻[22]對電機的冷卻器的流體場進行了優化，文獻[23]對電機的全域流體進行了預測，而對電機進行多組分流體場分析的文獻尚未發現。

本文以一臺6.5 MW正壓型防爆電機為例，結合實際運行情況給出合理的基本假設與邊界條件，并根據多組分流體力學原理，采用有限元法對電機的安全性能進行了仿真分析，得到了吹掃過程中不同時間下的各組分氣體的濃度分布情況、防爆試驗氣體消耗量及總計吹掃時間;同時與防爆試驗進行了對比，為今后正壓型防爆電機安全性能的仿真分析提供了理論基礎;最后對進氣管道的布置進行了改進，為后續類似產品設計提供參考。

1 物理模型

電動機的基本參數如表1所示。

樣機實物如圖1所示，圖2為根據電機實物確立的求解模型，因分析吹掃過程只與電機內部氣體流體有關，所以建模時略去了強迫風機、軸承、接線盒等部件，而對電機內部的定子、轉子和冷卻管等部件都進行了詳細繪制。

在圖2中定義的橫向截面和縱向截面及點A、B、C、D、E是用于仿真分析說明，在軸向截面上與點A、B、C、D、E相對應點F、G、H、I、J，由于空間有限在此圖中未示意。

2 有限元數值仿真分析

2.1 網格劃分

采用結構網格對模型進行劃分，由于電機整體尺寸很大，內部又具有很多狹小空間，為了得到較好的網格質量需要將單元尺寸設置很小，共計單元數1993萬，節點數352萬。圖3為網格剖分圖。

2.2 計算模型建立

2.2.1 數學描述

計算區域內由多種成分組成，流體的物性參數由每個組分流體的物性及其質量分率決定，各組分質量分率之和等于 1 ，即：

采用Species Transport模型，求解時利用質量守恒方程對流體流動進行控制，如式（4）所示;且由于流體粘性的作用，流體流動滿足動量守恒方程，如式（5）所示;吹掃過程的流動狀態由雷諾數進行判斷，如式（6）所示，經過計算雷諾數為90 855，遠大于4 000，流動狀態屬于湍流，采用了標準的湍流k-ε模型，如式（7）所示。

2.2.2 基本假設

1）不考慮多組分之間化學反應;

2）氣體在整個運動過程中溫度不變;

3）電機內氣體處于常壓下，忽略流體域內流體浮力和重力的影響;

4）流體流速遠小于聲速，即把電機內流體作為不可壓縮流體處理。

2.2.3 邊界條件

2.2.3.1 模擬爆炸環境瞬態仿真計算

1）電機安裝場所為Zone 2（IIC），主要爆炸氣體為H2和C2H2，模擬爆炸氣體采用He（防爆試驗時常使用He模擬爆炸氣體，因He密度與氫氣相近，且為惰性氣體）。

2）電機內部初始為空氣（由21%的O2和79%的N2組成）。

3）從電機入口通入濃度100%的He，采用速度入口，速度為30 m/s。

4）采用壓力出口。

5）計算的結束條件為：He在各個取樣點的濃度不低于70%（按照防爆標準要求）。

2.2.3.2 吹掃瞬態仿真計算

1）結合真實試驗過程，“模擬爆炸環境”后將對電機進行“吹掃”試驗，因此以“模擬爆炸環境”的結束狀態作為吹掃瞬態計算的初始狀態。

2）向電機內部吹入空氣（由21%的O2和79%的N2組成），采用速度入口，速度為30 m/s。

3）采用壓力出口。

4）計算的結束條件為：He在各個取樣點的濃度不高于1%（按照防爆標準要求）。

2.3 計算結果

本文的所有分析均為瞬態過程，為了獲取不同時刻的各組分的濃度情況，每隔240 s進行一次數據存儲，圖4為模擬爆炸環境瞬態計算的t=1 680 s時He濃度分布云圖，當t=1 680 s時計算域內所有位置He濃度都達到70%以上，完成了模擬爆炸環境，所消耗的He總量為Q=71 m3。根據保存下來的不同時刻濃度數據，可以獲得電機不同取樣點的各組分濃度隨著時間變化曲線，如圖5所示。

圖6為吹掃瞬態計算t=5 040 s時的He濃度分布云圖，圖中所有位置He濃度都降低到1%以下，且無吹掃死角，吹掃時間為3 360 s，最小換氣量142 m3。圖7為吹掃瞬態計算時電機不同取樣點的各組分濃度隨著時間變化曲線。

3 防爆試驗

樣機裝配后進行了防爆試驗，圖8（a）為試驗時在電機外表面設置濃度測試點，機座上有6處，冷卻器上有4處，圖8（b）是在通過儀器進行各點濃度測量。進行爆炸環境試驗：當所有測試點He濃度都達到70%以上時用新鮮空氣進行吹掃試驗：當所有測試點He濃度都達到1%以下時，吹掃時間為58 min，最小換氣量150 m3。仿真計算結果與試驗數據相比，吹掃時間與最小換氣量的相對誤差分別為5.33%和3.44%，滿足工程精度要求。

4 改進

由仿真結果可以看出，在吹掃過程中圖7的C點He濃度降低最慢，圖6縱向截面圖的中部濃度降低較慢（即轉子內部的濃度降低較慢）。濃度降低速度主要與進氣管道布置有關，因此對進氣管道進行了改進。改進前后的進氣管道如圖9所示，改進后A端比B端的開孔略大，可以提高C點側的濃度降低速度，改為兩排進氣使中部的進氣量增多，提高中部濃度降低速度。

圖10為改進進氣管道后模擬爆炸環境瞬態計算t=1 260 s時的He濃度分布云圖，所有位置He濃度都達到70%以上，所消耗的He總量Q=53 m3。與改進前相比，He用量降低了25%。圖11為改進進氣管道后模擬爆炸環境瞬態計算時各組分濃度隨著時間變化曲線。

圖12為改進進氣管道后吹掃瞬態計算t=3 780 s時的He濃度分布云圖，圖中所有位置He濃度都降低到1%以下，吹掃時間為2 520 s，較改進前減少了25%，極大提高了吹掃效率。同時，轉子內部濃度降低速度已經有所提高。圖13為改進進氣管道后吹掃瞬態計算時各組分濃度隨著時間變化曲線，從曲線中可以看出C點側的濃度降低速度已經明顯提高。

5 結 論

本文對通過對6.5 MW正壓型防爆電機安全性能研究，可以得到如下結論：

1）仿真結果與防爆試驗數據吻合，說明采用多組分流體場有限元法對電機安全性能進行仿真是可行的。

2）通過該仿真方式能夠得到任一時間任一位置的氣體濃度分布情況，可以得知電機內部是否存在吹掃死角，增強了電機安全性。

3）合理布置進氣管道，能夠節約試驗成本，提高吹掃效率，也加速了電機啟動。

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（編輯：劉琳琳）