密闭空间内的温度场变化对内部转动设备影响的分析

陈学斌

【摘 要】本文主要分析了在密闭空间中，运行的转动设备在空间内温度场发生变化时的运行情况，通过分析得出了温度场分布不均，以及温度场的变化如何影响到转动设备和电动机等重要设备，经过分析机理，总结出密闭空间内微气候的健立和控制方法，和空间内空气冷却器的合理布置形式，以此来达到空间内温度场的均匀分布的结果，尽量减少转动设备电动机的影响因素，保证电动机运行寿命。

【关键词】密闭空间；温度场；电动机

中图分类号： TU113.8 文献标识码： A 文章编号： 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 密閉空间内的温度场

在当前大部分发电厂中，其中会有部分厂房房间的设置和其中设备的布置设计中，为了保证相关介质的安全性以及人员的安全性，设备房间一般会采取密闭的空间，内部采用闭式冷却风机循环降温，保证房间内的设备安全稳定的运行。主要目的是限制房间内的温度，防止对房间及设备造成可能的危害，对房间内构筑物混凝土进行冷却，避免高温脆化。

为了保证房间内的冷却，防止温度过高，一般的设计方式是采用内部空气冷却器等来实现，空气冷却器利用冷却水来进行冷却，而且一般会设置多台空气冷却器进行房间内整体区域的温度控制，一般实行对称布置。当温度高时，多启动几台空气冷却器，而温度较高时会停运几台空气冷却器，或者是少启动几台空气冷却器，通过此种方式来对密闭空间内的温度进行控制，维持空间内的温度场。而为了保证设备的可靠性，设置上一般会配备有冗余就地空冷器，即空气冷却器的数量肯定是超过房间内部温度控制所需，一般设置为2倍的数量，目的是当有设备失效后，避免房间内的温度失去控制，影响设备的安全运行。正常运行过程中，针对冗余的空冷器，对采取定期切换的方式运行，防止某个空冷器长时间运行导致设备可靠性降低。

2 电动机振动异常的危害

电动机产生振动，会使绕组绝缘和轴承寿命缩短，影响滑动轴承的正常润滑，振动力促使绝缘缝隙扩大，使外界粉尘和水分入侵其中，造成绝缘电阻降低和泄露电流增大，甚至形成绝缘击穿等事故。另外，电动机产生振动，又容易使冷却器水管振裂，焊接点振开，同时会造成负载机械的损伤，降低工件精度，会造成所有遭到振动的机械部分的疲劳，会使地脚螺丝松动或断掉，电动机又会造成碳刷和滑环的异常磨损，甚至会出现严重刷火而烧毁集电环绝缘，电动机将产生很大噪音，这种情况一般在直流电机中也时有发生。

3 影响电动机振动的原因

1）转子、耦合器、联轴器、传动轮（制动轮）不平衡引起的。

2）铁心支架松动，斜键、销钉失效松动，转子绑扎不紧都会造成转动部分不平衡。

3）联动部分轴系不对中，中心线不重合，定心不正确。这种故障产生的原因主要是安装过程中，对中不良、安装不当造成的。

4）联动部分中心线在冷态时是重合一致的，但运行一段时间后由于转子支点，基础等变形，中心线又被破坏，因而产生振动。

5）与电机相联的齿轮、联轴器有故障，齿轮咬合不良，轮齿磨损严重，对轮润滑不良，联轴器歪斜、错位，齿式联轴器齿形、齿距不对、间隙过大或磨损严重，都会造成一定的振动。

6）电机本身结构的缺陷，轴颈椭圆，转轴弯曲，轴与轴瓦间间隙过大或过小，轴承座、基础板、地基的某部分乃至整个电机安装基础的刚度不够。

7）安装的问题，电机与基础板之间固定不牢，底脚螺栓松动，轴承座与基础板之间松动等。

8）轴与轴瓦间间隙过大或过小不仅可以造成振动还可使轴瓦的润滑和温度产生异常。

9）电机拖动的负载传导振动，比如说电机拖动的风机、水泵振动，引起电机振动。

10）交流电机定子接线错误、绕线型异步电动机转子绕组短路，同步电机励磁绕组匝间短路，同步电机励磁线圈联接错误，笼型异步电动机转子断条，转子铁心变形造成定、转子气隙不均，导致气隙磁通不平衡从而造成振动。

