往復(fù)式壓縮機用中型高壓防爆電機的設(shè)計方案要點分析

1、往復(fù)式壓縮機用中型高壓防爆電機的設(shè)計要點分析- 機電論文往復(fù)式壓縮機用中型高壓防爆電機的設(shè)計要點分析陳彩 1，2 田儒彰 3（ 1.福建省產(chǎn)品質(zhì)量檢驗研究院，福建福州 350002 ；2.福州大學(xué)，福建福州350116 ；3. 中煤科工集團重慶研究院有限公司瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點實驗室，重慶400050 ）摘要：針對往復(fù)壓縮機用電機的工況特性，提出了該類電機的設(shè)計要點，依據(jù)負載特性、啟動特性，對防爆型式選擇、轉(zhuǎn)動慣量選擇、服務(wù)系數(shù)選擇、電磁噪聲控制、低速自扇冷卻、成本控制等方面進行了系統(tǒng)闡述。關(guān)鍵詞 ：往復(fù)式壓縮機；電機；轉(zhuǎn)動慣量；設(shè)計；服務(wù)系數(shù)；電磁噪聲0 引言煤層氣作為世界上最重要

2、的非常規(guī)天然氣資源之一，在我國已進入商業(yè)化生產(chǎn)階段 1 。煤層氣的利用需要采用LNG 、CNG 手段，要用往復(fù)式壓縮機進行液化或壓縮。然而，往復(fù)式壓縮機的負載的時變性、大慣量等工況特性，對電機提出了不同于水泵、礦用風(fēng)機等機械的設(shè)計要求， 本文根據(jù)往復(fù)式壓縮機的特性，系統(tǒng)闡述了驅(qū)動此類機械用電機的設(shè)計要點。1 往復(fù)式壓縮機的工況特性1.1 負載特性由于往復(fù)式壓縮機阻力矩My隨曲柄轉(zhuǎn)角 在變化， 而每一瞬時的驅(qū)動力矩Md 與 My不相等，從而使曲軸瞬時轉(zhuǎn)速變化，曲軸存在瞬時角加速度，見式（1）。My-Md=-J （1 ）式中，My為壓縮機阻力矩；Md 為瞬時的驅(qū)動力矩； J 為機組中全部旋轉(zhuǎn)質(zhì)量的

3、轉(zhuǎn)動慣量； 為曲軸瞬時角加速度。對于異步電機壓縮機機組，壓縮機和傳動機構(gòu)旋轉(zhuǎn)零件的慣量特性應(yīng)使旋轉(zhuǎn)波動減至最小，旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的最大轉(zhuǎn)速波動應(yīng)限制在全負荷時額定轉(zhuǎn)速的1.5% 。機組的旋轉(zhuǎn)零件的綜合慣量應(yīng)足以限制電機電流變化值不超過所有規(guī)定負荷條件下滿負荷電流的40% 2 ，以避免壓縮機振動、電機電流波動過大影響到電網(wǎng)的電壓脈動。另外，往復(fù)式壓縮機屬于低速負載， 轉(zhuǎn)速一般都是在500 1000r/min之間，以 8、10 、12 極居多，帶聯(lián)軸器驅(qū)動，這類電機的固有頻率和電磁場頻率非常接近，甚至有交叉。1.2 啟動特性根據(jù)往復(fù)式壓縮機技術(shù)標(biāo)準要求 2 ，在電壓下降到額定電壓的 80% 或其他規(guī)定值下

4、時，電機的啟動扭矩應(yīng)符合被驅(qū)動設(shè)備的要求，電機應(yīng)在15s 或其他購賣雙方同意的時間段內(nèi)加速到全速。只要在氣缸端卸荷或所有級100% 旁路時，不需要降低任何級正常吸氣壓力，電機啟動扭矩應(yīng)足夠啟動壓縮機。由于拖動的轉(zhuǎn)動慣量增加， 啟動壓降造成的啟動轉(zhuǎn)矩成平方關(guān)系下降，這就會造成電機啟動時間長從而導(dǎo)致啟動過程中發(fā)熱量大。2 設(shè)計要點2.1 選擇合適的防爆型式由于煤層氣的易燃、易爆屬性，LNG 、CNG 往復(fù)式壓縮機配套用電機必須防爆，可以選擇的防爆型式有正壓型、增安型、隔爆型等，對往復(fù)式壓縮機用中型高壓防爆電機而言，應(yīng)優(yōu)先選用隔爆型。隔爆型的優(yōu)勢如下3：（ 1 ）往復(fù)式壓縮機用中型高壓隔爆型電機比正

