電網(wǎng)諧波對離心式空氣壓縮機振動的影響及處理措施

盧 勇 李雅翔

（1.中石化催化劑公司長嶺分公司；2.天華化工機械及自動化研究設計院有限公司）

中石化催化劑公司長嶺分公司的新老基地各有一套空壓站裝置，共有8 臺離心式空氣壓縮機， 其中流量200m3/min 的5 臺，100m3/min 的3臺；200m3/min 的壓縮機電機功率在1 280kW 以上，100m3/min 的壓縮機電機功率在670kW 左右；老基地采用6kV 電壓供電， 新基地采用10kV 電壓供電。 兩地空壓站壓縮機組在運行過程中相繼出現(xiàn)一級振動波動的情況，在每臺機組上都有不同程度的表現(xiàn)，其中老基地1 號機和5 號機尤為突出，1 號機振動波動的頻次和振幅逐年加劇，并且造成機組大齒輪和軸承的損壞，導致設備故障停運；5 號機在新機調試時即出現(xiàn)高振動，無法正常投用。 針對以上情況，筆者分析了導致該現(xiàn)象的直接原因，并提出處理措施。

1 故障現(xiàn)象

機組一級振動出現(xiàn)波動。 老基地5 臺壓縮機機組的振動波動均出現(xiàn)在一級，5 臺壓縮機都是三級壓縮， 雖然3 號機組的轉子分布與其余機組轉子分布有些不同（3 號機是一級、二級共一根軸，三級為獨立的軸，其余機組均是一級為獨立的軸，二級、三級共一根軸），但其波動也出現(xiàn)在一級。 另外，波動的幅度均超過3μm，例如：1號機組一級振動正常情況下為5μm， 波動時為14μm， 有時甚至高達22μm 以上；2 號機組和5號機組波動的幅度也差不多；波動出現(xiàn)后，持續(xù)時間短的在1～2min 后恢復正常， 時間長的在30min 左右后恢復正常。

監(jiān)測頻譜均為26Hz 左右。 機組出現(xiàn)波動時，對其振動頻譜進行捕捉，測量振動突變時的頻譜均為26Hz 左右，壓縮機廠家也對機組進行監(jiān)測，1 號壓縮機出現(xiàn)高振動時的轉速為1 532r/min（電機轉速為2 970r/min），5 號機出現(xiàn)高振動時的轉速為1 546r/min，二者非常接近。

高振動時， 捕捉到的頻譜和波形如圖1 所示。在轉速為1 550r/min 時，1 號機的幅值波動情況如圖2 所示，5 號機的幅值波動情況如圖3 所示，可以看出在轉速1 550r/min 左右時有幅值突然升高的波形。

振動突變造成大齒輪軸承甚至大齒輪的損壞。 長期振動最終會造成大齒輪的損壞，圖4 中大齒輪的一個齒已經(jīng)崩掉一塊，圖5 則是高振動后大齒輪靠電機一側的軸承磨出了金屬絲。 而且振動突變的情況會隨著設備的持續(xù)運行加劇，振動的頻次會越來越高， 振動的幅值也會越來越大，從1μm 到20μm 以上，直至報警停機，而且?guī)着_機組的狀況極為相似。

圖1 高振動捕捉到的頻譜

圖2 1 號機的幅值波動情況

圖3 5 號機的幅值波動情況

圖4 大齒輪出現(xiàn)崩齒

圖5 大齒輪靠電機一側的軸承磨出了金屬絲

2 原因分析

2.1 現(xiàn)象分析和故障甄別

從頻譜的監(jiān)測結果和故障現(xiàn)象來看，該故障出現(xiàn)在頻率26Hz、 轉速1 540r/min 的工況下，此時頻率特征為0.5 倍基頻，轉速約為電機轉速2 970r/min 的0.5 倍。

轉動機械常見故障有轉子形變和缺損或轉子不對中；轉子配合不好、連接松動或摩擦。 出現(xiàn)在0.5 倍基頻附近的故障類型通常是油膜渦動、油膜振蕩、喘振、旋轉失速、密封和間隙動力失穩(wěn)。

