風(fēng)機(jī)變頻改造后故障原因分析

張禮亮,王青華,李冬冬,楊建剛

(1. 東南大學(xué) 火電機(jī)組振動(dòng)國(guó)家工程研究中心，南京 210096； 2. 上海市明華電力技術(shù)工程有限公司，上海 200437)

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風(fēng)機(jī)變頻改造后故障原因分析

張禮亮1,王青華2,李冬冬2,楊建剛1

(1. 東南大學(xué) 火電機(jī)組振動(dòng)國(guó)家工程研究中心，南京 210096； 2. 上海市明華電力技術(shù)工程有限公司，上海 200437)

介紹了一臺(tái)1 000 MW機(jī)組配套軸流引風(fēng)機(jī)變頻改造后發(fā)生的軸系損傷事故。通過(guò)建立軸系機(jī)械動(dòng)力學(xué)模型并通過(guò)軸系扭矩現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，研究了軸系故障原因。研究結(jié)果表明：在一定轉(zhuǎn)速下，如果電機(jī)輸出扭矩中的諧波分量與軸系扭轉(zhuǎn)固有頻率重合，就會(huì)導(dǎo)致傳動(dòng)軸出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)共振，對(duì)設(shè)備安全運(yùn)行產(chǎn)生很大影響。

引風(fēng)機(jī)； 變頻； 扭矩試驗(yàn)； 諧波共振

風(fēng)機(jī)變頻運(yùn)行是電廠節(jié)能降耗重要措施。風(fēng)機(jī)變頻改造之后，經(jīng)常出現(xiàn)葉片損壞、軸系斷裂、聯(lián)軸器損壞等惡性故障。Keith等[1]研究了某臺(tái)風(fēng)機(jī)改變頻運(yùn)行后所發(fā)生的葉片損壞事故原因。唐忠順[2]分析了一臺(tái)變頻運(yùn)行風(fēng)機(jī)因扭振而引起的斷軸事故原因。Kocur等[3]和Hutten等[4]分析了多臺(tái)設(shè)備上發(fā)生的聯(lián)軸器損壞案例。研究表明，這些事故大多與變頻運(yùn)行模式下諧波共振引發(fā)的軸系劇烈扭轉(zhuǎn)振動(dòng)有關(guān)[5-7]。

筆者針對(duì)一臺(tái)1 000 MW引風(fēng)機(jī)變頻改造后出現(xiàn)的軸系損壞事故，建立了軸系動(dòng)力學(xué)模型，測(cè)試了風(fēng)機(jī)變頻運(yùn)行時(shí)軸系扭矩，對(duì)設(shè)備故障原因進(jìn)行了深入分析。

1 風(fēng)機(jī)變頻改造后軸系損傷實(shí)例

一臺(tái)1 000 MW汽輪發(fā)電機(jī)組配套的引風(fēng)機(jī)見(jiàn)圖1，型號(hào)為AN42e6(V19-1°)。為實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，對(duì)其進(jìn)行了變頻改造。變頻改造前風(fēng)機(jī)在定速模式下運(yùn)行時(shí)故障率較低，但改變頻運(yùn)行以后，先后多次發(fā)生聯(lián)軸器膜片斷裂和大軸裂紋故障，大軸裂紋大多發(fā)生在風(fēng)機(jī)側(cè)靠近聯(lián)軸器截面(見(jiàn)圖2)，對(duì)設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生了很大影響。

圖1 引風(fēng)機(jī)

圖2 聯(lián)軸器附近軸系斷裂圖

2 軸系斷裂原因分析

2.1 機(jī)械動(dòng)力學(xué)模型

風(fēng)機(jī)機(jī)械系統(tǒng)包括電機(jī)轉(zhuǎn)子、風(fēng)機(jī)傳動(dòng)軸、風(fēng)機(jī)葉片及葉輪、聯(lián)軸器等。該風(fēng)機(jī)額定功率為6 450 kW，電機(jī)為5對(duì)極，額定負(fù)載下電機(jī)額定轉(zhuǎn)速為596 r/min。電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量1 930 kg·m2，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為12 300 kg·m2。風(fēng)機(jī)軸系長(zhǎng)度為7 746 mm，軸系內(nèi)外徑分別為550 mm和494 mm，變頻器載波頻率為1 080 Hz。圖3為所建立的四質(zhì)量塊軸系動(dòng)力學(xué)分析模型。

