增壓風機軸系故障分析與對策

0 引言

燃煤電廠鍋爐燃燒產(chǎn)生的煙氣在引風機的作用下經(jīng)煙道進入脫硫系統(tǒng)。為彌補脫硫系統(tǒng)所產(chǎn)生的額外壓損，一般在脫硫系統(tǒng)增設(shè)一臺增壓風機，對煙氣進行升壓以克服脫硫系統(tǒng)煙道和設(shè)備的阻力。該電廠5號爐脫硫增壓風機選用中國電建集團透平科技有限公司生產(chǎn)的靜葉可調(diào)軸流式風機，2006年投產(chǎn)運行。風機型號ANT40e6（V13+4°），葉輪外徑3.8m，葉輪重量4500kg，風機轉(zhuǎn)速498r/min，流量546.5m3/s（BMCR點工況），風機全壓3600Pa。

該電廠5號爐脫硫增壓風機原設(shè)計運行方式為工頻運行，隨著近年電力裝機的迅猛發(fā)展和外送電規(guī)模的增大，機組多數(shù)時間都在中低負荷狀態(tài)下運行，造成大量的能源浪費。響應(yīng)國家節(jié)能降耗政策要求，2015年對該增壓風機進行變頻改造。變頻運行方式通過調(diào)節(jié)風機轉(zhuǎn)速來滿足不同工況的負荷需求，可有效減小定速模式下的節(jié)流損失[1]。從2015年開始，該增壓風機軸系多次出現(xiàn)故障，多為聯(lián)軸器膜片斷裂或裂紋，2019年6月還發(fā)生傳扭中間軸短軸斷裂事故。該電廠同型號的6號爐脫硫增壓風機變頻改造后，2014年4月和2015年8月兩次發(fā)生葉輪壓盤螺栓斷裂、葉輪裝配孔嚴重磨損故障。增壓風機故障直接導(dǎo)致風機停運，機組限負荷，而搶修工作因煙氣竄入量大需要停機進行，直接關(guān)系機組的安全穩(wěn)定運行。本文深度分析軸系故障原因并提出對策建議。

1 風機軸系故障原因

1.1 軸系故障情況

增壓風機電機軸、葉輪軸、傳扭中間軸通過兩膜片聯(lián)軸器連接構(gòu)成傳遞扭矩的軸系。膜片聯(lián)軸器承受外力時發(fā)生彈性變形，起緩沖和減振作用，可補償驅(qū)動端和被驅(qū)動端二者之間一定量的軸向、徑向、角向相對位移。故允許一定的制造、安裝誤差，及運行加載、熱脹引起軸系對中變化。5號爐脫硫增壓風機聯(lián)軸器膜片組為束腰型，共6組，每組2片。該增壓風機工頻運行工況下，能長周期安全穩(wěn)定運行，而變頻運行后多次發(fā)生聯(lián)軸器膜片斷裂、傳扭中間軸短軸斷裂故障。2015年以來相關(guān)檢修、搶修記錄如下：

①2015年10月5號爐脫硫增壓風機臨修。檢查發(fā)現(xiàn)葉輪側(cè)聯(lián)軸器1/2的膜片斷裂，進行了更換，膜片裂紋情況如圖1。2017年5號爐脫硫增壓風機檢修時因葉輪側(cè)聯(lián)軸器膜片間積灰結(jié)垢嚴重，膜片無伸縮量，更換新聯(lián)軸器。

圖1 葉輪側(cè)聯(lián)軸器膜片斷裂錯位

②2019年4月隨軸承箱溫度測點消缺，進行5號爐脫硫增壓風機大修。檢查發(fā)現(xiàn)電機側(cè)聯(lián)軸器膜片5處裂痕，其中2處裂紋在同一組膜片上，隱患較大，膜片裂紋情況如圖2。葉輪側(cè)聯(lián)軸器膜片檢查發(fā)現(xiàn)1處裂紋，膜片間積灰垢嚴重，影響膜片自由伸縮。均更換新聯(lián)軸器。

圖2 電機側(cè)、葉輪側(cè)聯(lián)軸器膜片均有斷裂

③2019年6月15日因5號爐脫硫增壓風機運行中軸竄過大（≥2mm）導(dǎo)致電機前軸瓦端面磨損超溫100℃，嚴重危及安全運行，安排停機搶修。解體發(fā)現(xiàn)傳扭中間軸裝配短軸部件斷裂，進行了更換。短軸斷裂情況如圖3。

