大型变频电机断轴烧瓦原因及处理

李植汶

(国投宣城发电有限责任公司，安徽 宣城 242000)

1 引风机变频电机简介

引风机是电厂的三大风机之一，引风机运行中出现的各种问题，会造成机组负荷降低，甚至造成被迫停机，直接影响电厂的安全生产。宣城电厂采用的AN35e6型静叶可调轴流式引风机是成都电力机械厂生产的静叶可调轴流风机，每台炉配置2台该型号风机。风机变频改造后的调节方式为变频调节加静叶调节。

该风机叶轮采用悬臂式连接方式，叶轮通过法兰用螺栓连接在短轴上(轴材料为35CrMo)。电机在风机的进气箱端，通过带护筒的金属膜片联轴器与叶轮相连，以传递扭矩；采用双挠性联轴器将电机和叶轮连接在一起，联轴器由2个半联轴器、中间加长轴、中间端节、连接盘及金属膜片组成，确保其牢固性和稳定性。

2 设备存在的问题

引风机变频电机自改造后，经常发生轴瓦振动异常升高的现象，轴瓦温度也随之升高，严重威胁设备的安全稳定运行。尤其是作为调峰机组，电力负荷变化速度快、幅度大，导致引风机变频电机轴瓦振动幅度经常达到保护跳闸值。特别是发生以下情况时，对风机变频电机振动的影响更加频繁、剧烈。

(1) 机组负荷大幅变化，引风机电机变频器转速由250 r/min升至500 r/min时；

(2) 锅炉调整燃烧，总风量大于2200 t/h时；

(3) 运行中，发生煤质突变或是断煤引起总风量瞬时变化较大时。

表1给出了变频器改造后引风机本体和引风机电机的具体参数值。

表1 变频器改造后引风机设备规范

3 振动异常的原因

由于多次发生风机变频电机轴瓦烧损，最严重时发生引风机电机轴瓦振动达到17mm/s、轴瓦温度达130 ℃、风机主轴断裂的恶性事故，造成风机长期停运检修。同时，锅炉单风烟系统运行极大地影响机组安全，也因机组被迫降低负荷而影响发电任务的完成。

为了彻底解决变频电机的轴瓦振动异常，专业技术人员将引风机实际存在的振动特征、故障历史与产生振动的一般原因进行比较、分析，采取逐个排除的方法，对故障进行诊断。

(1) 对引风机轴承座动刚度进行检测。由于对引风机变频电机进行过技术改造，有可能由于改造改变了其原有的结构刚度。通过检测，认为动态下连接部件之间的紧密程度良好、基础牢固；引风机的转速为595 r/min，远远低于共振转速；引风机为运行近2年的设备，结构刚度不存在问题。因此，引风机轴承座动刚度没有问题，可以排除引风机振动异常是由于风机转速接近临界转速和基础不牢引起的。

(2) 对引风机进行气流激振试验。试验的测量结果表明，引风机振动与阀门的开度大小无关；喘振引起的是高频振动，振动方向为径向，而从频谱上看也未发现高频振动，且引风机的振动主要表现在轴向。因此，引风机振动异常不是由于喘振引起的。

(3) 尽管变频器电机在变负荷、转速大幅变化期间能够满足对电流快速变化的要求，但是在转速的大幅变化过程中振动异常较为明显。根据振动现象分析：风机、电机的轴瓦在转速变化过程中发生了油膜厚度不均的现象，造成油脂不能够及时起到润滑、冷却的作用，甚至在低速时出现半干磨擦状态，使轴承运行不良。

(4) 引风机自身的叶轮重量远大于电机重量，且两者的轴瓦润滑、冷却形式不同，当风机由高速状态转为低速状态时，电机轴瓦的油膜厚度不够，破坏了原来的动、静平衡状态，造成轴承运行工况恶化。

(5) 引风机低速运行期间，由于转速低，从而带走的润滑油流量下降，长时间运行，导致轴瓦温度升高；瓦温上升继而影响了油膜的厚度，造成了恶性循环。

(6) 引风机变频器改造后，为了尽快收回变频器改造成本而使引风机长期频繁使用，导致高速到低速的变化剧烈、频繁、持久，形成的交变应力不断作用在主轴的金属材料上，对大轴产生金属疲劳损伤。

(7) 引风机由变频电机驱动，可能存在电磁振动。对引风机变频电机做启停试验：在启、停变频电机的瞬间，若测振表的数值即刻上升到最大值或迅速下降到零，则属于电磁振动，否则不属于。通过测试，振动随转速的升高而逐渐增大，随转速的降低而逐渐下降。因此，引风机变频电机的振动不属于电磁振动。

通过以上试验分析得知，技术改造时，对引风机变频器的运行特性和设备参数没有进行足够的调研和试验测量，对于变频电机安装后的动平衡调整试验把关不严，这些均是造成变频电机轴瓦振动异常的原因。

4 处理措施

根据以上分析，确认强烈振动是由于引风机变频电机在运行工况大幅改变下产生的。于是利用机组检修期间，对引风机变频电机的金属部分进行全面探伤检查。结果发现，引风机大轴沿转动方向有明显的由交变应力产生的“麻花状”裂纹痕迹，见图 1～3。

由图2，3可见，轴母材金相组织为铁素体+珠光体，未见异常。

由图4低倍组织可见，裂纹萌生处焊缝组织为粗大的胞状结构，裂纹沿配重块与引风机轴焊缝熔合线处萌生，并向轴母材扩展。

图1 方形开口为取样送检开口

图2 焊缝及附近区域低倍组织

图3 引风机轴母材(铁素体+珠光体)100×

图4 裂纹萌生地 50×

针对大轴疲劳损伤情况，再次进行了引风机改造及运行调整。

(1) 提高风机润滑油系统的压力，加大位置供油流量；控制风机各轴瓦的油位不低于1/2，控制油温在25～45 ℃；保持油质良好，以提高润滑油冷却速度，提高润滑效果。

(2) 对风机电机轴瓦进行更换，并将风机主轴更换为加强轴，以提高金属交变应力水平。重新进行动、静平衡实验，保证轴承所承受的重量符合设计要求。

(3) 重新调整轴瓦与大轴轴颈接触面的角度，控制其间隙为轴颈的1/1000。

(4) 减少使用变频器的频率，同时合理设置变频转速范围。在风量、煤质变化时，配合引风机静叶调整，避免锅炉负荷大幅变动时引起变频转速大幅升降，以减少引风机交变应力的产生，降低金属的疲劳损伤。

(5) 热工专业严格保证引风机温度、振动保护及自动投入率达100 %，增加引风机变频算法，控制引风机转速下限设为250 r/min。

(6) 在启动过程中，控制电机负荷为初始转速230 r/min；当一台引风机必须与系统隔离时，为了防止气流间发生干扰，出现倒流而使引风机转动或反向转动，造成不必要的扭矩应力，应先将引风机入口挡板关闭，方可停运，但不允许长时间连续运行。

5 实施效果

通过上述各项治理措施，引风机变频装置保持安全稳定运行，未再发生断轴烧瓦事故，同时轴瓦振动幅度降至2.0mm/s及以下，彻底解决了变频电机使用中存在的安全隐患，取得了良好的效果。

通过技术改造来节能降耗正在电厂逐步推广应用，但对改造后的设备所产生的安全、技术问题，一定要做好足够的调研工作和试验测试工作，做好事故预防措施。