高压电动机热管式冷却器的研发与应用

1 概述
　　热管式冷却技术的发明可以溯源于1942年申请并于1944年公布的美国专利，而实际上最早的成功应用是在1964年美国的宇航技术上，随后在各国科学界的努力下，热管技术在理论设计、制造工艺以及应用领域上都取得了极大发展。目前，作为一种成熟的冷却技术，热管作用高效传热元件已在许多工业领域得到推广应用。我国从上世纪50年代由中科院力学所等单位开始开展此项技术的研究工作，并陆续研制成功各种热管；80年代以后我国更多单位参与热管技术的应用研究，而且在电子工业、空间技术、能源工程等领域获得了成功应用。
　　对于热管在电机的冷却技术中的应用早已有人提出，并取得了一定的成果，还研制出一些容量比较小的电动机样机，但大多数工作仍处于试验研究阶段，离实际生产应用有一段距离。研究者或者仅是提出了高压电动机热管式冷却器的可行性研究论文[1]，或者仅综述性地展望了热管技术在电机冷却方面的良好前景[2]，但正如文献[2]作者十几年前在文章结语中所说，“热管在电机冷却中的应用还处于试验探索阶段，试验电机的容量都比较小。要实现热管在电机冷却（特别是大中型电机）中的工业应用，还要做大量的理论研究和试验分析工作。”我们在进行此项“高压电动机热管式冷却器研制”课题的研究、开发过程中，没有可以模仿的先例，靠我们自己掌握的电机设计和制造基础以及其它行业成功的热管技术应用经验，依靠良乡电力修造厂雄厚的电机生产能力，完全靠自己走出了一条大中型电机冷却技术的新路。
　　为此，我们在大中型高压电动机上应用热管冷却技术方面进行了探索性试验和应用。
2 在火电厂大中型高压电动机上应用热管技术的可行性
2.1 传统列管式冷却器存在的问题
　　大中型高压电动机冷却器目前广泛采用列管式水—空型或空—空型结构。运行时水—空型冷却器是冷却管内通冷却水，电机内部热空气在风压的作用下流过冷却管的外表面，与管内冷却水进行热交换，达到冷却电机的目的；空—空型冷却器与水—空型冷却器换热原理一样，只是冷却管内的冷却水改成冷却空气而已。
　　若采用空—空换热，即用外界冷空气冷却电机内的热空气，热空气走管外，冷空气走管内，存在的问题主要是管内换热面积小，流动阻力大，冷却器重量较重。
　　如果采用水—空换热，则电机内的热空气走管外，冷却水走管内，它存在原主要问题是：
　　◆对冷却器使用的铜管材要求高，否则将造成铜管的脱锌腐蚀，由此导致泄漏，漏入电机的水会造成电动机严重损坏事故；
　　◆对冷却水的要求高，如果水不干净或夹带泥沙容易堵塞管子，冷却器维护量大，要定期对冷却器管子进行冲洗和捅刷，一旦磨损致使水漏入电机，将造成电动机严重损坏事故；
　　◆由于水温低，很容易出现局部管壁温度低于电机内空气的露点温度，凝结水夹带在空气中，将损坏电机的绝缘。
2.2 使用热管式空气冷却器的优点
热管式冷却器与上述两种传统冷却器的换热原理截然不同，利用的是冷却介质物态变化时的热效应原理，即冷却介质由液态变为气态时需要吸收热量，由气态变成液态时需要释放热量。这是一种全新的冷却方式，为电机的冷却开辟了新的途径。
热管式冷却器代替常规的列管式冷却器，将具有以下优点。
a)对于空—空型换热：
　　●利用热管的高传热性能，将冷空气的管内换热转换为管外换热，这样就很容易扩展
换热面积，从而减少冷却器的体积和重量；
　　●管外流动阻力小。
　　b)对于水—空型换热：
　　●水不在每根管子的管内流，而在热管—端管外流，只要隔板密封的好，就可以避免水漏到电机内；
　　●每根热管都是独立的传热元件，即使由于水冲磨损损坏，水也不会漏到空气一侧，这就能保证电机的安全运行，而且，少数热管的失效不会对整个设备的性能有什么影响。不像列管式冷却器一旦泄漏，必须停机处理；
　　●设计上便于调节热管的表面温度，以保持在循环空气的露点温度以上，避免冷凝水滴出现在空气中，保证对电机的绝缘要求。
2.3 热管技术用于电机空气冷却器上需要解决的问题
　　由于大型电机设备要求必须保证安全、稳定的运行，热管的设计和制作必须要满足可靠性方面的苛刻要求。