4 密闭空间内的温度场变化如何影响到内部的转动设备

在进行密闭空间内空气冷却器切换的过程中，会打破原来已经长期形成的密闭空间内的温度场，温度场的变化则会影响到运行中的转动设备已经形成的一个稳态环境，电机及其相关部件的热应力和热胀冷缩已经处于一个稳态的状态，而此时外界温度场的变化必然会导致该稳定状态被打破，电机需要重建立新的温度场，而在此过程中，因为环境温度的变化，电机本体的机械热应力变化，轴与轴瓦间间隙发生变化，过大或过小均可以造成电机振动的变化，一般发现，环境温度降低，电机的振动会有一个下降，而环境温度上升，相反的会导致振动有所上升。空气冷却器切换过程中房间内温度点的动态变化如下：

空气冷却器切换过程中内部电动机的状态变化：

如以上实际运行中的温度场变化后，导致明显的影响到电动机的振动和温度，从一个稳定的温度场变为另一个温度场有一个长时间的波动过程，最终与另一个温度场达到稳定状态，其振动参数也相应的发生明显的变化。

并且，环境温度的变化影响到电机润滑油的温度，而润滑油温度的变化会影响其特性，如温度太高，黏度降低，油膜无法正常建立，润滑失效，若温度过高会导致润滑油乳化，油质惡化，导致润滑油失效，威胁到电机本体。

针对以上电机振动高的原因分析，密闭环境内的温度场变化直接影响到内部转动设备的因素，主要是机械热应力和机械部件之间的热胀冷缩，实际工作中发现，对热应力的影响较明显，油温的变化较小。

电动机械对于温度的变化无外乎于影响其内部的金属零件及能降低电机内摩擦阻力的润滑油。我们都知道一个常识，金属会随着温度的变化而热胀冷缩，对于电机而言，尤其是核级电机，它是比较精密仪器。温度的变化会使轴与轴瓦间间隙几何尺寸发生微小的改变，而这些关键的部件的每一微小的变化都会直接影响到震荡周期。

我们别忘了还有一个因素在，那就是温度还会使电动机内的润滑油的粘稠发生改变，从而使电机转动轴隙的空间及其轴与轴瓦的配合发生变化。润滑油对于电机来讲也是异常重要，要想使电机里的转动件摩擦阻力和磨损减少，在轴承、轴瓦的工作面等处都加有润滑油，以提高电机机构中的能量传递效率和工作效率，如果温度发生变化，润滑情况也会发生变化。