針對以上幾種故障類型，對壓縮機組進行檢查，并更換相應部件。 通過對油封、油路的檢查排除油膜渦動、油膜振蕩的可能。 更換了壓縮機的高/低速轉子和大齒輪， 但故障現(xiàn)象并未消除，所以排除密封和間隙動力失穩(wěn)的可能。 由于設備喘振現(xiàn)象非常明顯，在現(xiàn)場就可以通過聽設備發(fā)出的異常響聲來判斷喘振現(xiàn)象，所以通過分析故障現(xiàn)象和頻譜特征來排除頻率不符合的故障類型，最終認為發(fā)生這種故障是因為設備出現(xiàn)了旋轉失速。

2.2 導致旋轉失速的原因分析

旋轉失速的頻率通常為（0.4～0.6）×R（其中R為電機轉動頻率），頻率f與轉速n的關系為f=n/60，測量數(shù)據(jù)符合監(jiān)測結果，判斷發(fā)生旋轉失速的可能性很大。

旋轉失速通常是氣流變化造成的。 因此，最初多從機械本身、氣流通道腐蝕等方面分析造成旋轉失速的原因，先后更換壓縮機的轉子，檢查進氣流道，修復擴壓器和壓縮機蝸殼，但均無法消除振動現(xiàn)象。

在排除了壓縮機機組的機械故障之后，對各臺機組振動情況進行持續(xù)監(jiān)測和觀察，發(fā)現(xiàn)機組振動與供電存在關聯(lián)。 5 臺空壓機電機所用的6kV 高壓電均來自同一高壓室，其中1 號、3 號、5號壓縮機連接在1#母線上，2 號和4 號壓縮機連接在2#母線上，如圖6 所示。

圖6 壓縮機組的接線情況

出現(xiàn)這類故障頻次較高的是1 號壓縮機和5 號壓縮機，1 號、3 號和5 號壓縮機的供電均在1#母線上， 考慮到3 號壓縮機的功率較低（670kW），1 號壓縮機和5 號壓縮機功率為1 280kW，3 號壓縮機故障頻次較低也可以理解；2 號壓縮機和4 號壓縮機在2#母線上，振動頻次較低。為了驗證以上分析，將5 號壓縮機和2 號壓縮機的電纜對調， 發(fā)現(xiàn)2 號壓縮機出現(xiàn)高幅振動頻次上升，5 號機高幅振動頻次減少，然后將2 號壓縮機的供電移至2#母線上的一個備用柜上，5 號壓縮機用2 號壓縮機的高壓柜。 5 號壓縮機電纜調換后，高幅振動頻次明顯減少，與2 號壓縮機相當，這進一步驗證了此類振動現(xiàn)象與供電有關。 呈現(xiàn)的故障現(xiàn)象是旋轉失速，而其原因在于供電系統(tǒng)。在供電系統(tǒng)的后臺監(jiān)控發(fā)現(xiàn)了壓縮機振動與供電的關聯(lián)， 當同處在1#母線的04# 柜和12# 柜的各次諧波電流較高時，1 號壓縮機和5 號壓縮機振動出現(xiàn)波動，1#母線的各供電柜監(jiān)控不到諧波電流時，設備能平穩(wěn)運行， 圖7 為后臺監(jiān)控壓縮機組諧波情況的界面。

圖7 后臺監(jiān)控壓縮機組的諧波情況

2.3 諧波畸變與壓縮機振動的關系

諧波造成電網(wǎng)污染，使供電設備出現(xiàn)異?，F(xiàn)象和故障的情況越來越頻繁，在與壓縮機生產(chǎn)廠家的交流中了解到，在煉鋼廠等電網(wǎng)污染較嚴重的企業(yè)，正弦電壓波形畸變形成的電網(wǎng)諧波對大型用電機組造成危害是一種普遍現(xiàn)場。 中石化催化劑長嶺分公司也因為電加熱設備的逐年增加，造成用電設備出現(xiàn)異?，F(xiàn)象的情況增加，兩個基地的空壓機分別采用6、10kV 供電， 諧波對壓縮機的影響主要是增加驅動壓縮機的異步電動機的附加損耗、降低效率，嚴重時使電動機過熱。 尤其是負序諧波在電動機中產(chǎn)生負序旋轉磁場，形成與電動機旋轉方向相反的轉矩， 起制動作用，從而減少電動機的“出力”。

