于喜偉 孟大偉 李瓊

摘 要：以一臺(tái)6.5 MW正壓型防爆電機(jī)為例，首次將多組分流體理論應(yīng)用于正壓型防爆電機(jī)，采用了有限元法對(duì)電機(jī)的安全性能進(jìn)行了仿真分析，分別完成了“模擬爆炸環(huán)境瞬態(tài)仿真計(jì)算”和“吹掃瞬態(tài)仿真計(jì)算”，得到了吹掃過程中爆炸性氣體及清潔空氣各組成成分的濃度變化云圖，通過各部位的濃度云圖能夠得知電機(jī)內(nèi)部是否存在吹掃死角，增強(qiáng)了安全性能。仿真結(jié)果經(jīng)過防爆試驗(yàn)驗(yàn)證，計(jì)算數(shù)據(jù)滿足精度要求。進(jìn)一步優(yōu)化了進(jìn)氣管道的布置方案，通過合理的調(diào)整進(jìn)氣管道開孔的位置、數(shù)量及大小提高了吹掃效率，節(jié)約了試驗(yàn)成本，同時(shí)也可以使電機(jī)快速啟動(dòng)，更好的服務(wù)工況。

關(guān)鍵詞：正壓型防爆;多組分;流體場(chǎng);瞬態(tài)分析

中圖分類號(hào)：TM 315

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1007-449X（2019）04-0049-07

0 引 言

防爆電機(jī)廣泛應(yīng)用于石油、化工等行業(yè)，按照防爆類型主要分為隔爆型、增安型、無火型及正壓型，隔爆型電機(jī)是通過加厚機(jī)殼厚度及減小防爆間隙來實(shí)現(xiàn)防爆，這使得材料利用率很低[1-3]，且由于需要通過較高的水壓試制，因此難以在大型電機(jī)里得到應(yīng)用[4-6];增安型和無火花型電機(jī)是通過減小定轉(zhuǎn)子電暈來實(shí)現(xiàn)防爆，電機(jī)為了滿足定子繞組脈沖試驗(yàn)，繞組設(shè)計(jì)極為復(fù)雜且成本很高，在行業(yè)里應(yīng)用較少[7];正壓型電機(jī)起動(dòng)前向電機(jī)內(nèi)部吹入干燥的空氣或惰性氣體（氦氣、二氧化碳、氮?dú)獾龋脕碇脫Q電機(jī)內(nèi)部可能存在的爆炸性氣體，使電機(jī)內(nèi)部爆炸性氣體的濃度降到爆炸極限以下，這一過程稱為“吹掃”過程。在電機(jī)運(yùn)行過程中也需要向電機(jī)內(nèi)部不斷通入少量保護(hù)氣體，用以保持電動(dòng)機(jī)內(nèi)部壓力大于外部壓力，防止外部爆炸性氣體再次進(jìn)入電機(jī)內(nèi)部，從而達(dá)到防爆的目的。正壓型電機(jī)克服了其它防爆電機(jī)的主要缺點(diǎn)，近年來，隨著正壓保護(hù)裝置逐漸完善及國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC60079-2第6版正式發(fā)布，各大電機(jī)公司陸續(xù)將正壓型防爆電機(jī)推向了市場(chǎng)。

對(duì)正壓型防爆電機(jī)，目前主要采用試驗(yàn)的方式來保證其安全性能[8-10]，如此不僅成本高，且覆蓋性不好，必須每臺(tái)電機(jī)都要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)同時(shí)缺乏理論基礎(chǔ)，難以為今后的設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。由于正壓型防爆電機(jī)的應(yīng)用歷史較短，且分析的區(qū)域是由空氣和爆炸性氣體構(gòu)成的多組分流體場(chǎng)，因而還沒有開展其安全性能的模擬仿真研究。目前對(duì)多組分流體場(chǎng)的分析主要集中在石油化工領(lǐng)域，不但考慮了多組分的密度和粘度等自身特性影響[11-14]，有些還分析了多組分之間的相變、溶解、化學(xué)反應(yīng)等因素[15-16]，在環(huán)境污染領(lǐng)域也偶有建樹[17]。而在電機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用多為單一物質(zhì)的流體場(chǎng)分析，文獻(xiàn)[18-19]對(duì)電機(jī)的定子流體場(chǎng)進(jìn)行了分析，文獻(xiàn)[20]計(jì)算了電機(jī)轉(zhuǎn)子流體場(chǎng)，文獻(xiàn)[21]對(duì)無刷勵(lì)磁機(jī)通風(fēng)冷卻進(jìn)行了模擬，文獻(xiàn)[22]對(duì)電機(jī)的冷卻器的流體場(chǎng)進(jìn)行了優(yōu)化，文獻(xiàn)[23]對(duì)電機(jī)的全域流體進(jìn)行了預(yù)測(cè)，而對(duì)電機(jī)進(jìn)行多組分流體場(chǎng)分析的文獻(xiàn)尚未發(fā)現(xiàn)。