5、壓型、增安型節(jié)約成本，GB3836 2010 執(zhí)行之后，正壓型、增安型電機要通過相關(guān)試驗，成本激增。（2 ）往復(fù)式壓縮機用中型高壓隔爆型電機不需要吹掃裝置，比正壓型、增安型電機運行維護方便，且更有利于在礦山的機動運行。（ 3 ）往復(fù)式壓縮機用中型高壓防爆電機機座號在 H560 及以下，隔爆腔體小于 6000cm3 ，符合國家及國際標(biāo)準中關(guān)于隔爆接合面參數(shù)的規(guī)定，按隔爆型設(shè)計正合適。（4 ）往復(fù)式壓縮機用中型高壓防爆電機屬于低速電機，按隔爆型設(shè)計避免了高速隔爆型電機容易出現(xiàn)的抱軸問題。2.2 保證足夠的轉(zhuǎn)動慣量，減小電流波動從往復(fù)式壓縮機的負載特性可知，為最大程度控制電流波動，應(yīng)使瞬時加速度 盡

6、可能小，故應(yīng)力爭使轉(zhuǎn)動慣量J 增大，因此一般會希望電機的轉(zhuǎn)動慣量比較大。根據(jù)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量的計算關(guān)系式（2 ）可知，若要增加電機的轉(zhuǎn)動慣量，最有效的是增加轉(zhuǎn)子外圓、其次是增加鐵芯長度。因此，宜采用較大的轉(zhuǎn)子外徑、短粗結(jié)構(gòu)。J D2L （2）式中， J 為電機轉(zhuǎn)動慣量； D 為電機轉(zhuǎn)子外徑； L 為電機鐵芯長度。值得注意的是，如果壓縮機和電機的轉(zhuǎn)動慣量不能滿足要求，還需要增加飛輪，用以增大轉(zhuǎn)動慣量J，電機轉(zhuǎn)子中的風(fēng)扇、平衡環(huán)都可以通過加大外徑或提高質(zhì)量來增大電機的J，進而提高整個系統(tǒng)的飛輪力矩，以保證電流波動在合理范圍內(nèi)。2.3 提高啟動特性，減小啟動溫升根據(jù)往復(fù)式壓縮機用電機的啟動特性要求，要求

7、電機提高啟動轉(zhuǎn)矩倍數(shù)，降低啟動電流倍數(shù)， 以盡量降低啟動溫升。根據(jù)文獻6 ，驅(qū)動化工壓縮機的電機啟動轉(zhuǎn)矩倍數(shù)一般要達到0.6 倍，考慮到 80% 額定電壓時的啟動，啟動轉(zhuǎn)矩倍數(shù)應(yīng)達到 0.9 方能滿足最惡劣工況時的正常啟動要求。在電機設(shè)計時，電機轉(zhuǎn)子槽型應(yīng)優(yōu)先采用凸形槽，同時適當(dāng)加深，以增加集膚效應(yīng)，增加轉(zhuǎn)子啟動電阻， 從而提高啟動轉(zhuǎn)矩； 增加轉(zhuǎn)子槽總面積和端環(huán)截面積，以降低轉(zhuǎn)子發(fā)熱量。對于大容量電機，采用發(fā)熱量小的銅條轉(zhuǎn)子。在滿足最大轉(zhuǎn)矩要求的前提下，選用較小的B和較大的線負荷A ，以降低啟動電流，獲得良好的運行效率。2.4 保留一定的服務(wù)系數(shù)往復(fù)式壓縮機存在變工況運行，需要有一定的過載系數(shù)

8、。電機的額定功率（銘牌功率）一般是由壓縮機廠根據(jù)壓縮機的最大功率再乘以一定的系數(shù)選定，系數(shù)的選定各個電機設(shè)計單位和設(shè)計院要求不一樣，目前普遍采用的系數(shù)是 1.15 1.25 之間。若在訂貨時提出服務(wù)系數(shù)的要求，則需要按規(guī)定的服務(wù)系數(shù)來設(shè)計、制造。2.5 合理選擇電機頻率，避免電磁噪聲和電磁振動電機的電磁噪聲和振動本質(zhì)上就是共振，是電機固有頻率與電磁場力波頻率相近、階數(shù)相同造成。 往復(fù)式壓縮機的電磁特性決定了該類電機非常容易出現(xiàn)電磁噪聲或電磁振動，要避開此類共振問題出現(xiàn)，須從以下兩個方面入手：槽配合選擇電機槽配合選擇直接決定了電機氣隙磁場力波的階數(shù)和頻率。壓縮機電機通常在選擇槽配合時考慮如下原則

9、10 ：（ 1 ）8 極電機推薦的槽配合有 72/58 、72/56 （斜槽）。（ 2）10 極推薦的槽配合有 90/68 、90/69 、90/70 （斜槽）、90/72 、90/74 、90/76 、90/80 、90/106等。（ 3 ）12 極推薦的槽配合有 90/68 、90/70 、90/71 、90/106 等。為了具有通用性， 10 、12 極電機槽配合均按 90/70 直槽設(shè)計。雖然根據(jù)相關(guān)資料介紹電機運行時會形成同步附加轉(zhuǎn)矩，但實踐證明，在現(xiàn)有的設(shè)計情況下，并沒有出現(xiàn)明顯的轉(zhuǎn)矩突變。電機固有頻率選擇根據(jù)文獻 11 可知，在定子外圓和機座壁厚確定的情況下，定子內(nèi)圓、槽深對定子

