增压风机轴系故障分析与对策

0 引言

燃煤电厂锅炉燃烧产生的烟气在引风机的作用下经烟道进入脱硫系统。为弥补脱硫系统所产生的额外压损，一般在脱硫系统增设一台增压风机，对烟气进行升压以克服脱硫系统烟道和设备的阻力。该电厂5号炉脱硫增压风机选用中国电建集团透平科技有限公司生产的静叶可调轴流式风机，2006年投产运行。风机型号ANT40e6（V13+4°），叶轮外径3.8m，叶轮重量4500kg，风机转速498r/min，流量546.5m3/s（BMCR点工况），风机全压3600Pa。

该电厂5号炉脱硫增压风机原设计运行方式为工频运行，随着近年电力装机的迅猛发展和外送电规模的增大，机组多数时间都在中低负荷状态下运行，造成大量的能源浪费。响应国家节能降耗政策要求，2015年对该增压风机进行变频改造。变频运行方式通过调节风机转速来满足不同工况的负荷需求，可有效减小定速模式下的节流损失[1]。从2015年开始，该增压风机轴系多次出现故障，多为联轴器膜片断裂或裂纹，2019年6月还发生传扭中间轴短轴断裂事故。该电厂同型号的6号炉脱硫增压风机变频改造后，2014年4月和2015年8月两次发生叶轮压盘螺栓断裂、叶轮装配孔严重磨损故障。增压风机故障直接导致风机停运，机组限负荷，而抢修工作因烟气窜入量大需要停机进行，直接关系机组的安全稳定运行。本文深度分析轴系故障原因并提出对策建议。

1 风机轴系故障原因

1.1 轴系故障情况

增压风机电机轴、叶轮轴、传扭中间轴通过两膜片联轴器连接构成传递扭矩的轴系。膜片联轴器承受外力时发生弹性变形，起缓冲和减振作用，可补偿驱动端和被驱动端二者之间一定量的轴向、径向、角向相对位移。故允许一定的制造、安装误差，及运行加载、热胀引起轴系对中变化。5号炉脱硫增压风机联轴器膜片组为束腰型，共6组，每组2片。该增压风机工频运行工况下，能长周期安全稳定运行，而变频运行后多次发生联轴器膜片断裂、传扭中间轴短轴断裂故障。2015年以来相关检修、抢修记录如下：

①2015年10月5号炉脱硫增压风机临修。检查发现叶轮侧联轴器1/2的膜片断裂，进行了更换，膜片裂纹情况如图1。2017年5号炉脱硫增压风机检修时因叶轮侧联轴器膜片间积灰结垢严重，膜片无伸缩量，更换新联轴器。

图1 叶轮侧联轴器膜片断裂错位

②2019年4月随轴承箱温度测点消缺，进行5号炉脱硫增压风机大修。检查发现电机侧联轴器膜片5处裂痕，其中2处裂纹在同一组膜片上，隐患较大，膜片裂纹情况如图2。叶轮侧联轴器膜片检查发现1处裂纹，膜片间积灰垢严重，影响膜片自由伸缩。均更换新联轴器。

图2 电机侧、叶轮侧联轴器膜片均有断裂

③2019年6月15日因5号炉脱硫增压风机运行中轴窜过大（≥2mm）导致电机前轴瓦端面磨损超温100℃，严重危及安全运行，安排停机抢修。解体发现传扭中间轴装配短轴部件断裂，进行了更换。短轴断裂情况如图3。

图3 短轴叶轮侧焊缝开裂且母材开裂

④2019年6月27日9:00，5号炉脱硫增压风机运行中发现电机侧对轮防护罩内发出间歇性金属撞击音。打开防护罩检查发现电机侧联轴器弹片有断裂现象。10月22日停机检查，5号炉脱硫增压风机电机侧膜片全部断裂，有一片脱落，断裂情况如图4。叶轮侧联轴器膜片部分断裂。更换电机侧、叶轮侧联轴器。

图4 电机侧膜片断裂情况

⑤2019年11月5日5号机启机，增压风机启动过程中即发现电机侧联轴器有异音，因增压风机无法停运，用频闪仪检查发现电机侧联轴器膜片出现裂纹。

1.2 轴系故障原因

该电厂5号炉脱硫增压风机检修备件均从原厂采购，有完善的质检报告和金属检测记录。检修过程严格执行检修工艺规程，履行完备的质控验收手续。可基本排除备件、安装方面的质量问题，主要考虑变频运行工况对增压风机轴系的影响。变频驱动的轴系，运行在一定转速区间时，可能会出现自激失稳或扭转共振现象[2-4]。对膜片联轴器而言，其受静态应力包括转矩在膜片中产生的剪力或拉压力、轴向位移在膜片中产生的拉力剪力和弯矩、旋转产生的切向和径向力。此外，膜片联轴器角偏斜即轴线间的角向不对中时，产生的弯矩会引起交变应力，导致膜片疲劳损伤[5-6]。

