風機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 火電機組振動國家工程研究中心，南京 210096； 2. 上海市明華電力技術工程有限公司，上海 200437)

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風機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 火電機組振動國家工程研究中心，南京 210096； 2. 上海市明華電力技術工程有限公司，上海 200437)

介紹了一臺1 000 MW機組配套軸流引風機變頻改造后發生的軸系損傷事故。通過建立軸系機械動力學模型并通過軸系扭矩現場測試，研究了軸系故障原因。研究結果表明：在一定轉速下，如果電機輸出扭矩中的諧波分量與軸系扭轉固有頻率重合，就會導致傳動軸出現扭轉共振，對設備安全運行產生很大影響。

引風機； 變頻； 扭矩試驗； 諧波共振

風機變頻運行是電廠節能降耗重要措施。風機變頻改造之后，經常出現葉片損壞、軸系斷裂、聯軸器損壞等惡性故障。Keith等[1]研究了某臺風機改變頻運行后所發生的葉片損壞事故原因。唐忠順[2]分析了一臺變頻運行風機因扭振而引起的斷軸事故原因。Kocur等[3]和Hutten等[4]分析了多臺設備上發生的聯軸器損壞案例。研究表明，這些事故大多與變頻運行模式下諧波共振引發的軸系劇烈扭轉振動有關[5-7]。

筆者針對一臺1 000 MW引風機變頻改造后出現的軸系損壞事故，建立了軸系動力學模型，測試了風機變頻運行時軸系扭矩，對設備故障原因進行了深入分析。

1 風機變頻改造后軸系損傷實例

一臺1 000 MW汽輪發電機組配套的引風機見圖1，型號為AN42e6(V19-1°)。為實現節能減排，對其進行了變頻改造。變頻改造前風機在定速模式下運行時故障率較低，但改變頻運行以后，先后多次發生聯軸器膜片斷裂和大軸裂紋故障，大軸裂紋大多發生在風機側靠近聯軸器截面(見圖2)，對設備安全穩定運行產生了很大影響。

圖1 引風機

圖2 聯軸器附近軸系斷裂圖

2 軸系斷裂原因分析

2.1 機械動力學模型

風機機械系統包括電機轉子、風機傳動軸、風機葉片及葉輪、聯軸器等。該風機額定功率為6 450 kW，電機為5對極，額定負載下電機額定轉速為596 r/min。電機轉動慣量1 930 kg·m2，風機轉動慣量為12 300 kg·m2。風機軸系長度為7 746 mm，軸系內外徑分別為550 mm和494 mm，變頻器載波頻率為1 080 Hz。圖3為所建立的四質量塊軸系動力學分析模型。

JM、JCP1、JCP2、JL—四個質量塊的轉動慣量；Te、TL—電機輸出扭矩和軸系負載扭矩；KM-CP、KCP、KCP-L—各段的扭轉剛度；θM、θCP1、θCP2、θL—各段的相對角位移。

圖3 軸系模型圖

建立軸系動力學方程如下：

(1)

θ=[θMθCP1θCP2θL]T

T=[Te0 0TL]T

求解動力學方程可得軸系一階扭轉固有頻率為17.4 Hz。圖4為相對應的一階扭轉振動振型。

圖4 一階扭轉振型

圖4中縱坐標為歸一化振幅，是無量綱量。從圖4中可以看出：電機側振幅遠遠大于風機側振幅，聯軸器兩端振型突變，是軸系的危險截面。

2.2 電機輸出扭矩諧波

變頻器由整流器和逆變器兩部分組成。三相交流電經過整流器后變成直流電，逆變器通過脈沖寬度調制方式將直流電轉換成特定頻率的交流電。當信號波大于載波時，輸出正電壓，開關元件導通；當信號波小于載波時，輸出負電壓，開關元件關閉(見圖5)。

e0—正弦信號波；es—載波；Ud/2—正弦電壓信號經調制之后的脈沖電壓幅值；ω—輸出信號頻率。

圖5 脈寬信號調制

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

正弦電壓信號經過調制后變為方波信號并控制逆變器開關元件的開斷(見圖5)，使最終輸入電機的電壓信號以及電機輸出的電磁扭矩不再是正弦波。由信號分析理論可知，電磁扭矩中含有很多諧波分量，諧波計算公式[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為電機輸出扭矩頻率。m、n滿足下式中任意一種關系：

圖6為電機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，就會導致傳動軸發生扭轉共振。風機轉速為387 r/min時(fe=32.2 Hz)，下式中如果取m=1、n=33，計算得到電機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固有頻率重合，將會誘發軸系一階扭轉振動共振現象。

3 風機現場試驗

采用應變法對該風機軸系脈動扭矩進行現場測試，應變片貼在軸系靠近聯軸器位置，2個應變片呈180o對稱布置(見圖7)，通過無線傳感器采集并記錄扭應變數據(見圖8)。

圖7 扭應變片布置

圖8 扭應變測試傳感器

測試在冷態工況下進行。測試時采用送風機配合，變頻電機模擬實際負荷出力，調節其變頻參數，使得引風機在10～50 Hz運行，在每個頻率點停留1～2 min，記錄數據。扭矩測試結果見圖9。

圖9 風機扭矩測試結果

從圖9可以看出：轉速升速至405 r/min附近時，扭矩波動突然增大。圖10和圖11分別為該轉速下的扭矩波形和頻譜。軸系扭矩波形近似為正弦波，脈動扭矩以17.4 Hz頻率分量為主，計算結果與試驗結果基本吻合。

圖10 轉速405 r/min下扭矩波形

圖11 轉速405 r/min下扭矩頻譜

4 結語

從以上分析可得如下結論：

(1) 變頻器調制輸出到電機的信號中含有大量的諧波，進而導致電機輸出扭矩中諧波分量較多。

(2) 一定轉速下，如果電機輸出扭矩中的諧波分量與軸系扭轉固有頻率重合，就會導致傳動軸出現扭轉共振，對設備安全運行產生很大影響。變頻改造時，應對軸系扭轉振動特性和強度進行分析和評估。

[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. 一次風機主軸斷裂原因分析及處理[J]. 風機技術,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型逆變器驅動感應電機電壓諧波分析和脈動轉矩仿真[J]. 自動化與儀器儀表,2008(4): 83-84,94.

[6] 李年仔,郭玉杰,張曉斌,等. 變頻電機驅動軸系扭矩脈動特性試驗研究[J]. 動力工程學報,2014,34(9): 731-735.

[7] 王正華,陳樂生,陳大躍. SPWM中載波對電機振動和噪聲的影響[J]. 噪聲與振動控制,2006,26(4): 73-75,79.

[8] 向玲,陳秀娟,唐貴基. 汽輪發電機組軸系扭振響應分析[J]. 動力工程學報,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，研究方向為轉子動力學和故障診斷。

E-mail: zllseu@163.com

TM306

A

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