风机状态监测技术在暖通设计中的应用分析

王幽雁， 温 华

(中国核电工程有限公司，北京 100840)

0 引言

在某大型工程项目中，各厂房的暖通设计采用了200余台通风机。除少量为轴流风机外，大多为离心风机。因生产工艺要求及厂房环境特点，一些主要厂房人员不宜经常出入，只能定期巡视，因而设计有中央控制室，将分散于各厂房中的主要设备(包括风机)加以集中管理。控制上采用了数字化控制系统(简称DCS系统)。从以往类似项目运行情况看，因各种原因，出现过风机状态异常，造成风机、电机轴承损坏等故障情况，甚至因温度过高，发生过轴承润滑油着火的事例，这类故障隐患如不能及时发现，风机将不能正常运转或因故障而停机，有可能导致严重安全生产事故，使企业遭受经济损失。鉴于此，在本工程设计中，对于一些流量大、压头高、作用重要且无人值守的厂房中的风机(只安排定期巡视)，设置了风机状态监测系统，以便及时掌握设备运行状况和劣化趋势，及早发现和消除故障隐患。

1 设计内容

1.1 监测对象选择

经过对本项目工艺厂房情况的分析，并结合每台风机的各自特点，选取了分布于厂区各处服务于多个装置的20台风机，作为设置风机状态监测系统的对象。因轴流风机传动方式均为A式直联[1]，参数普遍较小，故监测对象均选取离心风机。这些离心风机包括了C式和E式传动的风机，其安装支架与混凝土基础(或楼板)间均设有弹簧隔振器，属挠性支承。风机主要参数详见表1。

1.2 监测参数选择

对离心风机而言，主要由风机和电机两大部分组成，能够反映其特点的主要参数有：风机的静压、全压、流量、转速、效率、进出口风速、进出口温度、轴承温度、轴承振动等，以及配用电机的电流、电压、功率、转速、轴承温度、定子绕组温度、电机振动烈度等。对于风机这种大型旋转机械设备来说，常见的机械故障一般可分为不平衡、不对中、机械松动、轴承问题、机械摩碰等几种情况，出问题的风机最为常见的表现为温度、振动异常，而据统计风机的故障近50%是由轴承引起的，即在风机各部件出现的问题，接近半数会直接反映在轴承上，轴承的优劣对风机的工作状况影响极大，轴承工作状态异常会导致风机剧烈振动和发出较大噪声，甚至会导致风机损坏。因此选择风机和电机的轴承为具体的监测部位，对其温度、振动参数进行监测，就可以掌握风机的运行状况，解决大部分风机的潜在问题。

1.3 测点布置方式

针对C式和E式离心风机特点，结合以往工程及运行单位经验反馈，确定对每台风机驱动端和非驱动端轴承设置了加速度振动、温度双功能传感器进行监测，这样在风机驱动端和非驱动端轴承处只需各安装一个传感器即可达到目的；对每台风机的配用电机轴伸端轴承设置了一个温度传感器进行监测，设计中选用了热电阻式温度传感器。从实际运行效果来看，这种测点布置方式既可达到监测效果，又减少了传感器设置数量，减少了投资。

表1 状态监测风机主要参数表

风机轴承测点选择在轴承顶端两侧位置 (因顶端中央位置通常设有润滑油加注孔)，可打磨一个小平台，在其上钻孔，探头处带有外螺纹，以螺孔形式安装固定；电机轴承测点选择在轴伸端轴承一侧的电机端盖正上方位置，因热电阻式温度传感器探头断面很小，故易于钻孔固定(同样以螺孔形式安装固定)。选择上述位置安装方便，同时也易于布线。测点布置示意见图1、图2。

图1 C式离心风机测点布置示意图

1.4 传感器工作原理

加速度振动、温度双功能传感器型号为MLV-9200，是由振动速度传感器和温度传感器结合而成，振动速度传感器属于惯性式传感器，它利用磁电感应原理把振动信号变换成电压信号，主要由磁路系统、线圈组件、弹簧阻尼等部分构成。在传感器壳体中刚性地固定有两个线圈组件，磁钢用弹簧悬挂于壳体。当传感器在工作频率范围内工作时，线圈与磁钢产生相对运动，线圈切割磁力线，产生感应电动势(感应电压)，该电压值正比于振动速度值。另外包含一只采用铂电阻制造的温度传感器用于测温(工作原理同PT100型)。

图2 E式离心风机测点布置示意图

热电阻式温度传感器为PT100型，是利用物质在温度变化时自身电阻也随着发生线性变化的特性来测量温度的。热电阻的受热部分(感温元件)是用细金属丝均匀地双绕在绝缘材料制成的骨架上。当被测介质中有温度发生变化时，所测得的温度是感温元件所在范围内介质中的平均温度。

