史寧崗，黃盛華

1中國(guó)石油天然氣股份有限公司管道分公司，河北 廊坊2中國(guó)石油管道局工程有限公司國(guó)際事業(yè)部，河北 廊坊

1.概況

陜京二線興縣壓氣站采用三臺(tái)離心式電驅(qū)壓縮機(jī)組為長(zhǎng)輸管道天然氣增壓。其中主驅(qū)動(dòng)電機(jī)為GE公司(原法國(guó)CONVERTEAM 公司)生產(chǎn)的雙繞組同步電機(jī)，額定電壓4400V，額定功率17.2MW，該同步電機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流由與主電機(jī)同軸的旋轉(zhuǎn)整流盤(pán)式勵(lì)磁機(jī)提供。

勵(lì)磁機(jī)在產(chǎn)生交流電及整流盤(pán)將交流電轉(zhuǎn)換為直流勵(lì)磁電流的過(guò)程中將產(chǎn)生大量的熱量，該熱量由主電機(jī)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行散熱，其示意圖及本體風(fēng)道走向圖如圖1所示。

2.問(wèn)題及原因分析

主電機(jī)及勵(lì)磁機(jī)的全部散熱由主電機(jī)頂部換熱器進(jìn)行，主電機(jī)內(nèi)部轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，將熱量帶至頂部換熱器進(jìn)行冷卻，冷卻后的冷空氣經(jīng)主電機(jī)兩端底部進(jìn)行循環(huán)。在主電機(jī)非驅(qū)動(dòng)端底部有勵(lì)磁機(jī)通風(fēng)散熱孔道，冷空氣、熱空氣均由主電機(jī)非驅(qū)動(dòng)端底部流入和流出，這將導(dǎo)致勵(lì)磁機(jī)冷卻換熱通風(fēng)量小，勵(lì)磁機(jī)散熱效果不佳，勵(lì)磁機(jī)罩殼內(nèi)溫度較高，勵(lì)磁機(jī)運(yùn)行環(huán)境相對(duì)較為惡劣，勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子部分元件長(zhǎng)期在高溫環(huán)境下運(yùn)行導(dǎo)致老化加速、進(jìn)而燒毀。在2015年10月，興縣壓氣站DY401機(jī)組勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子繞組燒毀事件中得到了充分驗(yàn)證。

為了獲取勵(lì)磁機(jī)罩殼內(nèi)的溫度情況，在2016年8月31日14:00分別選取罩殼上不同點(diǎn)位用紅外測(cè)溫槍進(jìn)行了測(cè)量，測(cè)量結(jié)果為：罩殼所進(jìn)冷空氣溫度為65.2℃，罩殼內(nèi)熱端溫度達(dá)到了99.6℃，勵(lì)磁機(jī)運(yùn)行環(huán)境較為惡劣。

3.解決方案

針對(duì)上述勵(lì)磁機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)的缺點(diǎn)，通過(guò)研究提出以下解決方案：

方案1：增加電機(jī)內(nèi)、外部換熱器的換熱面積：電機(jī)內(nèi)部的熱量是通過(guò)空(電機(jī)內(nèi)部)/水–水/空(外部環(huán)境)的交換方式將熱量傳遞出去的，因此通過(guò)增加電機(jī)內(nèi)、外部換熱器的換熱面積，能有效降低電機(jī)內(nèi)部整體的環(huán)境溫度，從而間接降低勵(lì)磁機(jī)的環(huán)境溫度。

方案2：增加正壓通風(fēng)的通風(fēng)量：在電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，需要引入外部的壓縮空氣作為正壓通風(fēng)氣源，以維持電機(jī)內(nèi)部的防爆環(huán)境。壓縮空氣的溫度一般在20℃左右，所以，可以通過(guò)增加正壓通風(fēng)的通風(fēng)量，降低電機(jī)內(nèi)部整體的環(huán)境溫度，進(jìn)而降低勵(lì)磁機(jī)的內(nèi)部環(huán)境溫度。

方案3：改善勵(lì)磁機(jī)的通風(fēng)環(huán)境：通過(guò)測(cè)量發(fā)現(xiàn)，勵(lì)磁機(jī)通風(fēng)環(huán)境溫度整體高于主電機(jī)通風(fēng)環(huán)境溫度，而主電機(jī)在負(fù)荷加大時(shí)，勵(lì)磁機(jī)通風(fēng)環(huán)境溫度變化較大，主電機(jī)通風(fēng)環(huán)境溫度變化不大，因此可以通過(guò)增大勵(lì)磁機(jī)與主電機(jī)之間的通風(fēng)管路，提高勵(lì)磁機(jī)通風(fēng)量來(lái)降低勵(lì)磁機(jī)內(nèi)部環(huán)境溫度。

