[发明专利]一种水冷式电机最佳清垢周期计算确定方法

权利要求书

1.一种水冷式电机最佳清垢周期计算确定方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤A：主水泵配套电机运行单位时间发热量及传热性能实测计算：

根据现场实测计算电机发热量：

G_r＝C·m·(t_o-t_i)＝C·Q·ρ·(t_o-t_i) (1)

其中：G_r为主水泵配套电机发热量，kW；m为冷却水质量流量，kg/s；t_o为冷却水出水温度，℃；t_i为冷却水进水温度，℃；C为水的比热容，取4.18kJ/(kg·℃)；Q为冷却水体积流量，m³/s；ρ为水的密度，kg/m³；t_o、t_i、Q现场实测得到；

电机传热性能计算，根据式：

G_r＝hA·Δt_w (4)

得到：

hA＝G_r/Δt_w (5)

其中：为冷却水进出水平均温度，℃；t_e为电机绕组和铁芯的平均温度，℃；Δt_w为电机绕组和铁芯的平均温度与冷却水进出水平均温度之差，℃；h为电机总传热系数，kW/(m²·℃)；A为电机总换热面积，m²；

步骤B：电机实际污垢厚度及其热阻计算：

污垢沉积率计算公式：

式中：为污垢沉积率，kg/(m²·s)；h_d为传质系数，m/s；k_R为表面反应速率常数，m⁴/(kg·s)；c_f为水体中的离子浓度，kg/L；c_s为CaCO₃的饱和浓度，kg/L；

传质系数h_d由下式求得：

式中：u_i为结垢时冷却水的平均流速，m/s；d_i为冷却腔壁当量直径，m，对结垢状态下的环形冷却腔d_i＝2×[(R_外-δ_fi)-(R_内+δ_fi)]，其中R_外、R_内分别为环形冷却腔外半径和内半径，m，δ_fi为冷却壁污垢厚度，m；ν为水的运动粘度，m²/s；D为质扩散系数，m²/s；下标i表示各个月份，i＝1，2，3…k；

考虑污垢的厚度引起的冷却腔横截面积变化，则冷却腔第i时段末的流速u_i为：

其中：S_i为各个时间段环形冷却腔横截面积，m²；Q_i为步骤E中水冷却腔壁结垢状态下第i月电机最小需要冷却水流量；

每个时刻污垢沉积率对应的污垢剥蚀率为：

其中：为污垢的剥蚀率，kg/(m²·s)；ρ_f为垢层的平均密度，kg/m³；δ_f为污垢厚度，m；β为线性膨胀系数，1/K，β取0.25×10^-4；(T_w-T_F)为壁面温度与垢层温度之差，K；d_p为晶体的平均半径，取CaCO₃、MgCO₃的平均半径为36μm；μ为水的动力粘度，Pa·s；g为重力加速度，取9.8m/s²；

考虑微小步长时段Δt_s，第i时段末t＝iΔt_s时的污垢沉积量为该时段初t＝(i－1)Δt_s时刻的污垢沉积量与第i时段内生长的污垢质量之和，得第i时段末的污垢沉积量为：

式中：分别为第i时段末和第i－1时段末的污垢沉积量，kg/m²；分别为t＝(i－1)Δt_s时刻的污垢沉积率和剥蚀率，kg/(m²·s)；

当t＝MΔt_s,即第M时段末的污垢沉积量为：

t时刻污垢厚度δ_f为：

则污垢热阻R_f为：

式中：m_t为t时刻的污垢沉积量，kg/m²，t＝MΔt_s；R_f为污垢的热阻值，(m²·℃)/W；λ_f为污垢的导热系数，W/(m·℃)；

步骤C：电机水冷却实际总热阻及总传热系数计算：

冷却水与水冷却腔壁之间存在的热阻有：冷却水与水冷却腔壁之间的对流换热热阻R_h、水垢热阻R_f、水冷却腔壁导热热阻R_g与绕组表面涂层及其它热阻R_c；

测得并已知洁净状态下h_jA，冷却面积A，得洁净状态下的总热阻R_zj，计算公式如下：

其中：R_zj为水冷却腔壁洁净状态下的总热阻，(m²·℃)/W；h_j为洁净时的总传热系数，W/(m²·℃)；

洁净状态下冷却水与水冷却腔壁之间的对流换热热阻R_hj为：

其中：R_hj为洁净状态下冷却水与水冷却腔壁之间的对流换热热阻，(m²·℃)/W；d_j为洁净状态下冷却腔壁的当量直径，m，对洁净的环形冷却腔d_j＝2×(R_外-R_内)，其中u_j为水冷却腔壁洁净时水的流速，m/s；λ_w为水的导热系数，W/(m·℃)，则水冷却腔壁导热热阻R_g与绕组表面涂层及其它热阻R_c之和为：

