CN103795185A - 大型灯泡贯流泵机组开敞式通风系统风机最优运行台数确定方法 - Google Patents

Abstract

大型灯泡贯流泵机组开敞式通风系统风机最优运行台数确定方法，属于工程系统运行优化节能领域。本发明考虑大型灯泡贯流泵机组电机灯泡壳外部流道内水流的冷却作用，通过通风冷却的热交换计算，研究电机运行温度与环境空气温度、通风量的关系，合理确定风机设计流量；以电机不过热为前提，以通风费用最少为目标，优化定速风机运行台数；计算分析定速风机优化运行台数模式的经济性。本发明提出的大型灯泡贯流泵机组开敞式通风系统按最优台数运行，既能保证机组的通风要求，又能达到节约运行费用的目的，不需要添加任何设备。本发明可应用于灯泡贯流泵机组开敞式通风系统的优化运行。根据实例计算结果，可节省通风运行费用12%左右，具有较大的经济效益。

Description

大型灯泡贯流泵机组开敞式通风系统风机最优运行台数确定方法

技术领域

本发明涉及一种泵机组通风系统优化运行方法，具体来说涉及一种大型灯泡贯流泵机组开敞式通风系统风机最优运行台数确定方法，属于工程系统运行优化节能领域。

背景技术

大型灯泡贯流泵机组进、出水流平顺贯通，水力损失小，泵站造价低，是低扬程泵站较为合理的泵机组形式。大型灯泡贯流泵机组电机位于几乎密闭的灯泡体内，灯泡体外部水流温度低于环境温度约3～5℃。对于开敞式通风冷却系统，电机发热量通过一定的温差传递给通风冷却空气和灯泡壳外的水流。当电机发热量、通风量和泵流量一定时，发热部件与环境的温差也一定。因此，当环境温度较高时，电机发热部件温度也高，如果超过允许值，则需加大通风量，降低电机温度。为了保证在任何情况下都不致电机过热，通风冷却系统按夏季最高（最不利）环境温度设计，并有一定的富裕量。

泵站通常一年四季常年运行，年运行时间长。传统的电机通风模式按设计工况运行。由于运行环境温度绝大部分时间低于设计温度，电机温度绝大部分时间远低于设计运行温度，过度通风现象严重，通风费用高。实现合理、经济通风是大型水泵机组急需解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种大型灯泡贯流泵机组开敞式通风系统风机最优运行台数确定方法，本发明考虑大型灯泡贯流泵机组电机灯泡壳外部流道内水流的冷却作用，通过通风冷却的热交换计算，研究电机运行最高温度与环境空气温度、通风量的关系，合理确定风机设计流量；以电机不过热为前提，以通风费用最少为目标，优化定速风机运行台数；计算分析定速风机优化运行台数模式的经济性。本发明提出的大型灯泡贯流泵机组通风系统风机最优运行台数确定方法，大型灯泡贯流泵机组开敞式通风系统按本发明提出的最优台数运行，既能保证机组的通风要求，又能达到节约运行费用的目的，不需要添加任何设备，具有较好的节能效果。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的，大型灯泡贯流泵机组开敞式通风系统风机最优运行台数确定方法，包括以下方面：

A.电机定子绕组温度计算

定子绕组温度t_Cu1为绕组与铁芯温降Δt_R、铁芯内部温降Δt_F、铁芯对内部热空气温降Δt_Fh、热空气与冷空气温降Δt_a和冷空气温度t₀之和，即

式中：P_Cu1、P_Fe1分别为定子铜耗、铁耗；P为电机总发热量；Q为通风空气体积流量；α为空气与电机定子铁芯的表面换热系数；λ_Fe、λ_R和λ_T为铁芯、绕组绝缘层和铁芯防腐漆导热系数；S_WC、S₁和S分别为铁芯与空气、绕组与铁芯和通风槽的换热面积；

