基于负载分析的风机状态监测技术及应用

彭 松，杨 成，牛 焱，邵崇杰

（北京奔驰汽车有限公司，北京 100176）

0 引言

随着检测技术和计算机技术的快速发展，对风机运行状态的在线监测越来越普及，这不仅能及时了解风机当前的工作状态，而且还可进行监测报警和故障预报，并能高速瞬时地保存大量异常信息以便进行故障分析。这在很大程度上可以避免重大事故的发生，对保证设备的安全可靠运行，降低设备维护费用，提高运行效率具有十分重大而深远的意义[1]。目前，变频调速技术已经成为现代电力传动技术的一个主要发展方向。卓越的调速性能、显著的节电效果，改善现有设备的运行工况，提高系统的安全可靠性和设备利用率，延长设备使用寿命等优点随着应用领域的不断扩大而得到充分的体现[2]。

某车企涂装车间仅ASU（Air Supply Unit，送风单元）工艺送排风和Oven烤箱系统的送排风就包含104台风机，其中功率37 kW以上的有85台，功率100 kW以上的有38台。这些风机绝大部分都与喷漆车间工艺生产线的温湿度直接相关，一旦风机出现任何故障将影响工艺送风的温湿度从而导致生产停线（图1）。一般来说，风机最容易出现问题的地方就是驱动电机，因此监测其电机运行状态十分必要。

1 负载分析

图1 色漆排风故障风机更换现场

由于车间现场使用风机均为定转速，在上位控制系统中设置风量，根据风压自动调整电机频率。根据公式P=Tn/9550=（T叶轮+T转子）n/9550，其中，P为功率，T为总负载（包含叶轮部分负载T叶轮及转子克服摩擦负载 T转子），n为电机转速。可知，定转速风机的功率P完全与其负载T成正比，所以风机的负载T上升将导致电机功率P上升，进而导致设备的耗电量增加。进一步分析可知导致定转速风机负载增大的情况有2种情况。

（1）叶轮负载增大。此种情况可能是工艺风道出现堵塞等情况导致。

（2）转子负载增大。此种情况直接与电机轴承的磨损严重程度相关，如果排除工艺上导致叶轮负载增大的因素，基本上可以通过负载来反映轴承磨损状况。

根据公式P=UI，其中，U为电机工作电压，I为电机工作电流。可知，由于电机工作电压不变，电机功率上升导致其电流增加。根据公式Q=I2Rt，其中，Q为电机发热量，I为电机工作电流，R为电机内部电阻、t为工作时间。当I增加、R不变，单位时间内电机的发热量增加，随着时间t增加，电机温度越来越高，如果电机没有过热保护将造成电机高温烧毁。

综上所述，可知电机负载增大将导致诸多问题，通过监控电机负载（图2），及时安排维修人员现场检查，可以避免电机长时间高负载运行，不仅节省电能，同时也避免的电机烧毁的情况发生。

2 负载数据收集及处理

现场电机数据通过Lenze 9400变频器进行收集，在保证生产及工艺不受影响的前提下，利用Lenze Engineer软件进行远程在线方式收集电机的负载、电流、电压和温度等相关数据（图3）。

图2 风机工艺系统Integra界面

图3 Lenze Engineer软件中电机参数界面

目前已经对该涂装车间104台大型风机建立了负载监控系统及数据库，通过分析结果可及时精准的安排风机检修计划。

3 效果与效益

3.1 节能降耗

通过电机负载趋势图（图4）可以监测现场风机的运行状态，当负载急剧增加或出现上升趋势，及时安排检查送排风设备，发现过燃烧器前挡火板出现了堵塞或风阀机械卡死，通过及时清理挡火板或调整风阀可显著降低风机电机运行负载，仅此举每年能为公司涂装车间ASU及烤箱送排风系统节省电能约1.0×107 kW·h。其中，节省电能=∑（风机高负载时电机功率-风机低负载时电机功率）×运行时间。

图4 电机负载趋势

通过点修补ASU风机负载趋势图（图5）可以发现，2017年6月仅两台点修补送风风机负载就比2016年6月，分别增加了40%和72%。通过对整个工艺环节相关的设备进行检查，发现了新风入口挡火板出现了严重堵塞（图6），通过及时处理降低了电机负载，不仅给公司节省了电费，同时也避免了风机电机长时间满频运行高温损坏或寿命缩短。此类问题也出现在了其他的风机上。

3.2 避免重大停机

该监控系统成功预警了多次大风机故障，安排非生产时间及时更换电机（图7，密封胶烤箱加热1段风机、注蜡排风风机、闪蒸烤箱加热段风机和色漆循环抽风风机等），多次避免了重大停机的发生，有效保障了生产。

4 总结

图5 点修补送风风机负载趋势

图6 点修补送风系统挡火板清洗堵塞前后对比

图7 色漆循环风机更换现场

从预见性维护方面着手，针对喷漆工厂104台大型风机，利用Lenze Engineer软件建立了风机负载监控系统及数据库，获得以下主要结论。

（1）通过分析风机负载趋势可预判风机运行状态，及时调整风机维护工作，预防重大停机发生。

（2）通过分析风机负载趋势可在风机节能降耗方面都发挥重要作用。