JM、JCP1、JCP2、JL—四個(gè)質(zhì)量塊的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；Te、TL—電機(jī)輸出扭矩和軸系負(fù)載扭矩；KM-CP、KCP、KCP-L—各段的扭轉(zhuǎn)剛度；θM、θCP1、θCP2、θL—各段的相對(duì)角位移。

圖3 軸系模型圖

建立軸系動(dòng)力學(xué)方程如下：

(1)

θ=[θMθCP1θCP2θL]T

T=[Te0 0TL]T

求解動(dòng)力學(xué)方程可得軸系一階扭轉(zhuǎn)固有頻率為17.4 Hz。圖4為相對(duì)應(yīng)的一階扭轉(zhuǎn)振動(dòng)振型。

圖4 一階扭轉(zhuǎn)振型

圖4中縱坐標(biāo)為歸一化振幅，是無(wú)量綱量。從圖4中可以看出：電機(jī)側(cè)振幅遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于風(fēng)機(jī)側(cè)振幅，聯(lián)軸器兩端振型突變，是軸系的危險(xiǎn)截面。

2.2 電機(jī)輸出扭矩諧波

變頻器由整流器和逆變器兩部分組成。三相交流電經(jīng)過(guò)整流器后變成直流電，逆變器通過(guò)脈沖寬度調(diào)制方式將直流電轉(zhuǎn)換成特定頻率的交流電。當(dāng)信號(hào)波大于載波時(shí)，輸出正電壓，開(kāi)關(guān)元件導(dǎo)通；當(dāng)信號(hào)波小于載波時(shí)，輸出負(fù)電壓，開(kāi)關(guān)元件關(guān)閉(見(jiàn)圖5)。

e0—正弦信號(hào)波；es—載波；Ud/2—正弦電壓信號(hào)經(jīng)調(diào)制之后的脈沖電壓幅值；ω—輸出信號(hào)頻率。

圖5 脈寬信號(hào)調(diào)制

改變正弦信號(hào)波幅值，可以改變輸出電壓脈沖的寬度；改變正弦信號(hào)波頻率，可以改變輸出電壓頻率[8]。

正弦電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)制后變?yōu)榉讲ㄐ盘?hào)并控制逆變器開(kāi)關(guān)元件的開(kāi)斷(見(jiàn)圖5)，使最終輸入電機(jī)的電壓信號(hào)以及電機(jī)輸出的電磁扭矩不再是正弦波。由信號(hào)分析理論可知，電磁扭矩中含有很多諧波分量，諧波計(jì)算公式[9]如下：

fT=|m·fpwm±n·fe|

(2)

式中：fpwm為載波頻率；fe為輸出基波頻率；fT為電機(jī)輸出扭矩頻率。m、n滿足下式中任意一種關(guān)系：

圖6為電機(jī)輸出扭矩諧波頻率分布。

圖6 扭矩諧波頻率分布圖

2.3 軸系斷裂原因

如果某諧波分量與軸系扭振固有頻率重合，就會(huì)導(dǎo)致傳動(dòng)軸發(fā)生扭轉(zhuǎn)共振。風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為387 r/min時(shí)(fe=32.2 Hz)，下式中如果取m=1、n=33，計(jì)算得到電機(jī)輸出扭矩中的諧波成分為：

fT=|1 080-32.2×33|=17.4 Hz

該諧波頻率與軸系扭轉(zhuǎn)固有頻率重合，將會(huì)誘發(fā)軸系一階扭轉(zhuǎn)振動(dòng)共振現(xiàn)象。

3 風(fēng)機(jī)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

采用應(yīng)變法對(duì)該風(fēng)機(jī)軸系脈動(dòng)扭矩進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，應(yīng)變片貼在軸系靠近聯(lián)軸器位置，2個(gè)應(yīng)變片呈180o對(duì)稱布置(見(jiàn)圖7)，通過(guò)無(wú)線傳感器采集并記錄扭應(yīng)變數(shù)據(jù)(見(jiàn)圖8)。

圖7 扭應(yīng)變片布置

圖8 扭應(yīng)變測(cè)試傳感器

測(cè)試在冷態(tài)工況下進(jìn)行。測(cè)試時(shí)采用送風(fēng)機(jī)配合，變頻電機(jī)模擬實(shí)際負(fù)荷出力，調(diào)節(jié)其變頻參數(shù)，使得引風(fēng)機(jī)在10～50 Hz運(yùn)行，在每個(gè)頻率點(diǎn)停留1～2 min，記錄數(shù)據(jù)。扭矩測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖9。