为沿铁芯轴向散热系数；

为由铁芯表面冷却占定子绕组热量之比；L_F1为某段铁芯计算长度；δ_R、δ_T分别为绕组绝缘层、铁芯防腐漆厚度；C_a为空气比热容。

电机定子绕组温度随环境温度的升高而升高，随通风量的增大而下降。空气与铁芯表面换热系数为

$\left\{\begin{array}{cc}a=a_0(1+1.2\sqrt{\frac{Q}{S_i}})& (\frac{Q}{S_i}\&GreaterEqual;65m/s)\\ a=a_0(1+k_0\frac{Q}{S_i})& (\frac{Q}{S_i}<65m/s)\end{array}\right.---\left(2\right)$

式中：S_i为空气过流断面面积；a₀为矽钢片与平静空气表面散热系数，取17W/(℃·m²)；k₀为气流吹拂效率系数，取0.1。

由式（1）和（2）可得，电机定子绕组温度为

$t_{\mathrm{Cu}1}=\frac{X_2}{(1+X_{1}Q)}+\frac{X_4}{(1+X_{1}Q)+X_3}+\frac{X_5}{Q}+X_6+t_0---\left(3\right)$

式中：X₁、X₂、X₃、X₄、X₅和X₆是与电机结构形式、几何尺寸、运行参数、制造安装参数相关的系数。其中：X₁=k₀/S_i，X₃=λ_T/(δ_TS)，

X₅=(P -P_w)/C_a，

B.最小通风量计算

电机运行时，通风量Q≠0，则Q（1+X₁Q）[(1+X₁Q）+X₃]≠0。在式（3）中，当定子绕组温度t_Cu1为设计温度t_d时代入式（3），式（3）为通风量Q的函数f(Q)=0，即

$\begin{array}{c}(t_d-t_0-X_6)X_1^2{Q}^3+[(t_d-t_0-X_6)(2+X_3)-\\ (X_2+X_4+X_5)\left]X_1{Q}^2{X}_4\right]\}Q-(X_3+1)X_5+\\ \{(t_d-t_0-X_6-1)(1+X_3)-[X_1{X}_5(2+X_3)+X_4\left]\right\}Q-\\ (X_3+1)X_5=0\end{array}---\left(4\right)$

式（4）为关于通风量Q的一元三次方程，即

f(Q)=aQ³+bQ²+cQ+d=0  （5）

其中：

$\left\{\begin{array}{c}a=(t_d-t_0-X_6)X_1^2\\ b=[(t_d-t_0-X_6)(2+X_3)-(X_2+X_4+X_5)]X_1\\ c=\{(t_d-t_0{-X}_6-1)(1+X_3)-[X_1{X}_5(2+X_3)+X_4\left]\right\}\\ d=-(X_3+1)X_5\end{array}\right.---\left(6\right)$

求解式（5），可得电机在设计环境温度下所需最小通风量。

C.运行年环境温度时间密度分布

大型灯泡贯流泵机组年运行时间长，电机冷却风机需要相应运行时间。经过统计，电机运行最低环境温度5℃和最高环境温度40℃的时间极少，而在22℃附近时间最长，环境温度绝大多数时间低于40℃。环境温度在1年内运行时间密度分布为τ=τ（t₀），如图1所示。环境温度在最大t_0max和最小值t_0min附近时间密度较小，t_0m为在该环境温度附近时，机组运行时间最长。

D.定速风机运行台数优化及年运行费用

确定冷却系统风机设计通风量时，考虑环境温度最高的最不利情况下通风量能满足冷却要求。在环境温度较低时，如果仍采用设计通风量通风，势必造成浪费。此时，对于设置n₀台定速并联风机的主电机，可以考虑在保证电机定子绕组温度不超过设计运行温度的情况下，适当减少风机运行台数，减小通风量，节省通风运行费用。

设当分别运行0，1，2，…，n台风机时，环境温度分别为t₀₁，t₀₂，t₀₃，…，t_0n（t₀₁<t₀₂<t₀₃<，…，<t_0n）时，电机定子绕组最高温度恰好为设计运行温度t_d（允许最高温度）。优化定速风机运行台数的原理是：当环境温度低于t₀₁时，不需要开启风机；当环境温度为t₀₁～t₀₂时，开启1台风机；当环境温度为t₀₂～t₀₃时，开启2台风机；…；当环境温度超过t_0n时，需要n台风机全部开启。定速风机运行台数优化后，通风年运行费用

