鋒速達通風降溫系統(tǒng)
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負壓風機廠家高速旋轉(zhuǎn)機械的頻譜分析國產(chǎn)高壓變頻器在濟鋼第三煉
來源：佳工機電網(wǎng) 作者：濟南鋼鐵集團公司 李兆華 鐘愛光
【關(guān)鍵詞】空壓機組，干熄焦循環(huán)主風機
【論文摘要】介紹了氧氣廠2＃DA350空壓機組、干熄焦循環(huán)主風機、輔風機等振動故障的診斷及處理方法�？偨Y(jié)了應用先進的設備故障診斷技術(shù)的重要性。
一、前言
我公司絕大多數(shù)關(guān)鍵設備為旋轉(zhuǎn)機械設備，如各類風機、空壓機、大型電機等。設備的日常維護和安裝調(diào)試過程中，經(jīng)常遇到因劇烈振動而無法正常生產(chǎn)的情況，而振動的原因錯綜復雜，僅靠耳聽、手摸的原始方法，很難全面準確的分析判斷故障的原因。采用先進的設備狀態(tài)檢測和故障診斷技術(shù)，通過振動檢測掌握各類設備在一定時期的運行狀態(tài)，為從事設備維護、安裝、調(diào)試的工程技術(shù)人員提供一套完整的設備運行狀態(tài)資料，根據(jù)這些資料進行數(shù)據(jù)分析，可以準確的分析判斷故障原因，縮短檢修工期，合理的安排關(guān)鍵設備的預防維修計劃，從而避免因突發(fā)性設備故障而造成的經(jīng)濟損失，確保產(chǎn)生的順利進行。
二、采用故障診斷技術(shù)處理設備故障的幾個實例
1．氧氣廠2＃DA350一61型空壓機組振動故障的處理
氧氣廠DA350～61型空壓機是制氧機的動力設備，機組進行是否正常，直接關(guān)系到第一煉鋼廠的生產(chǎn)，是總公司的關(guān)鍵設備。
1999年4月份，該機組借第一煉鋼廠停產(chǎn)機會，解體大修，組裝后試車時，機組振動超標，無法正常運行，嚴重影響檢修工期。如解體檢查至少需要3天的時間，況且對能否檢查到故障點也沒有十分把握。于是我們利用NG一8902多通道數(shù)據(jù)采集故障診斷工程，對該機組進行了全面的測試。
(1)空壓機組的測點布置如圖1所示。
(2) 機組的測試情況（取振動值最大的方向）見表1
表 1
由表1可見，1#、2#、3#、4#、5#、6#測點，振動情況良好。7#、8#測點振動速度超標，8#測點振值8.25mm/s，嚴重超標，7#、8#測點的軸向振動譜圖如圖2、圖3。
又測量了7#、8#測點的振動加速度，見表2(取振動值最大的方向)。
表2
7#、8#測點軸向振動加速度譜圖如圖4、圖5。
根據(jù)以上的振動測量及頻譜圖分析，空壓機組的振動故障分析如下：3#、4#、5#、6#測點振動速度良好，說明大小齒輪運行狀態(tài)正常，振源不在大小齒輪處。振速最大值發(fā)生在7#、8#測點處，故障頻率為146 Hz，其對應的轉(zhuǎn)速為146×60=8760r/min，振動頻率特征基本是工頻振動，說明振源在7#、8#測點處，其原因可能是風機轉(zhuǎn)子高速動平衡不良，因為雖然低速動平衡已校驗平衡良好，但高速下動平衡不一定滿足。7#、8#測點的振動加速明顯增大，故障能量集中的高頻區(qū)域2625 Hz，說明風機零部件可能被慣性力破壞，如轉(zhuǎn)子了出現(xiàn)裂紋、葉片腐蝕有掉塊等。于是我們打開風機大蓋，仔細檢查風機轉(zhuǎn)子、葉片、軸等部件。檢查情況與我們的診斷基本一致，故障點為風機轉(zhuǎn)子葉片根部有一約40mm長的裂紋，重新更換了風機轉(zhuǎn)子，投運后運行正常。
2．干熄焦循環(huán)風機振動故障的處理
總公司干熄焦工程是國家經(jīng)貿(mào)委節(jié)能示范項目，1999年2月份，干熄焦工程試車過程中，發(fā)現(xiàn)1#、2#循環(huán)風機振動嚴重，無法正常運行，嚴重影響工程的進度。
風機的主要技術(shù)參數(shù)：介質(zhì)溫度180-200℃，主風機風量195000m3/h，輔風機風量17000 m3/h，主風機風壓8250Pa，輔風機風壓6500 Pa，主風機電機P=800kW，n=1500r/min，輔風機電機P=630 kW，n=1500 r/min。
利用HG-8902多通道數(shù)據(jù)采集故障診斷工程，現(xiàn)場進行了振動測量，分析故障原因。1#循環(huán)風機初始振動頻譜圖見圖6。
由圖6可以看出，其振動頻率單一，在工頻處有一最大峰值為21.89 mm/s.屬于明顯的不平衡故障。于是利用現(xiàn)場動平衡軟件包，在現(xiàn)場進行轉(zhuǎn)子做動平衡校驗。現(xiàn)場處理后的振動頻譜見圖7所示。
由圖7可以看出振動幅值明顯減少，投運后，至今運行正常。
2#輔風機振動頻譜圖見圖8
由圖8可見，二倍頻處有一軸向振動峰值為12.97 mm/s，分析振動原因，應是機組中心對不良.于是重新調(diào)整了機組中心，投運后，機組運行正常.