　　热管式冷却器在高压电动机上的应用，主要技术难点是热管型式、材料、工艺、尺寸等设计参数的计算和选择，以及在实际施工改装方面，要求在原有电机列管式冷却器的空间上进行改装，冷却效果原则上应优于原冷却器，同时还要考虑控制生产成本等因素，尽量节约资金。
　　从目前热管技术的发展来看，无论是对空—空型换热还是水—空型换热，设计应该说比较成熟，工程设计参数也比较齐全。从我们对热管技术的掌握情况来看，可供选择的热管类型包括管材和工质，是能够满足我们的设计要求的。
　　为保证电动机长期可靠的工作，热管材料和工质的选择以及制作工艺质量的检测等方面，需要严格把关，不能留下质量隐患。
　　冷却器容量的设计上，在考虑冷却效果不低于原冷却器的前提下，还要留有进一步扩展容量的空间，需要时可以靠增加热管元件，方便地达到增大冷却效果的目的。因此对热管容量和结构尺寸的设计，应当对具体型号电动机有相对准确和具体的计算方案。
3 热管式冷却器
　　随着热管技术的发展，目前可供选择的材料、工艺以及设计参数都比较完备。具体的设计和计算，详见本课题研制报告，不在此重复。
　　热管冷却器采用铝轧翅片管，其结构为分离式热管结构，这样比较容易布置换热面。
　　采用分离式热管结构便于布置电机循环气流（热气流）和冷却空气（冷气流）的流道，也减少了穿过隔板的管子根数，对密封有利。
　　此外，热管冷却器设计为冷、热气流完全逆流换热，可以减少使用热管的数量。
　　在热管质量保证方面，热管工质的选用要保证长寿命和安全性，选用氨作为经过长期考验的工质，氨和铝可以长期相容，工作的温度范围也适合作空气冷却器使用，而且它的热性能也非常好。
4 试验电动机的选择和安装试验
　　根据良乡电力修造厂正常的生产进度，选择了三台不同型号的高压电动机进行了热管式冷却器的设计和计算，分别是YMKQ600-6型650kW6kV高压电动机、YMK600-6-10型630kW10kV高压电动机和YMKQ500-6型450kW6kV高压电动机，分别属于三家不同的用户，被拖动设备全部是磨煤机。
　　我们在经过详细论证和计算以后，在三台电动机上分别安装了热管式冷却器取代原设计的列管式冷却器。
　　三台电动机中第一台电机因某些客观原因没有进行型式试验，但随访用户反映电动机运行情况良好，未见异常。后两台电动机专门取同样型号，仅冷却器是传统的列管式冷却器，分别在北京重型电机厂进行包括性能考核在内的型式试验。4台电动机的对比性试验结果显示电动机温升有所降低，但不是十分明显，这是因为热管设计时为控制试验成本，取用的热管容量与原冷却器容量比较接近，在实际安装空间上留有一定的扩展裕度，如果需要，完全可以再增大热管容量，使温度降得更多一些。
　　实际运行和性能考核试验结果表明，我们在高压电动机上安装热管式冷却器技术改造项目是成功的。
5 热管冷却器在电动机冷却技术上的应用前景
　　热管式冷却器与传统的列管式空—空型或水—空型冷却器相比较，因换热原理不同，其优点是显而易见的。首先是换热效率高，其次是相应的冷却器重量轻，造价低，同时还不存在管道堵塞问题，使维护工作量减少，由于不用水，也就不存在漏水引起的电动机故障问题，对节约水资源也大为有益。热管式冷却器首次在高压电动机上的成功应用显示应用前景十分可观。
　　1）在大中型高压电动机上更换传统的列管式空—空型冷却器，可以改善冷却效果，延长电动机的使用寿命，并减少了冷却系统故障，从而提高了电动机的运行可靠性。
　　2）在大中型高压电机上更换传统的水—空型冷却器，可以节约大量的水资源，在我国北方缺水地区具有重要的经济价值和社会效益。
　　3）若在大型发电机上更换传统的水—空型气体（氢气或空气）冷却器，既达到降低发电机温升、提高出力能力的重要目的，还可以节约大量的水资源。
　　4）我们这次只开发了空—空型热管式冷却器，今后若开发水—空型热管式冷却器，只需将热管的冷端通水冷却即可，这种热管式冷却器热端置于电机顶部，与电机内部热空气进行换热，而把热管冷端或置于电机顶上最上部，或置于电机侧面，防止漏水引起电机故障，进一步的研究有待于将来继续进行。