式中：i表示有i台风机运行；η_fi、η_mi分别为i台风机运行时风机效率、配套电机效率，其值与运行工况有关；p_i，Q_i分别为i台风机运行时单台风机的风压和通风流量；k为电费单价；t_0,n+1=t_0max。

本发明提出的大型灯泡贯流泵机组开敞式通风系统按最优台数运行，既能保证机组的通风要求，又能达到节约运行费用的目的，不需要添加任何设备。本发明可应用于灯泡贯流泵机组开敞式通风系统的优化运行。根据实例计算结果，可节省通风运行费用12%左右，具有较大的经济效益。

附图说明

图1是本发明环境温度年时间密度分布图。

图2是实施例设计通风量时定子绕组温度与环境温度的关系图。

图3是实施例不同风机运行台数时定子绕组温度图。

图4是实施例定速风机运行台数优化时的通风参数图。

具体实施方式

采用本发明的技术方案，下面结合附图2～4和实施例对本发明作进一步说明，但实施例不应理解为对本发明的限制。

大型灯泡贯流泵机组Ⅰ主要参数：电动机额定功率为2200kW，电动机效率为95.5%，额定转速为125r/min，额定电压、电流、相电阻分别为6.6kV、183A、0.26Ω，励磁电压、电流分别为200V、120A，定子内径为3.1m。单台泵流量33.4m³/s。

（1）设计通风量时电机定子绕组温度

通风环境空气、定子绕组设计温度分别为40℃、100℃。经过计算，设计通风流量为4.1m³/s，定子绕组温度随环境温度的变化，如图2所示。在环境温度为5℃时，电机定子绕组温度仅为36.6℃。

（2）风机设计工况年通风运行费用

电机通风冷却系统常规的运行模式是风机流量在设计（最大）通风量下保持不变。电机定子绕组设计（允许最高）温度t_d出现在最高环境温度t_0max时，将t_d和t_0max代入式（5）和（6），即可计算出一台主电机设计总通风量Q。若电机冷却系统采用n台大小相同的风机并联运行，则单台风机设计风量为Q₀=Q/n。

设风路有m段组成，通风系统阻力

$p=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{\mathrm{\&rho;}}{2}({\mathrm{\&lambda;}}_i\frac{l_i}{R_i}+{\mathrm{\&xi;}}_i){\left(\frac{Q}{S_i}\right)}^2---\left(8\right)$

式中：下标“i”表示第i段风道的参数；l为沿程长度；ξ为局部阻力系数；ρ为空气密度；R为当量半径；λ为沿程阻力系数；S为风道断面积。

对于圆形断面

$\frac{1}{\sqrt{{\mathrm{\&lambda;}}_i}}=-21g(\frac{K_i}{3.7D_i}+\frac{2.51}{\mathrm{Re}\sqrt{{\mathrm{\&lambda;}}_i}})---\left(9\right)$

式中：K为风管的粗糙度；D为当量直径；Re为空气流动雷诺数。

对于同心断面

${\mathrm{\&lambda;}}_i=0.11{(\frac{K_i}{D_i}+\frac{68}{\mathrm{Re}})}^{0.25}---\left(10\right)$

因此单台主电机风机设计工况风量通风年运行费用

$F_1=\frac{p_n{Q}_n}{{1000\mathrm{\&eta;}}_{\mathrm{fn}}{\mathrm{\&eta;}}_{\mathrm{mn}}}\mathrm{nk}\underset{t_{0\min }}{\overset{t_{0\max }}{\&Integral;}}\mathrm{\&tau;}\left(t_0\right){\mathrm{dt}}_0---\left(11\right)$

式中：η_fn，η_mn分别为n台风机全部运行（设计工况）时风机效率、配套电机效率；p_n，Q_n分别为n台风机全部运行时单台风机的风压和通风流量；k为电费单价。

（3）风机最优运行台数

定速风机不同运行台数时定子绕组温度，如图3所示。t曲线、t₁曲线和t₂曲线分别为开启0台、1台和2台风机时的定子绕组温度，定子绕组温度t随风机运行台数增多而下降。

