山東省榮成市第三中學(xué)高二年級｜田乙鈞

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耐高溫高壓、耐腐蝕的壓力容器配套的高效異步電動機

山東省榮成市第三中學(xué)高二年級｜田乙鈞

橡膠、化工、紡織等諸多行業(yè)的生產(chǎn)工藝過程需要在壓力環(huán)境下進行，因此壓力容器廣泛地應(yīng)用于各工業(yè)部門，且這些工藝大都需要電機實現(xiàn)攪拌混勻功能，隨著化工和石油化學(xué)工業(yè)的發(fā)展，壓力容器的工作溫度范圍越來越寬；新工作介質(zhì)的出現(xiàn)還要求壓力容器具有良好的耐腐蝕特性；因此迫切需求可安全應(yīng)用于高溫腐蝕介質(zhì)壓力容器的特種功能電機。壓力容器；異步電動機；耐高溫高壓；耐腐蝕；冷卻技術(shù)

研究背景和意義

如何使電機與耐高溫高壓、耐腐蝕的壓力容器相配套，當(dāng)前較為常見的解決方案是為電機與高溫、腐蝕、壓力環(huán)境相對隔離，通過聯(lián)軸器將動力引入壓力容器內(nèi)部攪拌器；聯(lián)軸器與壓力容器殼體之間的轉(zhuǎn)動自由度導(dǎo)致壓力容器密封困難，必須采用復(fù)雜的動密封裝置實現(xiàn)高壓介質(zhì)與外部的隔離，這種連接方式結(jié)構(gòu)復(fù)雜、操作要求高，難度大，且使用過程中經(jīng)常出現(xiàn)跑、冒、漏故障，存在嚴重的安全隱患。

本項目研究提出的直連式電動機：電機輸出軸直接進入壓力容器，將電機殼體法蘭與壓力容器法蘭密封，使得壓力容器內(nèi)壓竄至電機內(nèi)部，將動密封問題轉(zhuǎn)化為電機腔體的靜密封問題，然后著力解決電機的耐高溫高壓與腐蝕能力即可實現(xiàn)安全的壓力容器攪拌器。項目的成果可極大程度提高壓力容器的可靠性與安全性，具有重要的社會意義與經(jīng)濟價值，且一體化水冷式散熱技術(shù)、耐腐蝕工藝等成果可推廣至其他領(lǐng)域，具有很好的科學(xué)意義。為確保壓力容器系統(tǒng)的長期無泄漏安全運行，應(yīng)避免采用聯(lián)軸器方案傳遞轉(zhuǎn)矩，因為動密封裝置復(fù)雜，且頻發(fā)跑、冒、漏等故障，存在嚴重的安全隱患。本項目提出的壓力容器用直連式耐高溫、耐腐蝕異步電動機可徹底解決此安全隱患，具有很好的社會意義和經(jīng)濟價值。

研究內(nèi)容

為實現(xiàn)上述目標(biāo)，本課題研究將圍繞耐壓密封裝置、高效水冷散熱方式、耐腐蝕工藝、電機性能優(yōu)化設(shè)計這四個關(guān)鍵點展開研究。

a耐壓密封裝置。研究電機法蘭與壓力容器法蘭間的密封及電機殼體的靜密封，確保密封裝置壽命長、耐高溫、耐工作壓力。

b高效水冷散熱方式。通過FLUENT等計算機輔助流場分析軟件，優(yōu)化設(shè)計電機的水冷散熱效率，實現(xiàn)電機可耐受高溫介質(zhì)竄入電機內(nèi)部。

c耐腐蝕工藝研究。對軸用材料及熱處理、表面處理工藝進行優(yōu)化與實驗，通過實驗分析腐蝕原因，并選用相應(yīng)工藝處理電機繞組及接觸腐蝕介質(zhì)的電機內(nèi)腔表面，并通過實驗驗證耐腐蝕性能。

d電機性能優(yōu)化設(shè)計。引進上海電器科學(xué)研究所的電動機計算機輔助設(shè)計程序，建立電機結(jié)構(gòu)及電磁場的三維精確模型，全面分析并優(yōu)化電磁方案，以確保電動機具有更高的效率、功率因數(shù)及合理的過載能力。