　　5）发电机的冷却器，无论是空气冷却器（如大多数水轮发电机和抽水蓄能发电—电动机、全空冷的汽轮发电机）还是氢气冷却器（如采用氢气冷却的大多数大型汽轮发电机），其基本工作原理都与电动机的冷却器一样，尽管冷却器的内部结构有许多型式，但总体上说仍属于传统的列管式冷却器进行热交换范畴，我们在电动机上的成功经验，为下一步进行发电机冷却器的改造打下了很好的基础。发电机冷却器的改造预期应能取得类似电动机的效果，如降低电机内部温升、减少冷却器故障几率、减少检修工作量、提高设备可靠性等等，其经济效益将极为可观。
　　6 应用及效益分析
　　高压电动机热管式冷却器的应用单位主要是各发电厂以及其它工业生产企业电动机检修部门和电动机制造厂。由于此类电动机数量很多，并且在各种工业生产部门都属于重点动力设备，所以项目的应用对象非常广泛，应用前景广阔，具有很大的经济效益和社会效益。
　　由于热管式冷却器比传统的列管式冷却器换热效率高，并且冷却器重量较轻，造价较低，同时还不存在管道堵塞问题，使维护工作量减少，由于不用水，也就不存在漏水引起的电动机故障问题，对节约水资源也大为有益，因此热管式冷却器在高压电动机上应用的经济效益十分可观。
　　1）在电厂大中型高压电动机上更换传统的列管式冷却器，可以改善运行条件和提高发电机组设备的可靠性，为电厂持续安全发电带来良好的经济效益，通常减少一次发电设备非正常停运事故，避免的直接经济损失以数百万元计算，间接经济损失更加巨大。
　　2）在大中型高压电机上更换传统的水—空型冷却器，可以节约大量的水资源，在我国北方缺水地区具有重要的经济价值和社会效益。资料显示，单台电动机节水可达38万吨/年[1]。
　　3）若在大型发电机上应用热管式冷却器，既可以达到降低发电机温升、提高发电机可靠性的重要目的，还可以节约大量的水资源，其经济效益将极为可观。
　　全国仅各发电厂（暂不考虑其它工业部门）在运的带旧式冷却器的高压电动机数量为数千台，做旧电动机改造的应用前景就非常广阔，同时每年电力部门新投产的高压电动机有数百台，采用此技术按保守计算，每年改装或新生产合计不少于500台，每台冷却器产值按1.5万元至2万元计算，利润按20%计算，则每年总的产值达到1千万元，利润超过200万元。
　　由于高压电动机数量巨大，并且在各种生产部门都属于重点动力设备，其冷却器改造项目可以带来改善设备运行条件、增长设备使用寿命和提高设备运行可靠性指标，以及节约工业用水等好处，虽然每台电动机的改造经济效益相对还是有限的，但从整个部门、整个地区，甚至全国范围来看，其创造的经济效益和社会效益就极其可观了。另外，若进一步开发成功发电机冷却器上的应用技术，那么在单台发电机上产生的经济效益就将更为可观。

7 结论
　　热管式冷却器取代传统的列管式冷却器，在高压电动机上应用，可以给电动机运行性能和检修维护带来明显的好处。
　　首先设计适当的热管式冷却器可以降低电动机的温升，改善运行状态，提高运行性能，其次是减少了冷却器的维护工作量，并且基本上避免了向电动机内漏水的可能性，从而明显地提高了电动机的运行可靠性，这对保证发电厂发电设备安全稳定运行，无疑具有重要的实际意义和广阔的工业应用前景，具有明显的社会效益和经济效益。
　　热管式冷却器在高压电动机上的应用，主要技术难点是热管型式、材料、工艺、尺寸等设计参数的计算和选择，以及在实际施工改装方面，要求在原有电机列管式冷却器的空间上进行改装，冷却效果原则上应优于原冷却器，同时还要考虑控制生产成本等因素，在初步探索性研究的热管容量设计方面，已经留有一定的裕度。
　　针对三台不同容量的高压电动机的空—空型热管式冷却器的设计和安装是成功的。如果还需要再提高冷却器冷却效果，只需再增加几只热管就可以解决。
　　根据空—空型热管式冷却器的研制开发成功经验，我们确信完全可以进一步开发电动机水—空型热管式冷却器和汽轮发电机 用的水—空型热管式气体（氢气或空气）冷却器，扩大热管式冷却器在电厂电机设备的应用范围。