优化定速风机运行台数时电机定子绕组温度，如图4所示。当环境温度低于9.7℃时，灯泡壳外部流道内的水流对电机定子外壳冷却，即能满足要求，2台风机可以全部不运行；当环境温度在9.7～17.2℃范围内时，运行1台风机即可；当环境温度超过17.2℃时，2台风机需全部开启运行。风机运行台数最优后，通风年运行费用由式（7）计算。

（4）二种通风模式费用比较

大型灯泡贯流泵机组Ⅱ主要参数：电机功率为1700kW，单台泵流量为33m³/s，电机运行时额定效率为94.5%，转速为375r/min。

分别定量计算两种泵机组风机年运行费用，比较设计风量、优化定速风机运行台数二种通风模式的经济性。泵机组Ⅰ、泵机组Ⅱ通风冷却系统的设备费用分别为1.478万元、1.156万元。

泵机组Ⅰ、泵机组Ⅱ分别采用二种通风模式通风的经济比较，如表1所示。采用设计风量、定速风机优化运行台数通风时，泵机组Ⅰ通风年运行费用分别为6.105万元、5.381万元，泵机组Ⅱ通风年运行费用分别为6.206万元、5.462万元。

表1风机通风系统两种优化运行方式比较

与设计风量通风比较，泵机组Ⅰ、泵机组Ⅱ定速风机按最优台数运行，单机组年节省通风运行费用分别为0.724万元和0.744万元，分别节省11.9%和12.0%，不需增加任何设备费用。泵站1安装泵机组Ⅰ共4台，其中3台运行，1台备用；泵站2安装泵机组Ⅱ共2台，全部运行。这两座泵站泵机组通风冷却系统风机按最优台数运行，年通风运行费用可分别节省2.172万元和1.488万元，节能效果明显。

Claims (5)

1.大型灯泡贯流泵机组开敞式通风系统风机最优运行台数确定方法，其特征是，所述确定方法包括：

A.电机定子绕组温度计算；

B.最小通风量计算；

C.运行年环境温度时间密度分布：

D.定速风机运行台数优化及其运行费用计算。

2.根据权利要求1所述的大型灯泡贯流泵机组开敞式通风系统风机最优运行台数确定方法，其特征是，步骤A所述电机定子绕组温度计算方法为：

电机定子绕组温度t_Cu1为绕组与铁芯温降Δt_R、铁芯内部温降Δt_F、铁芯对内部热空气温降Δt_Fh、热空气与冷空气温降Δt_a和冷空气温度t₀之和，即

式中：P_Cu1、P_Fe1分别为定子铜耗、铁耗；P为电机总发热量；Q为通风空气体积流量；α为空气与电机定子铁芯的表面换热系数；λ_Fe、λ_R和λ_T为铁芯、绕组绝缘层和铁芯防腐漆导热系数；S_WC、S₁和S分别为铁芯与空气、绕组与铁芯和通风槽的换热面积；

为沿铁芯轴向散热系数；

为由铁芯表面冷却占定子绕组热量之比；L_F1为某段铁芯计算长度；δ_R、δ_T分别为绕组绝缘层、铁芯防腐漆厚度；C_a为空气比热容；

电机定子绕组温度随环境温度的升高而升高，随通风量的增大而下降；

空气与铁芯表面换热系数为

$\left\{\begin{array}{cc}a=a_0(1+1.2\sqrt{\frac{Q}{S_i}})& (\frac{Q}{S_i}\&GreaterEqual;65m/s)\\ a=a_0(1+k_0\frac{Q}{S_i})& (\frac{Q}{S_i}<65m/s)\end{array}\right.$

式中：S_i为空气过流断面面积；a₀为矽钢片与平静空气表面散热系数，取17W/(℃·m²)；k₀为气流吹拂效率系数，取0.1；

由上述二式可得，电机定子绕组温度为

$t_{\mathrm{Cu}1}=\frac{X_2}{(1+X_{1}Q)}+\frac{X_4}{(1+X_{1}Q)+X_3}+\frac{X_5}{Q}+X_6+t_0$