王青华等人[7]发现变频改造风机在一定转速区间运行时，联轴器所承受的扭矩会大幅脉动，导致膜片所承受的拉应力大幅波动，波动幅度超过平均值。经采用局部应力——应变法来计算脉动扭矩下的膜片疲劳寿命，结果表明变频改造风机出现的扭矩脉动对膜片寿命影响较大，原定速设计膜片疲劳强度不够，变频模式下容易出现疲劳损伤。路鹏等人[8]发现变频改造风机运行在一定转速以上时，联轴器所承受的扭矩会大幅脉动，但脉动频率被锁死，不随风机转速变化。并建议采用高弹性橡胶联轴器替代膜片联轴器，从而增加系统阻尼，抑制扭转脉动幅度。还有一些研究认为，变频风机转速升到一定值时，电磁转矩中会发生与轴系扭振的固有频率接近的谐波，导致电气系统反馈的速度信号中会包含一些谐振分量[9-11]。经控制器放大后，电磁转矩中含有的谐振分量变大，加剧机械系统的谐振，导致轴系扭矩大幅脉动。可在速度反馈的回路中加入陷波器，该陷波器以轴系扭振的固有频率为中心，认为可取得较好扭振抑制效果。

该电厂5号炉脱硫增压风机变频改造后，在交变工况下运行时，因扭矩脉动，使得整个风机轴系部件承受较大扭转应力，极易产生疲劳现象，超过疲劳极限值时，轻者产生材料裂纹，严重时材料发生断裂。一般认为在扭转应力作用下，轴系部件承受应力能力小的点就会最先产生裂纹[12]。因此，变频改造前后，需对按工频运行设计的转动部件材料进行疲劳强度和刚度安全系数的校核。该电厂5号炉脱硫增压风机厂家对生产的同型号静叶可调增压风机和引风机技术校核结果表明，有的需更换叶轮，有的需更换传扭中间轴装配，有的需更换风机和电机侧的联轴器，主轴承装配基本无需更换。具体方案需根据校核结果而定。

2 风机轴系改造方案

根据该电厂5号炉脱硫增压风机轴系故障频繁发生的主要原因，对轴系部件的材料强度和刚度校核并提供以下轴系改造方案。

2.1 传扭中间轴系的校核及加固措施

现运行的传扭中间轴系的安全系数为1.21，低于要求的安全系数值1.4。更换原传扭中间轴系（包括长、短轴），更换后的传扭中间轴系为外径500mm/内径446mm，安全系数值1.62。

2.2 联轴器的校核及加固措施

原联轴器12501系列启动冲击扭矩经核算为333673Nm，额定冲击扭矩为376000Nm，冲击扭矩裕量偏小。更换联轴器为16001系列，更换后的联轴器启动冲击扭矩经核算为333673Nm，额定冲击扭矩为490000Nm，冲击扭矩裕量满足要求。

2.3 对叶轮的加固措施

工频设计的叶轮目前已运行十多年，在变频工况下也运行8年左右，叶轮材料内部在不破坏叶轮的前提下无法了解疲劳现状，目前唯一能做的就是每次停机时对叶轮加强宏观检查，特别是叶轮的焊缝，若发现叶轮的焊缝出现裂纹，需马上对焊缝裂纹进行处理。考虑长期安全运行更换加强型叶轮。加强型叶轮与普通叶轮的根本区别就是叶轮轮毂内部对应的叶片位置增加了加强筋板。增加了加强筋板的叶轮强度得到大大提高，可保证在变频工况下安全运行。

经加强处理后有风机转动组重量将增加300kg，变频运行后的转动惯量为7660kg·m2，转动组加固后的转动惯量为7760kg·m2。转动组加固后重量增加，经配套电机厂家对电机进行校核满足要求。

3 变频运行时的注意事项

①风机变频改造后，应在运行中监测电机和风机轴系的振动状况，遇到振动加大，找出频率较集中的转速区间，迅速越过共振区，提高风机转速，辅助调节导叶开度或挡板门开度。

②在检修过程中，建议检查膜片联轴器的螺栓是否有塑性变形；传扭中间轴的法兰盘与轴管焊接处是否有裂纹；叶片根部与轮毂的焊接附近是否有裂纹。

③因变频器输出转矩特性对电机和风机的影响，建议合理设定风机调节速度，减少对具有较大转动惯量风机转子的冲击，降低应力幅。

4 结论及建议

该电厂5号炉脱硫增压风机经相应的校核，并对轴系的叶轮、长短轴、联轴器等部件进行加强改造，能有效解决了原来存在的联轴器膜片断裂或裂纹、传扭中间轴短轴断裂、叶轮装配孔严重磨损及压盘螺栓断裂等故障问题，提高了设备可靠性，使其在变频工况下能稳定发挥节能作用。

燃煤电厂脱硫增压风机处于整个烟风系统的“咽喉”位置，其可靠性直接关系机组的安全稳定运行。出于经济性考虑，可通过变频改造实现风机转速调节以满足不同工况的负荷需求，减小定速模式下的节流损失。但由于轴系的叶轮、长短轴、联轴器等部件均基于定速模式设计，可能无法抵抗变频运行工况下出现的扭矩脉动，出现疲劳损坏。因此，在对增压风机等烟风系统应用的静叶可调式轴流式风机进行变频改造前，应对可能出现的扭矩脉动及疲劳损伤进行技术校核。