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啤嶺機電設備（上海）有限公司
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二次風機變頻改造后軸承燒瓦原因分析

2014-05-04

董川 李燕勇
（云南電網公司電力研究院，云南昆明 650217）
　　摘　要：二次風機在變頻電機節能改造后，雖然有效的降低了在低負荷調峰階段的電耗，但由于電機轉速的頻繁調整，使得滑動軸承在低轉速下不能有效供油，出現燒瓦事故。通過對二次風機旋轉部件的振動測試和軸承供油原理的分析，診斷此次燒瓦的原因并提出處理方案。
　　關鍵詞：變頻電機；軸承；燒瓦；振動
　　1　前言
　　二次風機作為火力發電廠重要的送風設備，用來克服空氣預熱器、風道以及燃燒器的阻力，輸入燃盡風使燃料得到充分燃燒，以維持機組的燃燒及負荷的穩定，而且風機能否正常運行不僅影響燃燒穩定性和燃燒效率，還關系到結渣、火焰中心高度的變化，爐膛出口煙溫的控制等一系列問題。因此，二次風機的工作正常與否直接影響到機組的安全、經濟、可靠運行[1]。
　　目前火電企業為實現節能降耗，較多的實現了對耗能較大的鍋爐輔機進行變頻改造，二次風機在變頻后雖然有效地降低了機組在低負荷區的調峰電耗，但由于變頻電機的頻繁使用，導致轉速大幅增減，而改造后系統監控狀態的測點未能得到有效配置（如電機振動、瓦溫、油溫等），使得機組在變頻運行過程中承擔著重大的安全隱患。
　　2　設備規范及軸系狀態
　　發生燒瓦事故的二次風機電機為YKK630-4型異步電動機。二次風機機組的軸系布置如圖1所示，#1、#2、#3、#4軸承分別為電機自由端軸承、電機對輪端軸承、風機對輪端軸承、風機自由端軸承風機傳動系統通過半撓性疊片聯軸器吸收電機轉子的軸向竄動，電機轉子和風機轉子分別為滑動軸承和滾珠軸承支承，軸系布置如圖1所示。

圖1 二次風機軸系布置示意圖
　　3　燒瓦故障分析
　　#7機組作為調峰機組，二次風機自變頻改造后頻繁調整轉速以適應鍋爐負荷對風量的需求。通過對同型電機變頻改造后的故障分析和統計，在出現以下情況時足以造成軸承的燒毀[2]。
　　3.1 風機軸系振動過大
　　3.1.1 風機變頻轉速運行在臨界轉速區
　　由于二次風機電機原設計選型為工頻電機，此次技術改造為變頻模式下運行，可能原因為電機轉速長期在臨界轉速區或鄰近臨界轉速區運行，造成電機轉子軸振過大，與軸承瓦塊發生了接觸及摩擦。
　　為驗證二次風機的變頻轉速是否運行在臨界轉速區，分別對單電機狀態及電機-風機連接狀態測試軸承支承系統的振動幅值、相位和頻譜，圖2、3為單電機狀態下電機軸承的振動波德圖，圖4、5為電機-風機連接狀態下電機軸承的振動波德圖。

圖2 電機軸承自由端垂直方向振動波德圖

圖3 電機軸承對輪端垂直方向振動波德圖

圖4 電機軸承自由端垂直方向振動波德圖

圖5 電機軸承對輪端垂直方向振動波德圖
　　（注：1.測試時#71二次風機為更換后的電機，非故障電機；2.實線為振動通頻值，虛線為振動工頻值（1X）；振動數據單位均為μm；3.電機變頻狀態運行，測試過程中反復升降轉速。）
　　二次風機的額定轉速為1488r/min，通過測試（更換后的）單電機狀態及電機-風機連接狀態的振動情況，分析其特性如下：
　　1）單電機狀態振動良好，電機各測點振動幅值隨轉速增加而增大，0~1488r/min電機垂直、水平方向振動均小于50μｍ，測試數據如表1所示。
表1 二次風機電機振動情況