本文以一臺(tái)6.5 MW正壓型防爆電機(jī)為例，結(jié)合實(shí)際運(yùn)行情況給出合理的基本假設(shè)與邊界條件，并根據(jù)多組分流體力學(xué)原理，采用有限元法對(duì)電機(jī)的安全性能進(jìn)行了仿真分析，得到了吹掃過程中不同時(shí)間下的各組分氣體的濃度分布情況、防爆試驗(yàn)氣體消耗量及總計(jì)吹掃時(shí)間;同時(shí)與防爆試驗(yàn)進(jìn)行了對(duì)比，為今后正壓型防爆電機(jī)安全性能的仿真分析提供了理論基礎(chǔ);最后對(duì)進(jìn)氣管道的布置進(jìn)行了改進(jìn)，為后續(xù)類似產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供參考。

1 物理模型

電動(dòng)機(jī)的基本參數(shù)如表1所示。

樣機(jī)實(shí)物如圖1所示，圖2為根據(jù)電機(jī)實(shí)物確立的求解模型，因分析吹掃過程只與電機(jī)內(nèi)部氣體流體有關(guān)，所以建模時(shí)略去了強(qiáng)迫風(fēng)機(jī)、軸承、接線盒等部件，而對(duì)電機(jī)內(nèi)部的定子、轉(zhuǎn)子和冷卻管等部件都進(jìn)行了詳細(xì)繪制。

在圖2中定義的橫向截面和縱向截面及點(diǎn)A、B、C、D、E是用于仿真分析說明，在軸向截面上與點(diǎn)A、B、C、D、E相對(duì)應(yīng)點(diǎn)F、G、H、I、J，由于空間有限在此圖中未示意。

2 有限元數(shù)值仿真分析

2.1 網(wǎng)格劃分

采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格對(duì)模型進(jìn)行劃分，由于電機(jī)整體尺寸很大，內(nèi)部又具有很多狹小空間，為了得到較好的網(wǎng)格質(zhì)量需要將單元尺寸設(shè)置很小，共計(jì)單元數(shù)1993萬，節(jié)點(diǎn)數(shù)352萬。圖3為網(wǎng)格剖分圖。

2.2 計(jì)算模型建立

2.2.1 數(shù)學(xué)描述

計(jì)算區(qū)域內(nèi)由多種成分組成，流體的物性參數(shù)由每個(gè)組分流體的物性及其質(zhì)量分率決定，各組分質(zhì)量分率之和等于 1 ，即：

采用Species Transport模型，求解時(shí)利用質(zhì)量守恒方程對(duì)流體流動(dòng)進(jìn)行控制，如式（4）所示;且由于流體粘性的作用，流體流動(dòng)滿足動(dòng)量守恒方程，如式（5）所示;吹掃過程的流動(dòng)狀態(tài)由雷諾數(shù)進(jìn)行判斷，如式（6）所示，經(jīng)過計(jì)算雷諾數(shù)為90 855，遠(yuǎn)大于4 000，流動(dòng)狀態(tài)屬于湍流，采用了標(biāo)準(zhǔn)的湍流k-ε模型，如式（7）所示。

2.2.2 基本假設(shè)

1）不考慮多組分之間化學(xué)反應(yīng);

2）氣體在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中溫度不變;

3）電機(jī)內(nèi)氣體處于常壓下，忽略流體域內(nèi)流體浮力和重力的影響;

4）流體流速遠(yuǎn)小于聲速，即把電機(jī)內(nèi)流體作為不可壓縮流體處理。

2.2.3 邊界條件

2.2.3.1 模擬爆炸環(huán)境瞬態(tài)仿真計(jì)算

1）電機(jī)安裝場(chǎng)所為Zone 2（IIC），主要爆炸氣體為H2和C2H2，模擬爆炸氣體采用He（防爆試驗(yàn)時(shí)常使用He模擬爆炸氣體，因He密度與氫氣相近，且為惰性氣體）。

2）電機(jī)內(nèi)部初始為空氣（由21%的O2和79%的N2組成）。

3）從電機(jī)入口通入濃度100%的He，采用速度入口，速度為30 m/s。

4）采用壓力出口。

5）計(jì)算的結(jié)束條件為：He在各個(gè)取樣點(diǎn)的濃度不低于70%（按照防爆標(biāo)準(zhǔn)要求）。

2.2.3.2 吹掃瞬態(tài)仿真計(jì)算

1）結(jié)合真實(shí)試驗(yàn)過程，“模擬爆炸環(huán)境”后將對(duì)電機(jī)進(jìn)行“吹掃”試驗(yàn)，因此以“模擬爆炸環(huán)境”的結(jié)束狀態(tài)作為吹掃瞬態(tài)計(jì)算的初始狀態(tài)。