諧波對轉動機械最常見的影響，是在電動機和傳動裝置組合的加速和運行時，諧波電流產(chǎn)生轉矩，從而激勵機組產(chǎn)生扭轉諧振。

在6、10kV 電網(wǎng)，電壓總諧波畸變率在4.0%左右，通過監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，造成壓縮機振動的諧波值并不高，諧波畸變率沒有超過國家標準，在壓縮機自身的供電柜甚至看不到明顯的諧波畸變，當04# 柜和12# 柜出現(xiàn)明顯的諧波時， 在1#壓縮機、5#壓縮機所處的11# 柜和09# 柜看不到諧波電流。 另外，扭轉諧振的諧振頻率應與壓縮機振動的頻率一致，但事實上，壓縮機振動頻率始終為26.6Hz，而不是相應的諧波頻率。

這些結果又證明諧波的確造成了壓縮機的振動，說明監(jiān)測到的頻譜是旋轉失速的頻率而非扭轉諧振的頻率，諧波畸變并未直接造成壓縮機出現(xiàn)扭轉諧振，而是因附加力矩的出現(xiàn)造成了壓縮機的旋轉失速。

3 處理措施

為了解決以上問題，提出相應的處理措施：

a. 通過增加3 臺電力有源濾波器，減少母線上存在的諧波污染。 有源濾波是一種用于動態(tài)抑制諧波、補償無功功率的電力電子裝置。 它自身就是諧波源，依靠電力電子裝置，在檢測到系統(tǒng)諧波的同時， 生成與電網(wǎng)諧波電流幅值相等、極性相反的補償電流并注入電網(wǎng)，對諧波電流進行補償或抵消，主動消除電力諧波。 有源濾波除了濾除諧波外，同時還可以動態(tài)補償無功功率。 其優(yōu)點是反應動作迅速，濾除諧波可達95%以上。

b. 改變電加熱爐的控制方式，將周波調功方式改變成周期調功方式，減少諧波產(chǎn)生頻次。 目前，中石化催化劑公司長嶺分公司電加熱器的功率調整器采用的是KY-ZB3 型周波觸發(fā)器和PAD36 三相電力調整器，調整器都有周波調功的方式和周期調功方式可以選擇，切換至周期調功方式后，諧波頻次降低，電源污染較小。 之后，對新老基地的電加熱爐控制方式都進行調整。 治理后，供電系統(tǒng)在電加熱爐啟動運行時，壓縮機的振動頻次大幅減少，壓縮機得以正常運行，系統(tǒng)的工藝用風和儀表用風正常。

4 結束語

諧波對轉動設備的影響通常是對電動機本身的影響，對其他轉動部件的影響并未引起足夠的關注。 通過諧波對壓縮機產(chǎn)生異常振動情況的分析發(fā)現(xiàn)， 隨著近年來機械加工水平的不斷提高，轉動設備的精度也越來越高，這種異常振動其實對電動機本身的危害并不大，反而對壓縮機組的轉動部件造成了嚴重的危害，后臺的監(jiān)測數(shù)據(jù)也表明，產(chǎn)生的附加轉矩最終造成壓縮機旋轉失速的諧波幅值并不大，甚至在國家標準的范圍內，但卻會影響到空氣壓縮機的穩(wěn)定工作，最終造成機組的損壞。

通過狀態(tài)監(jiān)測手段，對壓縮機組出現(xiàn)的異常振動進行分析研究，排除了機械、潤滑等原因之后鎖定了供電系統(tǒng)的問題，最終確定是電網(wǎng)諧波造成了壓縮機的異常振動。 而公司電加熱爐的增多是電網(wǎng)諧波增加的主要原因，電網(wǎng)諧波的出現(xiàn)對系統(tǒng)電網(wǎng)是一種污染，它使用電設備所處的環(huán)境惡化。 電加熱設備的控制電路是諧波的主要來源，對系統(tǒng)電網(wǎng)的污染不容小覷。 進行了電網(wǎng)諧波治理后，基本消除了這類設備故障，為裝置的“安、穩(wěn)、長、滿、優(yōu)”運行提供了保證。