（數據為振動雙峰值，單位為μm）
表2 二次風機變頻運行振動情況
　　2）在電機帶上負載后，二次風機的支承系統在轉速變化過程中表現為振動幅值隨轉速的升高而增大，振幅在轉速的升降過程中具有復現性，其中大于1350r/min（輸入頻率45Hz）時電機振動已超過合格范圍。支承系統在不同轉速下的振動幅值如表2所示。
　　據此判斷，電機-風機軸系在整個變頻轉速范圍內低于共振轉速，未出現臨界轉速區；比較單電機狀態及電機-風機連接狀態振動數據，電機連接負載后振動大為增加且工頻幅值（1X）為主要振動成分，因此在風機葉輪部位有較大失衡質量。
　　3.1.2 支承系統剛度變化
　　二次風機在變頻改造前運行多年，支承系統的結構剛度在歷次檢修中均未發現重大問題。同時，通過對支承系統結合面的振動對比測試及對相關改造資料的查閱，認為機組在動態下連接部件之間的緊密程度良好、基礎牢固，排除了在改造過程中可能出現的改變原有連接剛度的問題。
　　3.2 軸承供油系統故障
　　軸承供油系統的作用是在相互接觸的兩滾動表面或滑動表面之間形成一層油膜把兩表面隔開，減少接觸表面的摩擦和磨損，潤滑油還能帶走軸承內部的大部分摩擦熱，起到有效地散熱作用[3]。機組在正常運行時，二次風機油站及供油管路的通暢，當潤滑油濾網壓差超標均能及時予以發現，清掃堵塞濾網，避免了因軸承系統供油不足而造成的燒瓦。
　　電機在變頻投入運行后，滑動軸承會出現油膜剛度削弱甚至油膜破壞的情況，具體分析包括以下方面：
　　1）由于電機支承為滑動軸承結構，在變頻至低速區運行時，伴隨軸頸旋轉帶走的潤滑油流量下降，長時間運行會導致軸瓦溫度升高，瓦溫上升繼而影響了油膜的厚度，形成惡性循環。
　　2）轉速降低也會導致甩油環帶上來的油量減少，下瓦無法形成和保持一定厚度的油膜，導致軸瓦和潤滑油升溫。瓦溫、油溫升高后，潤滑油黏度下降，加劇了油膜的破壞，直至軸瓦與軸頸摩擦，溫度急劇升高。
　　3）風機自身的葉輪重量遠大于電機重量，且兩者的軸瓦潤滑、冷卻形式不同，當風機由高速狀態轉為低速狀態時，電機軸瓦的油膜厚度不夠，破壞了原來的動、靜平衡狀態，會造成軸承運行工況惡化。
　　4）二次風機變頻改造后使用較為頻繁，導致高速到低速的變化劇烈、頻繁、持久，形成的交變應力不斷作用在主軸的金屬材料上，對大軸產生金屬疲勞損傷，若軸頸表面損傷足以改變油膜形成條件，則會造成油膜破壞，軸頸軸瓦接觸。
　　通過電機變頻狀態下運行數據及軸承供油原理的分析，認為滑動瓦在轉速變化過程中會發生油膜厚度不均的現象，造成油脂不能夠及時起到潤滑、冷卻的作用，甚至在低速時出現半干磨擦狀態，使軸承運行不良直至燒瓦。
　　4　結束語
　　通過故障診斷分析，#7爐#1二次風機電機軸承燒瓦的主要原因為電機軸承潤滑油供油不足，軸與軸瓦發生了干摩擦而出現的軸瓦燒毀。根據對故障原因的分析，在現場進行以下調整及改造：
　　1）重點監測各個軸承的運行狀態，包括振動幅值、軸承溫度、油溫和噪聲。
　　2）適當提高風機潤滑油系統的壓力，加大供油流量；保證軸瓦的油位不低于1/2，控制油溫在25 ~45℃；保持油質良好，以提高潤滑油冷卻速度，提高潤滑效果。
　　3）減少使用變頻器的頻率，同時合理設置變頻轉速范圍。在風量、煤質變化時，配合風機擋板調整，避免鍋爐負荷大幅變動時引起變頻轉速大幅升降。
　　4）暫時避免電機轉速高于1350r/min（對應的輸出頻率為45Hz）運行，在具備檢修及停機機會時，進行風機動平衡試驗消除過大軸頸振動，并檢查各軸承的工作狀況和對輪的中心連接情況。
　　參考文獻
　　[1]樊泉貴,閻維平.鍋爐原理[M].北京:中國電力出版社,2004
　　[2]李植汶.大型變頻電機斷軸燒瓦原因及處理[J].電力安全技術,2011(7)
　　[3]葉榮學.油膜剛度變化對轉子振動特性的影響[J].汽輪機技術,2006(4)

來源：《云南電力技術》第41卷 2013年6月