10、固有頻率影響較大， 選擇三圓和設(shè)計槽型時應(yīng)注意結(jié)合實際經(jīng)驗進行固有頻率校核。 在保證電機性能的前提下，盡量采用小的定子內(nèi)圓和較淺的槽，提高定子剛度，避開低階力波頻率，定子內(nèi)圓以不超過定子外圓的70% 為宜。2.6 低速自扇冷卻從成本及維護角度考慮，往復(fù)式壓縮機用中型高壓防爆電機均采用自扇冷卻，6 、8 極采用相同的冷卻風(fēng)路系統(tǒng)，10 、12 極采用另外的冷卻風(fēng)路系統(tǒng)，由此帶來的低速冷卻需要綜合考慮才能解決電機的發(fā)熱問題。以H450機座號為例，以 6 極為基準， 8 、 10 、12 極電機發(fā)熱量、轉(zhuǎn)速、風(fēng)扇外徑、風(fēng)扇氣流風(fēng)速、風(fēng)壓系數(shù)、對流散熱系數(shù)、溫升指數(shù)對比如表1 所示。由表 1 可知，在

11、風(fēng)路相同的情況下，10 、 12 極散熱系數(shù)下降值比發(fā)熱量下降值要大，因此，需要采取措施降低發(fā)熱量或提高散熱能力，可通過適當(dāng)降低電磁負荷或優(yōu)化風(fēng)路來實現(xiàn)。 若將風(fēng)扇外徑增加至1.05 倍，則散熱系數(shù)變?yōu)?.95 、0.85 ，溫升系數(shù)變?yōu)?0.8 、 0.81 。在滿足噪聲要求的前提下，若適當(dāng)增加風(fēng)扇直徑或?qū)挾?，可以獲得較好的冷卻效果。2.7 提高通用性，降低成本三圓模具通用化設(shè)計為減少三圓模具費用， 10 、12 極電機的三圓盡量與6、8 極通用，不能滿足性能要求時，在條件允許的情況下可以適當(dāng)增大定子內(nèi)圓，但一般限制在定子外徑的 70% 以內(nèi)。10 、12 極電機的槽配合均采用90/70 ，

12、鑄鋁轉(zhuǎn)子（轉(zhuǎn)子沖片）應(yīng)實現(xiàn)通用，由于 10 極氣隙要比 12 極大，因此在電磁計算時10 極的槽口高應(yīng)比 12 極的小。定子沖片也盡量實現(xiàn)通用。外裝壓設(shè)計由于多極數(shù)電機定子內(nèi)圓大，軛部高度較小，導(dǎo)致繞組外圓與機座內(nèi)圓之間間距較小。一般情況下，多數(shù)10 、12 極電機都采用內(nèi)裝壓或者半內(nèi)裝壓。但由于內(nèi)裝壓生產(chǎn)周期長、 裝壓困難，因此在設(shè)計時應(yīng)使用合適的尺寸盡量實現(xiàn)外裝壓。設(shè)計措施如下：（ 1 ）在設(shè)計定子槽型時，應(yīng)使定子槽寬、淺，盡量增加軛部高度。（2 ）繞線用的芯軸直徑應(yīng)盡量小，根據(jù)不同的線規(guī)，可以將芯軸直徑降低至甚至，同時選擇較小的鼻抬高尺寸。對于端部總長均小于300mm的繞組，采用軟端箍綁

13、扎固定，軟端箍的直徑選擇可以參照文獻12 。3 結(jié)語往復(fù)式壓縮機是當(dāng)今世界使用非常普遍的通用機械，驅(qū)動此類機械的電機的選型和設(shè)計，不能僅僅考慮功率的匹配，還要考慮機械的負載、啟動特性，根據(jù)特性設(shè)計或選型電機，才能滿足工況使用要求。 參考文獻1 孟召平，劉翠麗，紀懿明 .煤層氣 / 頁巖氣開發(fā)地質(zhì)條件及其對比分析J.煤炭學(xué)報， 2013 ，38 （5 ）：2 美國石油學(xué)會 .API618標(biāo)準石油、化學(xué)和氣體工業(yè)設(shè)施用往復(fù)壓縮機 S .5 版.2007. 3 姜海艷 .淺談大型防爆異步電動機防爆型式的選擇J .機械管理開發(fā)，2009 ，24（3）：4 活塞式壓縮機設(shè)計編寫組.活塞式壓縮機設(shè)計M .北京：機械工業(yè)出版社， 1974. 5 郁永章 .容積式壓縮機技術(shù)手冊：制冷化工動力 M .北京：機械工業(yè)出版社， 2005. 6 湘潭電機廠 .交流電機設(shè)計手冊 M .長沙：湖南人民出版社， 1978. 7 郁永章，姜培正，孫嗣瑩 .壓縮機工程手冊 M .北京：中國石化出版社， 2012. 8 王佑坤，朱榮東 .空氣壓縮機變工況運行試驗研究J .石油礦場機械，2007 ， 36 （ 11 ）： 9張建杰 .壓縮機與驅(qū)動機選用手冊 M .北京：