三、結(jié)束語
通過以上幾個機組的故障診斷及處理的實例，主要有以下幾點收獲：
1.科學應用設備故障診斷技術(shù)，采用先進的多通道數(shù)據(jù)采集診斷工程，可以準確分析振動原因，制定科學合理的故障處理方案，盡快消除設備故障，可為企業(yè)創(chuàng)造大量的經(jīng)濟效益。
2.多通道數(shù)據(jù)采集故障診斷工程的轉(zhuǎn)子現(xiàn)場平衡軟件包，為我們提供了很大的方便，不但縮短了檢修工期，還確保了重點工程的工程質(zhì)量，為企業(yè)贏得了時間，創(chuàng)造了效益。
3.目前，大部分企業(yè)主要設備還是采用計劃檢修，如果科學利用設備故障診斷技術(shù)，并根據(jù)診斷結(jié)果有針對性的制定檢修方案，提前做好備品、備件準備，檢修時有的方矢，可減少檢修時間，提高檢修質(zhì)量
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1引言
隨著市場競爭的不斷加劇，節(jié)能降耗成為企業(yè)提高產(chǎn)品市場占有率、競爭力的有效手段之一。而高壓大功率變頻調(diào)速技術(shù)的日益成熟，使得該項技術(shù)廣泛應用于冶金、石油、化工、電力等各個行業(yè)。濟鋼集團公司第三煉鋼廠10臺除塵風機控制工程目前采用的是直接啟動和液力耦合器調(diào)速工程，調(diào)速和起動方法仍很落后，浪費了大量的能源且造成機械壽命的降低。在這種形勢下，濟鋼第三煉鋼廠決定對除塵工程進行高壓變頻技術(shù)改造，經(jīng)多方考察研究，首先選用廣州智光公司生產(chǎn)的高壓變頻調(diào)速工程對1#精煉除塵風機進行調(diào)速節(jié)能改造。
21#精煉除塵風機設備概況
濟鋼三煉鋼廠1#精煉除塵風機電機為湘潭電機廠生產(chǎn)的1250kW高壓異步電機，機組的主要參數(shù)如下:
（1）精煉除塵電機參數(shù)
型號：YKK630-6;
功率：1250kW;
電壓：10kV;
電流：87.1A;
轉(zhuǎn)速：995r/min;
頻率：50Hz；
接法：Y;
防護等級：IP54;
冷卻方式：IC611;
絕緣等級：F；
廠家：湘潭電機廠。
（2）精煉除塵風機工藝參數(shù)
型號：Y5-2 48-14NO2LF；
形式：雙吸入離心式；
布置方式:進氣135°/出氣0°;
支撐方式:雙支撐；
處理量：3.7×105m3/h；
全壓：6100Pa（70℃）；
轉(zhuǎn)速：980r/min；
軸功率：934.7kW（20℃）；
廠家：南通金通風機有限公司。
3高壓變頻器節(jié)能效益分析和產(chǎn)品應用
3.1 應用高壓變頻器節(jié)能效益分析
根據(jù)風機、泵類平方轉(zhuǎn)矩負載關(guān)系式:P/P0=(n/n0)3計算,(式中為P0額定轉(zhuǎn)速n0時的功率；P為轉(zhuǎn)速n時的功率),1#精煉除塵風機P=1250kW,運行工況以24h連續(xù)運行計算，其中每天18h運行在90%負荷（頻率按46Hz計算），6h運行在50%負荷（頻率按25Hz計算）；全年運行時間按照300天計算,則高壓變頻調(diào)速時每年節(jié)電量為Wb:
高速運行時節(jié)電量：Wb1=1250×18×[1-(46/50)3]×300=1493375kW?h
低速運行時節(jié)電量：Wb2=1250×6×[1-(25/50)3] ×300=1968750 kW?h
所以高壓變頻器調(diào)速總的節(jié)電量為:Wb=Wb1+Wb2=1493375+1968750=3462125kW?h
若按0.5元/ kW?h進行計算，則1#精煉除塵風機采用高壓變頻調(diào)速后每年節(jié)約電費：3462125×0.95×0.5=164萬元。