R_zq＝R_zj-R_hj (16)

其中：R_zq为水冷却腔壁导热热阻R_g与绕组表面涂层及其它热阻R_c之和，(m²·℃)/W；

结垢状态下冷却水与水冷却腔壁之间的对流换热热阻R_hfi为：

其中：R_hfi为结垢状态下冷却水与水冷却腔壁之间的对流换热热阻，(m²·℃)/W，则结垢状态下的总热阻R_zfi为：

其中：R_zfi为结垢状态下的总热阻，(m²·℃)/W；R_fi为污垢的热阻，(m²·℃)/W；

故总传热系数为：

其中：h_zfi为总传热系数，W/(m²·℃)；

步骤D：水冷却腔壁洁净状态下电机最小需要冷却水流量计算；

步骤E：水冷却腔壁结垢状态下电机最小需要冷却水流量计算：

由公式(14)～(19)得总传热系数h_zfi，故电机最小需要冷却水流量为：

其中：t_emax为电机绕组允许最高温度，℃；t_i为进水温度，℃；

联立公式(18)～(20)得电机所需最小冷却水流量表达式为：

式中，m_i为污垢沉积量，kg/m²；借助计算机采用数值方法求解公式(21)，求得Q_i，即为第i月最小需要冷却水流量；

步骤F：一年中各月份冷却水系统能耗计算；

步骤G：最佳清垢周期计算确定：

清除污垢各费用计算如下：

(1)冷却水系统能耗费用Y_fd：

各月份冷却水系统能耗计算如下：

Z_i＝P_i·t×24 (23)

其中：P_i为供水泵电机输入功率，kW；下标i为各月份，i＝1，2，3…k；N_i为供水泵轴功率，kW；η_c为传动效率；η_d为电机效率；H_i为供水泵扬程，m；η_i为供水泵效率，％；Z_i为第i月冷却水系统能耗，kW·h；t为一个月的运行天数；Z_z为系统总能耗，kW·h；n为总运行月数；

冷却水系统能耗费用Y_fd：

Y_fd＝Z_z·y_d (25)

其中：Y_fd为冷却水系统运行能耗费用，元；y_d为电费单价，元/(kW·h)；

(2)清垢的药品费用：

Y_fy＝n·(m₁y₁+m₂y₂) (26)

其中：Y_fy为清垢的药品费用，元；n为一段时长内的清理次数，n＝1，2，3，…，；m₁为使用的工业硝酸质量，kg；y₁为硝酸单价，元/kg；m₂为需要投加缓蚀剂的质量，kg；y₂为缓蚀剂单价，元/kg；

(3)人工费用：

Y_fr＝n·r·y_r (27)

其中：Y_fr为清垢的人工费用，元；r为人数；y_r为单次人工费用，元/次；

(4)开停机费用：

Y_fk＝n·y_k (28)

其中：Y_fk为开停机费用，元；y_k为单次系统开停机费用，元/次；

将上述计算所得的Y_fd、Y_fy、Y_fr及Y_fk相加得一段时间内电机水冷却系统运行与清垢总费用：

Y_z＝Y_fd+Y_fy+Y_fr+Y_fk (29)

其中：Y_z为总费用，元，是清垢周期τ的函数，电机最佳清垢周期求解的优化模型为：

min Y_z＝Y_z(τ) (30)

其中：τ为清垢周期，季度/次；

优化模型公式min Y_z＝Y_z(τ)的求解方法，先设定3个清垢周期，编程采用计算机分别计算总费用，分析总费用与清垢周期的关系，采用线性插值逼近的方法最终求解得到电机冷却水系统运行和清垢总费用最低时所对应的最佳清垢周期，当Y_z最小时，所对应的τ即为最佳清垢周期。