当温度升高至50度以上时，润滑油不但会因粘度降低面迅速扩散流失，还会被氧化变质和挥发而失去润滑作用，影响电机性能。

当温度降低时，润滑油的粘度增大，摩擦阻力增加，其结果一方面使能量传递效率降低，电机的转速减小；另一方面轴瓦摩擦阻力增加，油质无法建立润滑油膜，影响电机的安全。

5 密闭空间内空气冷却器的布置及空间内温度场的建立和控制分析

空间内的循环通风冷却系统中空气冷却器的布置进行建模分析：

对于单个空气冷却器的冷却能力Q，利用能热公式进行分析确定：

Q=K*F*ΔT

公式中：Q---冷却能力，Kcal/h

K---传热系数，W/ m2*K

F---冷却面积，m2

ΔT---传热温差，℃

从以上公式可以看出，空气冷却器的工作能力与空冷器的传热系数K，传热面积F和传热温差有关，其中任一参数的变化，都会对空气冷却器的冷却能力Q直接产生影响，一般空气冷却器设计完成后，其传热面积是一个确定的值，因为几何大小已定，不再变化，至于传热系数K，基本认为其是一个定值，一般变化不大，因此为了便于分析，可以假定K，F这两个参数是不变的，空气冷却器的冷却能力Q则仅随着传热温差的变化而变化，会随着空气冷却器入口和出风口的温度以及其内部冷却水的温度变化而变化，但是因为空间内的温度以及冷却水的温度都会控制由温度控制阀控制的比较稳定，因而空冷器吸入口风的温度对其冷却能力的影响是最大的，最终会影响到空气冷却器出口风的温度，这样每个单个空气冷却器的出风温度的细微变化，会影响到整个密闭空间内的各区域温度场的分布。

密闭空间内的温度场微气候模型

密闭空间内的热平衡状态变化情况按稳态来处理，假定：

①室内转动设备的散热和冷却作用在一时间内是稳定的；

②空间内的温度和相对温度在高度方向上梯度的变化很小，即空间体积不是很大，温度和湿度等能在很快时间内扩散均匀。

③室内的温度损失，即与外界的热交换很少，忽略不计，则拟合出密闭空间内的热平衡方程为：

VρC=α电机A*N*（Ti-T电机）+Kc*A热管*（Ti-T热管）+K冷却水*A空气器*（Ti-T冷却水）

α电机---每台电机的外表面传热系数，W/ m2*K

A---每台电机的外表面与空气接触的面积，m2

N---空间内有N台电动机

Kc---密闭空间内的热介质流体管线与空气的传热系数，W/m2*K

A热管---热介质流体管线的外表面积，m2

K冷却水---空气冷却器的传热系数，W/m2*K

A空气器---空气冷却器的传热面积，m2

从模型中分析，有3个主要因素影响空间内的温度场变化，一是，内部电机运行时的主动发热，导致室内的温度上升；二是，电动机带动的泵及其热介质管道也会对空间内进行散热；三是，空气冷却器对空间内进行冷却降温；三种因素中，电动机和热介质的管线均是固定布置，无法改变或难以改变，而空气冷却器的位置变化相对来讲比较灵活，根据位置，温度以及空间进行合理的布置，可以很好的控制空间内的温度场的分布。

针对密闭空间内的空冷器的布置原则是，尽量避免出风口直接对着高温的转动设备，防止在切换和启停的过程中对转动电机环境温度场造成过大的影响，另外在合理布置时，应尽量保证室内温度场的分布，尽可能的将温度进行均匀的分布。可以借鉴当前研究的温室微气候的建立和控制，采用合理布置空间冷却器分布的位置和温度的区域探测，利用密闭空间内再分区，同时对内部冷却风向进行调整，控制密闭空间内的空气流场，保证整个温度场的均匀分布。

6 对空气冷却器的布置规则的运行经验和建议

多组空气冷却器布置规则

1）多组空气冷却器布置在一起时，应布置形式一致，宜采用成列式布置；应避免一部分成列式布置而另一部分成排布置；

2）并排布置的两台空冷器或联合空冷器的构架立柱之间的距离，不应小于3m；

3）尽量避免让风机冷风的出口直对高温转动设备，如果空间条件限制，可以在出口加装挡风板，防止冷风直吹。

4）布置细节

i.空冷器管束两端管箱和传动机械处应设置平台；

ii.布置空冷器的构架或主管廊的一侧地面上应留有必要的金属软管补偿器检修场地和通道。

有条件下的密闭空间微气候的建立和布置

如果在密闭空间设计之初，有足够能力，可以对重要转动设备所在的密闭空间进行微气候设备的安装，如可调风向冷却风机的布置和各区域温度探头的安装，采用多点风机布置，同时温度探头的测温点增加数量，采用分小区域多点均衡测温，分隔空间对其再细分化，对每一小区域进行单独温度测量，同时可采用微型计算机的联动控制，温度的高低自动控制风机的风向和冷却水温，来控制整个密闭空间内的温度场在要求范围内。