圖9 風(fēng)機(jī)扭矩測(cè)試結(jié)果

從圖9可以看出：轉(zhuǎn)速升速至405 r/min附近時(shí)，扭矩波動(dòng)突然增大。圖10和圖11分別為該轉(zhuǎn)速下的扭矩波形和頻譜。軸系扭矩波形近似為正弦波，脈動(dòng)扭矩以17.4 Hz頻率分量為主，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合。

圖10 轉(zhuǎn)速405 r/min下扭矩波形

圖11 轉(zhuǎn)速405 r/min下扭矩頻譜

4 結(jié)語(yǔ)

從以上分析可得如下結(jié)論：

(1) 變頻器調(diào)制輸出到電機(jī)的信號(hào)中含有大量的諧波，進(jìn)而導(dǎo)致電機(jī)輸出扭矩中諧波分量較多。

(2) 一定轉(zhuǎn)速下，如果電機(jī)輸出扭矩中的諧波分量與軸系扭轉(zhuǎn)固有頻率重合，就會(huì)導(dǎo)致傳動(dòng)軸出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)共振，對(duì)設(shè)備安全運(yùn)行產(chǎn)生很大影響。變頻改造時(shí)，應(yīng)對(duì)軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)特性和強(qiáng)度進(jìn)行分析和評(píng)估。

[1] ALEXANDER K,DONOHUE B,FEESE T,et al. Failure analysis of an MVR (mechanical vapor recompressor) impeller[J]. Engineering Failure Analysis,2010,17(6): 1345-1358.

[2] 唐忠順. 一次風(fēng)機(jī)主軸斷裂原因分析及處理[J]. 風(fēng)機(jī)技術(shù),2011(4): 73-75.

[3] HüTTEN V,BEER C,KRAUSE T,et al. VSDS motor inverter design concept for compressor trains avoiding interharmonics in operating speed range and verification[C]//Proceeding of the First Middle East Turbomachinery Symposium,Turbomachinery Laboratory. Texas: Texas A&M University,College Station,2011.

[4] CORCORAN J P,KOCUR J A Jr. VFD induced coupling failure[C]//Proceedings of the 37th Turbomachinery Symposium. Huston,Texas,USA: Turbomachinery Laboratory,Texas A&M University,2008.

[5] 張晟,余海濤,陳小林. SPWM型逆變器驅(qū)動(dòng)感應(yīng)電機(jī)電壓諧波分析和脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩仿真[J]. 自動(dòng)化與儀器儀表,2008(4): 83-84,94.

[6] 李年仔,郭玉杰,張曉斌,等. 變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)軸系扭矩脈動(dòng)特性試驗(yàn)研究[J]. 動(dòng)力工程學(xué)報(bào),2014,34(9): 731-735.

[7] 王正華,陳樂(lè)生,陳大躍. SPWM中載波對(duì)電機(jī)振動(dòng)和噪聲的影響[J]. 噪聲與振動(dòng)控制,2006,26(4): 73-75,79.

[8] 向玲,陳秀娟,唐貴基. 汽輪發(fā)電機(jī)組軸系扭振響應(yīng)分析[J]. 動(dòng)力工程學(xué)報(bào),2011,31(1): 27-32.

[9] HAN X,PALAZZOLO A B. VFD machinery vibration fatigue life and multilevel inverter effect[J]. IEEE Transactions on Industry Applications,2013,49(6): 2562-2575.

Fault Analysis of a Fan after Variable Frequency Retrofit

Zhang Liliang1,Wang Qinghua2,Li Dongdong2,Yang Jiangang1

(1. National Engineering Research Center of Turbo-Generator Vibration, Southeast University,Nanjing 210096,China; 2.Shanghai Minghua Electric Power Technology Engineering Co.,Ltd,Shanghai 200437,China)

To handle the shaft damage accident occurring to a 1 000 MW unit after taking variable frequency retrofit on its axial flow fan,the fault causes were studied by setting up a mechanical model for the shaft system and by performing field tests on the shaft torque. Results show that at certain rotating speeds,if one of the harmonic components is consistent with the natural torsional frequency of shaft,then torsional resonance would occur to the transmission shaft,which have great impacts on safety operation of the unit.

induced draft fan; variable frequency; torsional torque test; harmonic resonance

2016-09-12；

2016-10-19

張禮亮(1991—)，男，在讀碩士研究生，研究方向?yàn)檗D(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)和故障診斷。

E-mail: zllseu@163.com

TM306

A

1671-086X(2017)04-0230-04