圖3 短軸葉輪側(cè)焊縫開裂且母材開裂

④2019年6月27日9:00，5號爐脫硫增壓風機運行中發(fā)現(xiàn)電機側(cè)對輪防護罩內(nèi)發(fā)出間歇性金屬撞擊音。打開防護罩檢查發(fā)現(xiàn)電機側(cè)聯(lián)軸器彈片有斷裂現(xiàn)象。10月22日停機檢查，5號爐脫硫增壓風機電機側(cè)膜片全部斷裂，有一片脫落，斷裂情況如圖4。葉輪側(cè)聯(lián)軸器膜片部分斷裂。更換電機側(cè)、葉輪側(cè)聯(lián)軸器。

圖4 電機側(cè)膜片斷裂情況

⑤2019年11月5日5號機啟機，增壓風機啟動過程中即發(fā)現(xiàn)電機側(cè)聯(lián)軸器有異音，因增壓風機無法停運，用頻閃儀檢查發(fā)現(xiàn)電機側(cè)聯(lián)軸器膜片出現(xiàn)裂紋。

1.2 軸系故障原因

該電廠5號爐脫硫增壓風機檢修備件均從原廠采購，有完善的質(zhì)檢報告和金屬檢測記錄。檢修過程嚴格執(zhí)行檢修工藝規(guī)程，履行完備的質(zhì)控驗收手續(xù)?？苫九懦齻浼?、安裝方面的質(zhì)量問題，主要考慮變頻運行工況對增壓風機軸系的影響。變頻驅(qū)動的軸系，運行在一定轉(zhuǎn)速區(qū)間時，可能會出現(xiàn)自激失穩(wěn)或扭轉(zhuǎn)共振現(xiàn)象[2-4]。對膜片聯(lián)軸器而言，其受靜態(tài)應(yīng)力包括轉(zhuǎn)矩在膜片中產(chǎn)生的剪力或拉壓力、軸向位移在膜片中產(chǎn)生的拉力剪力和彎矩、旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的切向和徑向力。此外，膜片聯(lián)軸器角偏斜即軸線間的角向不對中時，產(chǎn)生的彎矩會引起交變應(yīng)力，導(dǎo)致膜片疲勞損傷[5-6]。

王青華等人[7]發(fā)現(xiàn)變頻改造風機在一定轉(zhuǎn)速區(qū)間運行時，聯(lián)軸器所承受的扭矩會大幅脈動，導(dǎo)致膜片所承受的拉應(yīng)力大幅波動，波動幅度超過平均值。經(jīng)采用局部應(yīng)力——應(yīng)變法來計算脈動扭矩下的膜片疲勞壽命，結(jié)果表明變頻改造風機出現(xiàn)的扭矩脈動對膜片壽命影響較大，原定速設(shè)計膜片疲勞強度不夠，變頻模式下容易出現(xiàn)疲勞損傷。路鵬等人[8]發(fā)現(xiàn)變頻改造風機運行在一定轉(zhuǎn)速以上時，聯(lián)軸器所承受的扭矩會大幅脈動，但脈動頻率被鎖死，不隨風機轉(zhuǎn)速變化。并建議采用高彈性橡膠聯(lián)軸器替代膜片聯(lián)軸器，從而增加系統(tǒng)阻尼，抑制扭轉(zhuǎn)脈動幅度。還有一些研究認為，變頻風機轉(zhuǎn)速升到一定值時，電磁轉(zhuǎn)矩中會發(fā)生與軸系扭振的固有頻率接近的諧波，導(dǎo)致電氣系統(tǒng)反饋的速度信號中會包含一些諧振分量[9-11]。經(jīng)控制器放大后，電磁轉(zhuǎn)矩中含有的諧振分量變大，加劇機械系統(tǒng)的諧振，導(dǎo)致軸系扭矩大幅脈動?？稍谒俣确答伒幕芈分屑尤胂莶ㄆ鳎撓莶ㄆ饕暂S系扭振的固有頻率為中心，認為可取得較好扭振抑制效果。

該電廠5號爐脫硫增壓風機變頻改造后，在交變工況下運行時，因扭矩脈動，使得整個風機軸系部件承受較大扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，極易產(chǎn)生疲勞現(xiàn)象，超過疲勞極限值時，輕者產(chǎn)生材料裂紋，嚴重時材料發(fā)生斷裂。一般認為在扭轉(zhuǎn)應(yīng)力作用下，軸系部件承受應(yīng)力能力小的點就會最先產(chǎn)生裂紋[12]。因此，變頻改造前后，需對按工頻運行設(shè)計的轉(zhuǎn)動部件材料進行疲勞強度和剛度安全系數(shù)的校核。該電廠5號爐脫硫增壓風機廠家對生產(chǎn)的同型號靜葉可調(diào)增壓風機和引風機技術(shù)校核結(jié)果表明，有的需更換葉輪，有的需更換傳扭中間軸裝配，有的需更換風機和電機側(cè)的聯(lián)軸器，主軸承裝配基本無需更換。具體方案需根據(jù)校核結(jié)果而定。