研究創(chuàng)新點

a首創(chuàng)“直連式壓力容器用耐腐蝕耐高溫三相異步電機”，將傳統(tǒng)的聯(lián)軸器“動密封難題”轉(zhuǎn)化為電機殼體的“靜密封問題”，有效解決了傳統(tǒng)壓力容器的跑、冒、漏等安全隱患。

b將電機與壓力容器系統(tǒng)整合，利用電機熱損對壓力容器的工作介質(zhì)進行預(yù)熱，既可實現(xiàn)電機高效散熱，又可實現(xiàn)介質(zhì)預(yù)熱。具有良好的節(jié)能降耗功能。

c采用一系列工藝改進措施，強化了電機耐壓、耐高溫、耐腐蝕能力，采用FLUENT進行散熱效率優(yōu)化，采用計算機輔助優(yōu)化設(shè)計電磁場，提高了電機的性能與效率。

產(chǎn)品技術(shù)路線和自主知識產(chǎn)權(quán)

a根據(jù)該電機的主要特點和難點，與國內(nèi)知名壓力容器公司緊密合作，對國內(nèi)外同類產(chǎn)品發(fā)展現(xiàn)狀及顧客要求進一步調(diào)查分析，以確定詳實的產(chǎn)品方案。

b依據(jù)分工明確責(zé)任及研發(fā)進度，確立電動機的結(jié)構(gòu)方案，并計算各項參數(shù)，完成設(shè)計后由壓力容器生產(chǎn)廠家對初步方案進行評審，然后購置必要的生產(chǎn)設(shè)備和檢驗設(shè)備準備投產(chǎn)。樣機試制，解決工藝難題，對樣機進行全面測試，使樣機達到設(shè)計要求。

c實際工況試用，根據(jù)最終用戶配合完成的試用、使用報告，進一步完善和改進設(shè)計與工藝，以達到用戶的使用要求，并最終投入批量生產(chǎn)。

d本課題研究為完全自主知識產(chǎn)權(quán)，可申報專利2項。分別為“直連式壓力容器用耐高溫耐腐蝕三相異步電機機”與“介質(zhì)預(yù)熱與紊流散熱一體式壓力容器用電機冷卻技術(shù)”。

主要難題的解決方案

a耐壓密封裝置。該電機內(nèi)部需耐受8-15KG壓力，不同于普通電機的無耐壓能力，所以需對機殼、端蓋連接處進行嚴格密封；因兩處密封皆屬靜密封問題，較動密封方案復(fù)雜度小，通過選用耐高溫耐腐蝕材料可實現(xiàn)有效密封。

b高效水冷散熱方式。電機機殼不同于普通電機，采用雙層無縫圓鋼管焊接、夾層用水循環(huán)冷卻，結(jié)構(gòu)方式可耐受壓力容器的工作壓力；此外，采用FLUENT軟件建立冷卻機構(gòu)的三維模型，優(yōu)化冷卻水流路徑及軌跡；利用壓力容器的低溫進料工作介質(zhì)作為冷卻源，即可實現(xiàn)進料介質(zhì)的預(yù)熱，又可實現(xiàn)高效冷卻，實現(xiàn)壓力容器與電機的系統(tǒng)級優(yōu)化，達到節(jié)能降耗的目的。

c耐腐蝕工藝。電機軸伸比普通電機更長，需采用不同材料，分別用于高溫高壓干燥氣體或高溫高壓的腐蝕性氣體環(huán)境；引進轉(zhuǎn)子表面氧化處理設(shè)備，采用交流變頻電源，在轉(zhuǎn)子表面產(chǎn)生感應(yīng)磁場及渦流，待轉(zhuǎn)子表面達到設(shè)定溫度后加冷水噴灑，使轉(zhuǎn)子鋁導(dǎo)條與沖片脫離，達到絕緣效果，可提高電機效率1%左右，并顯著提高轉(zhuǎn)子的防銹防腐蝕能力；定子繞組真空壓力浸漆，使絕緣浸漆的更飽滿，電機的絕緣性能及防腐蝕性能將更高。

d電機性能優(yōu)化設(shè)計：引用上海電器科學(xué)研究所的電動機計算機輔助設(shè)計程序，建立電機結(jié)構(gòu)及電磁場的三維精確模型，全面分析并優(yōu)化電磁方案，并降低電機工作溫升，以確保電動機具有更高的效率、功率因數(shù)及合理的過載能力。

實驗研究

通過與合作研發(fā)單位（壓力容器生產(chǎn)單位）緊密合作，對樣機進行全面試驗，既可保證研發(fā)周期，又可保證產(chǎn)品質(zhì)量。