1.5 其他监测设备

为每台风机设置一个就地箱，负责信号的集中收集、数据处理与输送，除传感器安于轴承处，其他所有设备均安装在就地箱内。每个就地箱包括电源模块、变送器模块、无纸记录仪、面板上的液晶数显屏及报警指示灯等。通过传感器监测到的振动和温度信号，经模块处理后进入记录仪，记录仪记录下该风机运行全过程所有温度、振动数据，当达到设定值时，通过报警输出通道作用于就地箱面板上的报警指示，可在就地产生报警灯和蜂鸣器报警，同时按需要经信号输出端子，将采集到的报警信号上传至DCS系统，在中央控制室显示屏上同步示警，控制室的操作人员即可按预定的操作规程采取相应对策。因整体采用模块化设计方案，系统的抗干扰能力强，运行精度高，操作简单快捷，使用维护方便。系统设有存储功能，可记录一周的数据供查阅(可视需要扩展存储空间)，并进行温度、振动参数的趋势分析及振动参数的频谱分析等工作。

1.6 报警参数设置及联锁控制

据相关标准[3-4]，电机轴承的允许温度(温度计法)应不超过95℃。

对风机轴承温度的一般要求是：在轴承表面测得的轴承温度不得高于环境温度40℃。

据相关标准[2]，通常以振动速度均方根值来表示振动水平，其定义为在一个振动周期内，振动速度瞬时值平方后平均值的平方根，数学表达式为：

式中：Vrms为振动速度均方根值；

V(t)为随时间t变化的振动速度函数，mm/s；

t为时间自变量，s；

T为振动周期，s。

对于挠性支承：Vrms≤7.1 mm/s。

结合以往工程运行经验，对风机轴承及电机轴承的温度、振动参数分别设定了报警值和停机值，其数值略高于标准值，详见表2。当报警值被触发时，在厂房内风机就地箱产生声光报警，可直接锁定是哪一台风机的哪个轴承处出现了情况，是温度异常还是振动超标，以及是哪一台配用电机温度异常，同时中央控制室的显示屏上会跳出警示，指明哪一台风机出现异常，值班的工作人员可据此通知巡视、维修人员前往相关地点，查看并解决问题。当停机值被触发时，厂房内风机就地箱及中央控制室的显示屏同样可产生前述报警，与此同时，报警信号将联锁自动停运发生报警的风机，以免在人员到达前对设备造成损害。

表2 报警参数设置及联锁控制

2 分析与建议

2.1 分析

在国标《通风机振动检测及其限值》等文件中，虽然对于风机的状态监测(主要包括温度、振动等检测)情况都有明确的规定，但往往这些测试只是适用于风机的生产过程中以及出厂检验，至多在某些重要工程中设备安装完毕后的运转试验时，使用手持测温、测振仪表进行下检测。这样的做法，只能证明在某个特定时点条件下，风机的状态是正常、符合要求的，而经出厂检验合格的风机，在包装、运输、贮存、安装、调试以及最终投入生产运行后的各个阶段，均有可能因某些因素出现问题，造成运行状态异常，进而对工业生产、民用生活等构成影响。

在本工程中选取了一些为重要生产装置提供服务的风机设备，设置了测温、测振等状态监测系统，可以达到动态掌握风机运行状况，远程监控与就地处理相结合，实现出现问题、瞬时发现、及时解决的目的，对确保设备修理的及时性、准确性起到了关键作用。可以有效地避免意外事故，节约大量维修费用，使风机运行安全可靠。同时结合风机状态监测系统的数据存储分析功能，可以逐步将设备的维修方式从事后维修、计划维修过渡到现代设备管理下的状态维修，即预知维修。随着人们对设备保护意识的加强和设备维护认识的深入，该项技术越来越受到重视。可见风机状态监测系统无论对安全生产还是对设备维护都具有十分重要的意义。

2.2 建议

从本工程已设置的风机状态监测系统来看，其运行情况良好，达到了设计目的。但监测系统本身费用较高，其中一些主要的仪表、设备尚需进口，故不建议在工程中大面积使用。可挑选重要程度高、设备规格大、无人值守的风机加以使用，这样在适度投资的情况下，可获得比较满意的效果。

[1]陆耀庆.实用供热空调设计手册[M].第2版.北京:中国建筑工业出版社,2008.

[2]JB/T 8689—1998,通风机振动检测及其限值[S].

[3]GB/T 22722—2008,YX3系列(IP55)高效率三相异步电动机技术条件(机座号80～355)[S].

[4]GB/T 25290—2010,Y3系列 (IP55)三相异步电动机技术条件(机座号63～355)[S].