2 風機軸系改造方案

根據(jù)該電廠5號爐脫硫增壓風機軸系故障頻繁發(fā)生的主要原因，對軸系部件的材料強度和剛度校核并提供以下軸系改造方案。

2.1 傳扭中間軸系的校核及加固措施

現(xiàn)運行的傳扭中間軸系的安全系數(shù)為1.21，低于要求的安全系數(shù)值1.4。更換原傳扭中間軸系（包括長、短軸），更換后的傳扭中間軸系為外徑500mm/內(nèi)徑446mm，安全系數(shù)值1.62。

2.2 聯(lián)軸器的校核及加固措施

原聯(lián)軸器12501系列啟動沖擊扭矩經(jīng)核算為333673Nm，額定沖擊扭矩為376000Nm，沖擊扭矩裕量偏小。更換聯(lián)軸器為16001系列，更換后的聯(lián)軸器啟動沖擊扭矩經(jīng)核算為333673Nm，額定沖擊扭矩為490000Nm，沖擊扭矩裕量滿足要求。

2.3 對葉輪的加固措施

工頻設(shè)計的葉輪目前已運行十多年，在變頻工況下也運行8年左右，葉輪材料內(nèi)部在不破壞葉輪的前提下無法了解疲勞現(xiàn)狀，目前唯一能做的就是每次停機時對葉輪加強宏觀檢查，特別是葉輪的焊縫，若發(fā)現(xiàn)葉輪的焊縫出現(xiàn)裂紋，需馬上對焊縫裂紋進行處理?？紤]長期安全運行更換加強型葉輪。加強型葉輪與普通葉輪的根本區(qū)別就是葉輪輪轂內(nèi)部對應(yīng)的葉片位置增加了加強筋板。增加了加強筋板的葉輪強度得到大大提高，可保證在變頻工況下安全運行。

經(jīng)加強處理后有風機轉(zhuǎn)動組重量將增加300kg，變頻運行后的轉(zhuǎn)動慣量為7660kg·m2，轉(zhuǎn)動組加固后的轉(zhuǎn)動慣量為7760kg·m2。轉(zhuǎn)動組加固后重量增加，經(jīng)配套電機廠家對電機進行校核滿足要求。

3 變頻運行時的注意事項

①風機變頻改造后，應(yīng)在運行中監(jiān)測電機和風機軸系的振動狀況，遇到振動加大，找出頻率較集中的轉(zhuǎn)速區(qū)間，迅速越過共振區(qū)，提高風機轉(zhuǎn)速，輔助調(diào)節(jié)導(dǎo)葉開度或擋板門開度。

②在檢修過程中，建議檢查膜片聯(lián)軸器的螺栓是否有塑性變形；傳扭中間軸的法蘭盤與軸管焊接處是否有裂紋；葉片根部與輪轂的焊接附近是否有裂紋。

③因變頻器輸出轉(zhuǎn)矩特性對電機和風機的影響，建議合理設(shè)定風機調(diào)節(jié)速度，減少對具有較大轉(zhuǎn)動慣量風機轉(zhuǎn)子的沖擊，降低應(yīng)力幅。

4 結(jié)論及建議

該電廠5號爐脫硫增壓風機經(jīng)相應(yīng)的校核，并對軸系的葉輪、長短軸、聯(lián)軸器等部件進行加強改造，能有效解決了原來存在的聯(lián)軸器膜片斷裂或裂紋、傳扭中間軸短軸斷裂、葉輪裝配孔嚴重磨損及壓盤螺栓斷裂等故障問題，提高了設(shè)備可靠性，使其在變頻工況下能穩(wěn)定發(fā)揮節(jié)能作用。

燃煤電廠脫硫增壓風機處于整個煙風系統(tǒng)的“咽喉”位置，其可靠性直接關(guān)系機組的安全穩(wěn)定運行。出于經(jīng)濟性考慮，可通過變頻改造實現(xiàn)風機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)以滿足不同工況的負荷需求，減小定速模式下的節(jié)流損失。但由于軸系的葉輪、長短軸、聯(lián)軸器等部件均基于定速模式設(shè)計，可能無法抵抗變頻運行工況下出現(xiàn)的扭矩脈動，出現(xiàn)疲勞損壞。因此，在對增壓風機等煙風系統(tǒng)應(yīng)用的靜葉可調(diào)式軸流式風機進行變頻改造前，應(yīng)對可能出現(xiàn)的扭矩脈動及疲勞損傷進行技術(shù)校核。