3.2 目前高壓變頻器產(chǎn)品應用分析
近年來，各種高壓變頻器不斷出現(xiàn)，高壓變頻器到目前為止還沒有像低壓變頻器那樣近乎統(tǒng)一的拓撲結(jié)構(gòu)。根據(jù)高壓組成方式可分為直接高壓型和高―低―高型，根據(jù)有無中間直流環(huán)節(jié)來分，可以分為交―交變頻器和交―直―交變頻器，在交―直―交變頻器中，按中間直流濾波環(huán)節(jié)的不同，可分電壓源型和電流源型。下面將對目前使用較為廣泛的幾種高壓變頻器進行分析，指出各自的優(yōu)缺點。
電流源型變頻器技術(shù)成熟，且可四象限運行，但由于高壓時器件串聯(lián)的均壓問題，輸入諧波對電網(wǎng)的影響和輸出諧波對電機的影響等問題，使其應用受到限制。而且變頻器的性能與電機的參數(shù)有關(guān)，通用性差，電流的諧波成分大，污染和損耗較大，且共模電壓高，對電機的絕緣有影響。AB公司Power Flex 7000系列采用耐壓值為6.5kV的SGCT功率管，最高電壓也僅做到6.6kV。
電壓源型變頻器由于輸出側(cè)的dv/dt比較嚴重，需要采用輸出濾波器。由于受到器件耐壓水平的限制，最高電壓只能做到4160V。
單元串聯(lián)多電平PWM電壓源型變頻器具有對電網(wǎng)諧波污染小、輸入功率因數(shù)高、不必采用輸入諧波濾波器和功率因數(shù)補償裝置。輸出波形好，不存在由諧波引起的電動機附加發(fā)熱和轉(zhuǎn)矩脈動、噪聲、輸出dv/dt、共模電壓等問題，可以使用普通的異步電動機。單元串聯(lián)多電平變頻器的輸出電壓可以達到10kV，甚至更高。
比較以上三種類型高壓變頻器，由于單元串聯(lián)式多電平變頻器的輸入、輸出波形好，對電網(wǎng)的諧波污染小，輸出適用普通電動機，近幾年來發(fā)展迅速，在我國得到廣泛應用，尤其在風機水泵等節(jié)能領(lǐng)域，幾乎形成壟斷的態(tài)勢。在濟鋼第三煉鋼廠1#精煉除塵高壓電機為電壓等級為10kV的普通籠型異步電動機，單元串聯(lián)多電平電壓源型變頻器是最合適的選擇。
單元串聯(lián)多電平電壓源型變頻器由西門子羅賓康公司發(fā)明并申請專利，取名為完美無諧波變頻器。由于羅賓康公司的專利申請僅在美國，在我國該技術(shù)屬于公知技術(shù)，北京利德華福生產(chǎn)的高壓變頻器也是采用這種結(jié)構(gòu)。除了上述兩家外，國內(nèi)外有山東新風光、上海艾帕、合康億盛、湖北三環(huán)、廣州智光等許多廠家生產(chǎn)該類型變頻器。濟鋼經(jīng)多方考察、比較、招標，選用了廣州智光公司生產(chǎn)的高壓變頻調(diào)速工程。
4廣州智光ZINVERT高壓變頻調(diào)速工程的特點
廣州智光ZINVERT系列高壓變頻調(diào)速工程是集當代最先進高壓大功率電力電子控制技術(shù)、微電子技術(shù)、光電通訊技術(shù)、計算機技術(shù)、自動化控制技術(shù)和高電壓技術(shù)等為一體的高新技術(shù)產(chǎn)品，為直接高壓輸出型高壓變頻器，其采用功率單元串聯(lián)技術(shù)，解決了器件耐壓的問題，級間SPWM信號移相疊加，提高了輸出電壓諧波性能、降低了輸出電壓的dv/dt;通過電流多重化技術(shù)降低了輸入側(cè)諧波，減小了對電網(wǎng)的諧波污染；主控制器采用雙數(shù)字信號處理器（DSP）、超大規(guī)模集成電路可編程器件（CPLD和FPGA）為核心，配合數(shù)據(jù)采集、單元控制和光纖通信回路以及內(nèi)置的可編程邏輯控制器（PLC）構(gòu)成工程控制部分。
4.1 智光ZINVERT高壓變頻工程組成與原理