式中：X₁、X₂、X₃、X₄、X₅和X₆是与电机结构形式、几何尺寸、运行参数、制造安装参数相关的系数，其中：X₁=k₀/S_i，

X₃=λ_T/(δ_TS)，X₅=(P-P_w)/C_a，

3.根据权利要求1所述的大型灯泡贯流泵机组开敞式通风系统风机最优运行台数确定方法，其特征是，步骤B所述最小通风量计算方法为：

电机运行时，通风量Q≠0，则Q（1+X₁Q）[(1+X₁Q）+X₃]≠0；在所述电机定子绕组温度计算式中

$t_{\mathrm{Cu}1}=\frac{X_2}{(1+X_{1}Q)}+\frac{X_4}{(1+X_{1}Q)+X_3}+\frac{X_5}{Q}+X_6+t_0$

当定子绕组温度t_Cu1为设计温度t_d时代入上式，上式为通风量Q的函数f(Q)=0，即

$\begin{array}{c}(t_d-t_0-X_6)X_1^2{Q}^3+[(t_d-t_0-X_6)(2+X_3)-\\ (X_2+X_4+X_5)\left]X_1{Q}^2{X}_4\right]\}Q-(X_3+1)X_5+\\ \{(t_d-t_0-X_6-1)(1+X_3)-[X_1{X}_5(2+X_3)+X_4\left]\right\}Q-\\ (X_3+1)X_5=0\end{array}$

此方程式为关于通风量Q的一元三次方程，即

f(Q)=aQ³+bQ²+cQ+d=0

其中：

$\left\{\begin{array}{c}a=(t_d-t_0-X_6)X_1^2\\ b=[(t_d-t_0-X_6)(2+X_3)-(X_2+X_4+X_5)]X_1\\ c=\{(t_d-t_0{-X}_6-1)(1+X_3)-[X_1{X}_5(2+X_3)+X_4\left]\right\}\\ d=-(X_3+1)X_5\end{array}\right.$

求解可得电机在设计环境温度下所需最小通风量。

4.根据权利要求1所述的大型灯泡贯流泵机组开敞式通风系统风机最优运行台数确定方法，其特征是，步骤C所述运行年环境温度时间密度分布为：

大型灯泡贯流泵机组年运行时间长，电机冷却风机需要相应运行时间；经过统计，电机运行最低环境温度5℃和最高环境温度40℃的时间极少，而在22℃附近时间最长，环境温度绝大多数时间低于40℃；环境温度在1年内运行时间密度分布为τ=τ（t₀）；环境温度在最大t_0max和最小值t_0min附近时间密度较小，t_0m为在该环境温度附近时，机组运行时间最长。

5.根据权利要求1所述的大型灯泡贯流泵机组开敞式通风系统风机最优运行台数确定方法，其特征是，步骤D所述定速风机运行台数优化及其年运行费用计算方法为：

确定通风冷却系统风机设计通风量时，考虑环境温度最高的最不利情况下通风量满足冷却要求；在环境温度较低时，如果仍采用设计通风量通风，势必造成浪费，此时，对于设置n₀台定速并联风机的主电机，可以考虑在保证电机定子绕组温度不超过设计运行温度的情况下，适当减少风机运行台数，减小通风量，节省通风运行费用；

设当分别运行0，1，2，…，n台风机时，环境温度分别为t₀₁，t₀₂，t₀₃，…，t_0n（t₀₁<t₀₂<t₀₃<，…，<t_0n）时，电机定子绕组最高温度恰好为设计运行温度t_d（允许最高温度）；优化定速风机运行台数的原理是：当环境温度低于t₀₁时，不需要开启风机；当环境温度为t₀₁～t₀₂时，开启1台风机；当环境温度为t₀₂～t₀₃时，开启2台风机；…；当环境温度超过t_0n时，需要n台风机全部开启；定速风机运行台数优化后，通风年运行费用为

式中：i表示有i台风机运行；η_fi、η_mi分别为i台风机运行时风机效率、配套电机效率，其值与运行工况有关；p_i，Q_i分别为i台风机运行时单台风机的风压和通风流量；k为电费单价；t_0,n+1=t_0max。

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