Figure 1.The heat dissipation diagram of original exciter 圖1.原勵(lì)磁機(jī)散熱示意圖

上述3項(xiàng)方案均可實(shí)現(xiàn)勵(lì)磁機(jī)內(nèi)部環(huán)境溫度的改善，但通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)：方案1改動(dòng)部件較多，改造成本高，而且受電機(jī)空間的限制，內(nèi)部換熱器改造難度較大，同時(shí)，該方案為間接降溫方案，如果主電機(jī)與勵(lì)磁機(jī)通風(fēng)環(huán)境未得到改善，主電機(jī)內(nèi)部環(huán)境溫度的降低給勵(lì)磁機(jī)帶來(lái)的溫降影響將受到限制。方案2 雖然改造部分不多，但要達(dá)到預(yù)期效果，需要的外部壓縮空氣量將大幅提高，運(yùn)行成本將大大增加。方案3直接針對(duì)問(wèn)題進(jìn)行改進(jìn)，改動(dòng)成本不大，且主電機(jī)內(nèi)部換熱器仍有換熱空間，改造后既能降低勵(lì)磁機(jī)內(nèi)部環(huán)境溫度，又不影響主電機(jī)的正常運(yùn)行。因此，選擇方案3作為改造的實(shí)施方案。

通過(guò)分析勵(lì)磁機(jī)旋轉(zhuǎn)過(guò)程中內(nèi)部冷卻空氣的流向，從增大勵(lì)磁機(jī)通風(fēng)管路，改變勵(lì)磁機(jī)冷空氣進(jìn)風(fēng)通道，加裝勵(lì)磁機(jī)罩殼內(nèi)溫度傳感器、冷卻空氣流量傳感器及顯示儀表3方面入手解決。首先，將原本設(shè)計(jì)的勵(lì)磁機(jī)冷空氣進(jìn)風(fēng)通道改為熱空氣回風(fēng)通道，這樣熱空氣回風(fēng)通道就由原來(lái)的1條通道改為現(xiàn)在的2 條通道，回風(fēng)通道截面積為原設(shè)計(jì)的2 倍。其次，將勵(lì)磁機(jī)冷空氣進(jìn)風(fēng)通道由主電機(jī)冷卻器直接引至勵(lì)磁機(jī)罩殼頂部，進(jìn)風(fēng)通道由2條直徑為200mm 的圓形管路組成，進(jìn)風(fēng)通道截面積為原設(shè)計(jì)的4 倍。冷卻空氣從頂部送入勵(lì)磁機(jī)，經(jīng)過(guò)整個(gè)勵(lì)磁機(jī)熱交換后通過(guò)底部回風(fēng)通道進(jìn)行循環(huán)[1]。最后，在勵(lì)磁機(jī)罩殼內(nèi)冷端、熱端分別加裝2 個(gè)溫度傳感器，在冷卻空氣進(jìn)氣通道口加裝2個(gè)空氣流量溫度一體傳感器，且在勵(lì)磁機(jī)外殼增加溫度、流量外部顯示儀表，將6個(gè)傳感器實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)現(xiàn)場(chǎng)顯示(圖2)。

4.結(jié)語(yǔ)

通過(guò)改善勵(lì)磁機(jī)的通風(fēng)環(huán)境，勵(lì)磁機(jī)罩殼內(nèi)溫度下降了20℃左右，勵(lì)磁機(jī)運(yùn)行環(huán)境明顯改善，勵(lì)磁機(jī)內(nèi)部元件故障率下降了60%左右，壓縮機(jī)組勵(lì)磁機(jī)可靠率、可用率大幅提升，故障率大幅降低，改造之后的勵(lì)磁機(jī)運(yùn)行狀態(tài)平穩(wěn)。

加裝冷卻空氣溫度、流量傳感器及就地顯示裝置之后，填補(bǔ)了以前無(wú)法監(jiān)測(cè)勵(lì)磁機(jī)內(nèi)部冷卻空氣溫度的空白，給值班巡檢及設(shè)備管理帶來(lái)了極大方便，可以隨時(shí)觀察勵(lì)磁機(jī)罩殼內(nèi)部溫度，提前預(yù)判設(shè)備相關(guān)各系統(tǒng)發(fā)生故障的現(xiàn)象，提前采取相應(yīng)措施，從而保證設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行。

Figure 2.The heat dissipation chart of exciter after retrofit 圖2.改造后勵(lì)磁機(jī)散熱圖