ZINVERT系列高壓變頻調(diào)速工程整體結(jié)構(gòu)上由整流變壓器、功率逆變柜及控制柜組成，實際使用時還可以按照用戶要求配套手動或自動工頻旁路切換柜。
4.1.1 整流變壓器
整流變壓器副邊繞組相互隔離，并采用移相延邊三角形接法，保證工程工作再在20%負載以上時電網(wǎng)側(cè)的功率因數(shù)保持在0.96以上。輸入變壓器實行多重化設計，達到降低諧波電流的目的。輸入功率因數(shù)高，不必采用輸入諧波濾波器和功率因數(shù)補償裝置。以6kV變頻器為例，變壓器的15個二次繞組，采用延邊三角形聯(lián)結(jié)，分為5個不同的相位組。互差12°，形成30脈波二極管整流電路結(jié)構(gòu)，所以理論上29次以下的諧波都可以消除，輸入電流波形接近正弦波�？偟闹C波電流失真可低于1％。
4.1.2 功率單元電氣原理
功率單元主要由三相全橋整流器、濾波電容器組、IGBT逆變橋（H橋）構(gòu)成，同時還包括功率器件驅(qū)動、保護、信號采集、光纖通信等功能組成的控制電路。通過控制IGBT的工作狀態(tài)，輸出PWM電壓波形。其電氣原理如圖1所示。
4.1.3 功率單元的串聯(lián)
ZINVERT系列高壓變頻調(diào)速工程是由多個功率單元經(jīng)過移相串聯(lián)而成。電壓疊加原理類同于“電池組疊加”技術(shù)，以圖2所示的6kV每相六單元串聯(lián)為例，每個單元輸出交流電壓有效值為577V，相電壓即達到3450V，線電壓則為6kV，輸出相電壓諧波量很小，接近于標準正弦波。
圖26kV工程疊加原理圖
4.2 智光ZINVERT高壓變頻控制工程
ZINVERT系列高壓變頻調(diào)速工程的控制采用開環(huán)、壓頻比控制，結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠，主控制部分以雙數(shù)字信號處理器（DSP）為控制核心，輔以超大規(guī)模集成電路可編程邏輯器件（CPLD和FPGA）、模擬輸入和模擬輸出（AI/O）單元、數(shù)字量輸出接口（DI/O）。人機界面由大屏幕漢化液晶顯示器（LCD）、數(shù)碼管顯示（LED）和觸摸按鍵組成。單元的控制部分以可編程器件（CPLD）為核心，配置專用的IGBT驅(qū)動和保護模塊與輸入電壓、輸出電流、直流電壓、器件溫度檢測回路。主控制部分和單元控制部分的控制信號通過光纖進行信號傳輸，有效地避免了電磁干擾，保證了工程控制信號傳輸?shù)目煽啃浴?br>4.2.1 控制策略
ZINVERT系列高壓變頻調(diào)速工程采用輸出壓頻比控制方式，根據(jù)異步電動機的穩(wěn)態(tài)數(shù)學模型，只要保證電動機反電動勢和定子頻率比值恒定，就可以使電機運行在額定磁通的情況下，達到效率最優(yōu)點。同時，在忽略定子電阻和漏感的情況下，電機的反電動勢等于定子端電壓。由于反電動勢難以直接控制，所以在近似的情況下，采取保證電機端電壓和定子頻率比值恒定的策略。ZINVERT系列高壓變頻調(diào)速工程在恒壓頻比控制的基礎(chǔ)上，提供兩種類型V/F曲線，兩種基本的V/F曲線如圖3所示。由用戶根據(jù)現(xiàn)場情況設置功能參數(shù)，選擇合適的V/F曲線，以補償定子電壓，并根據(jù)負載類型選擇效率更優(yōu)的曲線。工程專門設計的單元直流母線檢測回路，能夠?qū)崟r提供各個單元的直流母線電壓值，及時修正調(diào)制系數(shù)，進一步提高工程的控制性能。對于風機類負載，這種控制方式提供了足夠高的精度，若采用PID控制頻率，則完全滿足工藝現(xiàn)場對流量、壓力的要求。
圖3三種基本的V/F曲線
4.2.2 掉電再啟動
用戶的高
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