风机变频改造后故障原因分析

张礼亮,王青华,李冬冬,杨建刚

(1. 东南大学 火电机组振动国家工程研究中心，南京 210096； 2. 上海市明华电力技术工程有限公司，上海 200437)



风机变频改造后故障原因分析

张礼亮1,王青华2,李冬冬2,杨建刚1

(1. 东南大学 火电机组振动国家工程研究中心，南京 210096； 2. 上海市明华电力技术工程有限公司，上海 200437)

介绍了一台1 000 MW机组配套轴流引风机变频改造后发生的轴系损伤事故。通过建立轴系机械动力学模型并通过轴系扭矩现场测试，研究了轴系故障原因。研究结果表明：在一定转速下，如果电机输出扭矩中的谐波分量与轴系扭转固有频率重合，就会导致传动轴出现扭转共振，对设备安全运行产生很大影响。

引风机； 变频； 扭矩试验； 谐波共振

风机变频运行是电厂节能降耗重要措施。风机变频改造之后，经常出现叶片损坏、轴系断裂、联轴器损坏等恶性故障。Keith等[1]研究了某台风机改变频运行后所发生的叶片损坏事故原因。唐忠顺[2]分析了一台变频运行风机因扭振而引起的断轴事故原因。Kocur等[3]和Hutten等[4]分析了多台设备上发生的联轴器损坏案例。研究表明，这些事故大多与变频运行模式下谐波共振引发的轴系剧烈扭转振动有关[5-7]。

笔者针对一台1 000 MW引风机变频改造后出现的轴系损坏事故，建立了轴系动力学模型，测试了风机变频运行时轴系扭矩，对设备故障原因进行了深入分析。

1 风机变频改造后轴系损伤实例

一台1 000 MW汽轮发电机组配套的引风机见图1，型号为AN42e6(V19-1°)。为实现节能减排，对其进行了变频改造。变频改造前风机在定速模式下运行时故障率较低，但改变频运行以后，先后多次发生联轴器膜片断裂和大轴裂纹故障，大轴裂纹大多发生在风机侧靠近联轴器截面(见图2)，对设备安全稳定运行产生了很大影响。

图1 引风机

图2 联轴器附近轴系断裂图

2 轴系断裂原因分析

2.1 机械动力学模型

风机机械系统包括电机转子、风机传动轴、风机叶片及叶轮、联轴器等。该风机额定功率为6 450 kW，电机为5对极，额定负载下电机额定转速为596 r/min。电机转动惯量1 930 kg·m2，风机转动惯量为12 300 kg·m2。风机轴系长度为7 746 mm，轴系内外径分别为550 mm和494 mm，变频器载波频率为1 080 Hz。图3为所建立的四质量块轴系动力学分析模型。

JM、JCP1、JCP2、JL—四个质量块的转动惯量；Te、TL—电机输出扭矩和轴系负载扭矩；KM-CP、KCP、KCP-L—各段的扭转刚度；θM、θCP1、θCP2、θL—各段的相对角位移。

图3 轴系模型图

建立轴系动力学方程如下：

(1)

θ=[θMθCP1θCP2θL]T

T=[Te0 0TL]T

求解动力学方程可得轴系一阶扭转固有频率为17.4 Hz。图4为相对应的一阶扭转振动振型。

图4 一阶扭转振型

图4中纵坐标为归一化振幅，是无量纲量。从图4中可以看出：电机侧振幅远远大于风机侧振幅，联轴器两端振型突变，是轴系的危险截面。

2.2 电机输出扭矩谐波

变频器由整流器和逆变器两部分组成。三相交流电经过整流器后变成直流电，逆变器通过脉冲宽度调制方式将直流电转换成特定频率的交流电。当信号波大于载波时，输出正电压，开关元件导通；当信号波小于载波时，输出负电压，开关元件关闭(见图5)。

e0—正弦信号波；es—载波；Ud/2—正弦电压信号经调制之后的脉冲电压幅值；ω—输出信号频率。

图5 脉宽信号调制

改变正弦信号波幅值，可以改变输出电压脉冲的宽度；改变正弦信号波频率，可以改变输出电压频率[8]。

正弦电压信号经过调制后变为方波信号并控制逆变器开关元件的开断(见图5)，使最终输入电机的电压信号以及电机输出的电磁扭矩不再是正弦波。由信号分析理论可知，电磁扭矩中含有很多谐波分量，谐波计算公式[9]如下：

fT=|m·fpwm±n·fe|

(2)

式中：fpwm为载波频率；fe为输出基波频率；fT为电机输出扭矩频率。m、n满足下式中任意一种关系：

图6为电机输出扭矩谐波频率分布。

图6 扭矩谐波频率分布图

2.3 轴系断裂原因

如果某谐波分量与轴系扭振固有频率重合，就会导致传动轴发生扭转共振。风机转速为387 r/min时(fe=32.2 Hz)，下式中如果取m=1、n=33，计算得到电机输出扭矩中的谐波成分为：

fT=|1 080-32.2×33|=17.4 Hz

该谐波频率与轴系扭转固有频率重合，将会诱发轴系一阶扭转振动共振现象。

3 风机现场试验

采用应变法对该风机轴系脉动扭矩进行现场测试，应变片贴在轴系靠近联轴器位置，2个应变片呈180o对称布置(见图7)，通过无线传感器采集并记录扭应变数据(见图8)。

图7 扭应变片布置

图8 扭应变测试传感器

测试在冷态工况下进行。测试时采用送风机配合，变频电机模拟实际负荷出力，调节其变频参数，使得引风机在10～50 Hz运行，在每个频率点停留1～2 min，记录数据。扭矩测试结果见图9。

图9 风机扭矩测试结果

从图9可以看出：转速升速至405 r/min附近时，扭矩波动突然增大。图10和图11分别为该转速下的扭矩波形和频谱。轴系扭矩波形近似为正弦波，脉动扭矩以17.4 Hz频率分量为主，计算结果与试验结果基本吻合。

图10 转速405 r/min下扭矩波形

图11 转速405 r/min下扭矩频谱

4 结语

从以上分析可得如下结论：

(1) 变频器调制输出到电机的信号中含有大量的谐波，进而导致电机输出扭矩中谐波分量较多。

(2) 一定转速下，如果电机输出扭矩中的谐波分量与轴系扭转固有频率重合，就会导致传动轴出现扭转共振，对设备安全运行产生很大影响。变频改造时，应对轴系扭转振动特性和强度进行分析和评估。

[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] 唐忠顺. 一次风机主轴断裂原因分析及处理[J]. 风机技术,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] 张晟,余海涛,陈小林. SPWM型逆变器驱动感应电机电压谐波分析和脉动转矩仿真[J]. 自动化与仪器仪表,2008(4): 83-84,94.

[6] 李年仔,郭玉杰,张晓斌,等. 变频电机驱动轴系扭矩脉动特性试验研究[J]. 动力工程学报,2014,34(9): 731-735.

[7] 王正华,陈乐生,陈大跃. SPWM中载波对电机振动和噪声的影响[J]. 噪声与振动控制,2006,26(4): 73-75,79.

[8] 向玲,陈秀娟,唐贵基. 汽轮发电机组轴系扭振响应分析[J]. 动力工程学报,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

张礼亮(1991—)，男，在读硕士研究生，研究方向为转子动力学和故障诊断。

E-mail: zllseu@163.com

TM306

A

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