2）向電機(jī)內(nèi)部吹入空氣（由21%的O2和79%的N2組成），采用速度入口，速度為30 m/s。

3）采用壓力出口。

4）計(jì)算的結(jié)束條件為：He在各個(gè)取樣點(diǎn)的濃度不高于1%（按照防爆標(biāo)準(zhǔn)要求）。

2.3 計(jì)算結(jié)果

本文的所有分析均為瞬態(tài)過程，為了獲取不同時(shí)刻的各組分的濃度情況，每隔240 s進(jìn)行一次數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，圖4為模擬爆炸環(huán)境瞬態(tài)計(jì)算的t=1 680 s時(shí)He濃度分布云圖，當(dāng)t=1 680 s時(shí)計(jì)算域內(nèi)所有位置He濃度都達(dá)到70%以上，完成了模擬爆炸環(huán)境，所消耗的He總量為Q=71 m3。根據(jù)保存下來的不同時(shí)刻濃度數(shù)據(jù)，可以獲得電機(jī)不同取樣點(diǎn)的各組分濃度隨著時(shí)間變化曲線，如圖5所示。

圖6為吹掃瞬態(tài)計(jì)算t=5 040 s時(shí)的He濃度分布云圖，圖中所有位置He濃度都降低到1%以下，且無吹掃死角，吹掃時(shí)間為3 360 s，最小換氣量142 m3。圖7為吹掃瞬態(tài)計(jì)算時(shí)電機(jī)不同取樣點(diǎn)的各組分濃度隨著時(shí)間變化曲線。

3 防爆試驗(yàn)

樣機(jī)裝配后進(jìn)行了防爆試驗(yàn)，圖8（a）為試驗(yàn)時(shí)在電機(jī)外表面設(shè)置濃度測(cè)試點(diǎn)，機(jī)座上有6處，冷卻器上有4處，圖8（b）是在通過儀器進(jìn)行各點(diǎn)濃度測(cè)量。進(jìn)行爆炸環(huán)境試驗(yàn)：當(dāng)所有測(cè)試點(diǎn)He濃度都達(dá)到70%以上時(shí)用新鮮空氣進(jìn)行吹掃試驗(yàn)：當(dāng)所有測(cè)試點(diǎn)He濃度都達(dá)到1%以下時(shí)，吹掃時(shí)間為58 min，最小換氣量150 m3。仿真計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)相比，吹掃時(shí)間與最小換氣量的相對(duì)誤差分別為5.33%和3.44%，滿足工程精度要求。

4 改進(jìn)

由仿真結(jié)果可以看出，在吹掃過程中圖7的C點(diǎn)He濃度降低最慢，圖6縱向截面圖的中部濃度降低較慢（即轉(zhuǎn)子內(nèi)部的濃度降低較慢）。濃度降低速度主要與進(jìn)氣管道布置有關(guān)，因此對(duì)進(jìn)氣管道進(jìn)行了改進(jìn)。改進(jìn)前后的進(jìn)氣管道如圖9所示，改進(jìn)后A端比B端的開孔略大，可以提高C點(diǎn)側(cè)的濃度降低速度，改為兩排進(jìn)氣使中部的進(jìn)氣量增多，提高中部濃度降低速度。

圖10為改進(jìn)進(jìn)氣管道后模擬爆炸環(huán)境瞬態(tài)計(jì)算t=1 260 s時(shí)的He濃度分布云圖，所有位置He濃度都達(dá)到70%以上，所消耗的He總量Q=53 m3。與改進(jìn)前相比，He用量降低了25%。圖11為改進(jìn)進(jìn)氣管道后模擬爆炸環(huán)境瞬態(tài)計(jì)算時(shí)各組分濃度隨著時(shí)間變化曲線。

圖12為改進(jìn)進(jìn)氣管道后吹掃瞬態(tài)計(jì)算t=3 780 s時(shí)的He濃度分布云圖，圖中所有位置He濃度都降低到1%以下，吹掃時(shí)間為2 520 s，較改進(jìn)前減少了25%，極大提高了吹掃效率。同時(shí)，轉(zhuǎn)子內(nèi)部濃度降低速度已經(jīng)有所提高。圖13為改進(jìn)進(jìn)氣管道后吹掃瞬態(tài)計(jì)算時(shí)各組分濃度隨著時(shí)間變化曲線，從曲線中可以看出C點(diǎn)側(cè)的濃度降低速度已經(jīng)明顯提高。

5 結(jié) 論

本文對(duì)通過對(duì)6.5 MW正壓型防爆電機(jī)安全性能研究，可以得到如下結(jié)論：

1）仿真結(jié)果與防爆試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合，說明采用多組分流體場(chǎng)有限元法對(duì)電機(jī)安全性能進(jìn)行仿真是可行的。

2）通過該仿真方式能夠得到任一時(shí)間任一位置的氣體濃度分布情況，可以得知電機(jī)內(nèi)部是否存在吹掃死角，增強(qiáng)了電機(jī)安全性。

3）合理布置進(jìn)氣管道，能夠節(jié)約試驗(yàn)成本，提高吹掃效率，也加速了電機(jī)啟動(dòng)。

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（編輯：劉琳琳）