二次风机变频改造后轴承烧瓦原因分析
2014-05-04
董川 李燕勇
（云南电网公司电力研究院，云南昆明 650217）
摘 要：二次风机在变频电机节能改造后，虽然有效的降低了在低负荷调峰阶段的电耗，但由于电机转速的频繁调整，使得滑动轴承在低转速下不能有效供油，出现烧瓦事故。通过对二次风机旋转部件的振动测试和轴承供油原理的分析，诊断此次烧瓦的原因并提出处理方案。（云南电网公司电力研究院，云南昆明 650217）
关键词：变频电机；轴承；烧瓦；振动
1 前言
二次风机作为火力发电厂重要的送风设备，用来克服空气预热器、风道以及燃烧器的阻力，输入燃尽风使燃料得到充分燃烧，以维持机组的燃烧及负荷的稳定，而且风机能否正常运行不仅影响燃烧稳定性和燃烧效率，还关系到结渣、火焰中心高度的变化，炉膛出口烟温的控制等一系列问题。因此，二次风机的工作正常与否直接影响到机组的安全、经济、可靠运行[1]。
目前火电企业为实现节能降耗，较多的实现了对耗能较大的锅炉辅机进行变频改造，二次风机在变频后虽然有效地降低了机组在低负荷区的调峰电耗，但由于变频电机的频繁使用，导致转速大幅增减，而改造后系统监控状态的测点未能得到有效配置（如电机振动、瓦温、油温等），使得机组在变频运行过程中承担着重大的安全隐患。
2 设备规范及轴系状态
发生烧瓦事故的二次风机电机为YKK630-4型异步电动机。二次风机机组的轴系布置如图1所示，#1、#2、#3、#4轴承分别为电机自由端轴承、电机对轮端轴承、风机对轮端轴承、风机自由端轴承风机传动系统通过半挠性叠片联轴器吸收电机转子的轴向窜动，电机转子和风机转子分别为滑动轴承和滚珠轴承支承，轴系布置如图1所示。
图1 二次风机轴系布置示意图
#7机组作为调峰机组，二次风机自变频改造后频繁调整转速以适应锅炉负荷对风量的需求。通过对同型电机变频改造后的故障分析和统计，在出现以下情况时足以造成轴承的烧毁[2]。
3.1 风机轴系振动过大
3.1.1 风机变频转速运行在临界转速区
由于二次风机电机原设计选型为工频电机，此次技术改造为变频模式下运行，可能原因为电机转速长期在临界转速区或邻近临界转速区运行，造成电机转子轴振过大，与轴承瓦块发生了接触及摩擦。
为验证二次风机的变频转速是否运行在临界转速区，分别对单电机状态及电机-风机连接状态测试轴承支承系统的振动幅值、相位和频谱，图2、3为单电机状态下电机轴承的振动波德图，图4、5为电机-风机连接状态下电机轴承的振动波德图。
图2 电机轴承自由端垂直方向振动波德图
图3 电机轴承对轮端垂直方向振动波德图
图4 电机轴承自由端垂直方向振动波德图
图5 电机轴承对轮端垂直方向振动波德图
（注：1.测试时#71二次风机为更换后的电机，非故障电机；2.实线为振动通频值，虚线为振动工频值（1X）；振动数据单位均为μm；3.电机变频状态运行，测试过程中反复升降转速。）
二次风机的额定转速为1488r/min，通过测试（更换后的）单电机状态及电机-风机连接状态的振动情况，分析其特性如下：1）单电机状态振动良好，电机各测点振动幅值随转速增加而增大，0~1488r/min电机垂直、水平方向振动均小于50μｍ，测试数据如表1所示。
表1 二次风机电机振动情况
（数据为振动双峰值，单位为μm）
表2 二次风机变频运行振动情况
2）在电机带上负载后，二次风机的支承系统在转速变化过程中表现为振动幅值随转速的升高而增大，振幅在转速的升降过程中具有复现性，其中大于1350r/min（输入频率45Hz）时电机振动已超过合格范围。支承系统在不同转速下的振动幅值如表2所示。（数据为振动双峰值，单位为μm）
表2 二次风机变频运行振动情况
据此判断，电机-风机轴系在整个变频转速范围内低于共振转速，未出现临界转速区；比较单电机状态及电机-风机连接状态振动数据，电机连接负载后振动大为增加且工频幅值（1X）为主要振动成分，因此在风机叶轮部位有较大失衡质量。
3.1.2 支承系统刚度变化
二次风机在变频改造前运行多年，支承系统的结构刚度在历次检修中均未发现重大问题。同时，通过对支承系统结合面的振动对比测试及对相关改造资料的查阅，认为机组在动态下连接部件之间的紧密程度良好、基础牢固，排除了在改造过程中可能出现的改变原有连接刚度的问题。
3.2 轴承供油系统故障
轴承供油系统的作用是在相互接触的两滚动表面或滑动表面之间形成一层油膜把两表面隔开，减少接触表面的摩擦和磨损，润滑油还能带走轴承内部的大部分摩擦热，起到有效地散热作用[3]。机组在正常运行时，二次风机油站及供油管路的通畅，当润滑油滤网压差超标均能及时予以发现，清扫堵塞滤网，避免了因轴承系统供油不足而造成的烧瓦。
电机在变频投入运行后，滑动轴承会出现油膜刚度削弱甚至油膜破坏的情况，具体分析包括以下方面：
1）由于电机支承为滑动轴承结构，在变频至低速区运行时，伴随轴颈旋转带走的润滑油流量下降，长时间运行会导致轴瓦温度升高，瓦温上升继而影响了油膜的厚度，形成恶性循环。
2）转速降低也会导致甩油环带上来的油量减少，下瓦无法形成和保持一定厚度的油膜，导致轴瓦和润滑油升温。瓦温、油温升高后，润滑油黏度下降，加剧了油膜的破坏，直至轴瓦与轴颈摩擦，温度急剧升高。
3）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，会造成轴承运行工况恶化。
4）二次风机变频改造后使用较为频繁，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，若轴颈表面损伤足以改变油膜形成条件，则会造成油膜破坏，轴颈轴瓦接触。
通过电机变频状态下运行数据及轴承供油原理的分析，认为滑动瓦在转速变化过程中会发生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，使轴承运行不良直至烧瓦。
4 结束语
通过故障诊断分析，#7炉#1二次风机电机轴承烧瓦的主要原因为电机轴承润滑油供油不足，轴与轴瓦发生了干摩擦而出现的轴瓦烧毁。根据对故障原因的分析，在现场进行以下调整及改造：
1）重点监测各个轴承的运行状态，包括振动幅值、轴承温度、油温和噪声。
2）适当提高风机润滑油系统的压力，加大供油流量；保证轴瓦的油位不低于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。
3）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，配合风机挡板调整，避免锅炉负荷大幅变动时引起变频转速大幅升降。
4）暂时避免电机转速高于1350r/min（对应的输出频率为45Hz）运行，在具备检修及停机机会时，进行风机动平衡试验消除过大轴颈振动，并检查各轴承的工作状况和对轮的中心连接情况。
参考文献
[1]樊泉贵,阎维平.锅炉原理[M].北京:中国电力出版社,2004
[2]李植汶.大型变频电机断轴烧瓦原因及处理[J].电力安全技术,2011(7)
[3]叶荣学.油膜刚度变化对转子振动特性的影响[J].汽轮机技术,2006(4)
来源：《云南电力技术》第41卷 2013年6月
