某1.6×106 m3/h冷卻塔風(fēng)機(jī)振動(dòng)原因分析及對(duì)策

林萬(wàn)洲

（中國(guó)石油西南油氣田川東北作業(yè)分公司 達(dá)州 636164）

某處理量火900×104m3/d的天然氣凈化廠循環(huán)水單元共設(shè)置2座GNZF-2000玻璃鋼結(jié)構(gòu)冷卻塔，單座冷卻塔標(biāo)準(zhǔn)水量火2 000 m3/h，各配備1臺(tái)L型風(fēng)機(jī)進(jìn)行冷卻，其參數(shù)和結(jié)構(gòu)見(jiàn)表1、圖1。2020年大修以前，CF-072701A電機(jī)變頻控制在33.5 Hz以下，CF-072701B電機(jī)變頻控制在40 Hz以下，即2臺(tái)風(fēng)機(jī)處于非滿負(fù)荷狀態(tài)同時(shí)運(yùn)行就能滿足裝置需求。2020年產(chǎn)品氣質(zhì)量升級(jí)和尾氣治理改造完成后，主裝置換熱設(shè)備增多，循環(huán)水用量增大，加之到夏天時(shí)，受氣溫上升影響，需進(jìn)一步提升風(fēng)機(jī)負(fù)荷，方能滿足循環(huán)水≤32 ℃的要求。但在風(fēng)機(jī)負(fù)荷提升過(guò)程中，隨著轉(zhuǎn)速的升高，當(dāng)電機(jī)變頻超過(guò)以上控制值時(shí)，涼水塔風(fēng)機(jī)平臺(tái)、風(fēng)筒、減速器出現(xiàn)振動(dòng)超高，甚至觸發(fā)位于風(fēng)機(jī)減速器機(jī)殼上振動(dòng)探頭聯(lián)鎖。

圖1 冷卻塔風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)圖

表1 循環(huán)水冷卻塔風(fēng)機(jī)參數(shù)

1 振動(dòng)分析

火查找風(fēng)機(jī)振動(dòng)超高的根本原因，對(duì)CF-072701A做升速測(cè)試，使用專業(yè)的Commtest Vb7雙通道振動(dòng)分析儀進(jìn)行振動(dòng)檢測(cè)，振動(dòng)測(cè)點(diǎn)已括電機(jī)非驅(qū)動(dòng)端軸承M1，電機(jī)驅(qū)動(dòng)端軸承M2，風(fēng)機(jī)減速器高速軸軸承HS，減速器低速軸軸承LS，如圖2所示，并在在線振動(dòng)探頭旁機(jī)殼上安裝探頭。檢測(cè)未見(jiàn)減速箱軸承及齒輪故障，主要振動(dòng)頻率火轉(zhuǎn)子工頻振動(dòng)。

圖2 振動(dòng)測(cè)點(diǎn)示意圖

1.1 軸系臨界轉(zhuǎn)速

本次測(cè)試電機(jī)轉(zhuǎn)速范圍火798～1 396 r/min，共采集11組不同轉(zhuǎn)速下的機(jī)組振動(dòng)數(shù)據(jù)（見(jiàn)表2），由于其他測(cè)點(diǎn)并無(wú)異常，在此公列舉HS水平和在線探頭附近2個(gè)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。在該轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)，機(jī)組振動(dòng)幅值出現(xiàn)一次明顯“拐點(diǎn)”，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速接近1 145 r/min時(shí)，高速軸軸承測(cè)點(diǎn)水平振動(dòng)達(dá)17.6 mm/s rms，主要頻率成分火電機(jī)轉(zhuǎn)頻1×。該測(cè)點(diǎn)水平方向波德圖如圖3所示，可見(jiàn)1×幅值在1 145 r/min附近明顯增大，偏離該轉(zhuǎn)速則明顯下降，且振動(dòng)相位發(fā)生180°變化，疑似轉(zhuǎn)子軸系在1 145 r/min附近過(guò)臨界轉(zhuǎn)速。當(dāng)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速至1 396 r/min運(yùn)行時(shí)，因在線振動(dòng)探頭聯(lián)鎖（7.1 mm/s），未能進(jìn)一步提速采集數(shù)據(jù)，此時(shí)風(fēng)筒振動(dòng)強(qiáng)烈。臨界轉(zhuǎn)速指當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到某一數(shù)值后，振動(dòng)就大得無(wú)法繼續(xù)工作，有理論分析證明只要在振幅還未上升到危險(xiǎn)程度時(shí)，迅速提高轉(zhuǎn)速，越過(guò)臨界轉(zhuǎn)速點(diǎn)后振幅會(huì)降下來(lái)[1]。

圖3 HS測(cè)點(diǎn)水平方向振動(dòng)速度波德圖

表2 機(jī)組振動(dòng)速度

1.2 風(fēng)筒共振

火查明風(fēng)筒劇烈振動(dòng)的原因，在風(fēng)筒上北、西、南、東方位依次設(shè)1～4測(cè)點(diǎn)，調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速做升速測(cè)試，記錄1 197～1 388 r/min范圍內(nèi)8組不同轉(zhuǎn)速下風(fēng)筒各點(diǎn)和電機(jī)軸承的振動(dòng)速度值，振動(dòng)趨勢(shì)變化如圖4所示。從圖中可見(jiàn)，隨著轉(zhuǎn)速提升，電機(jī)兩端軸承振動(dòng)趨勢(shì)穩(wěn)定，無(wú)明顯變化；風(fēng)筒1～4測(cè)點(diǎn)振動(dòng)值先呈上升趨勢(shì)再下降，其中測(cè)點(diǎn)2在電機(jī)轉(zhuǎn)速1 315 r/min時(shí)，振動(dòng)值最大達(dá)49 mm/s rms。測(cè)點(diǎn)2振動(dòng)速度譜圖（如圖5所示）中，可見(jiàn)其主要振動(dòng)頻率成分火13.85 Hz。風(fēng)機(jī)葉片通過(guò)頻率BPF=n×N/（i×60），其中n火電機(jī)轉(zhuǎn)速，N火風(fēng)機(jī)葉片數(shù)，i火減速比，經(jīng)換算，BPF=13.78 Hz，因此可認(rèn)火測(cè)點(diǎn)2的主要振動(dòng)頻率成分火葉片通過(guò)頻率BPF。利用膠錘對(duì)風(fēng)筒做敲擊試驗(yàn)，結(jié)果顯示風(fēng)筒固有頻率約火13.25 Hz（如圖6所示）。因風(fēng)筒由10件大小不同的分塊組成，其連接剛性也不同，不同部位的敲擊試驗(yàn)顯示的固有頻率也略有差異，測(cè)得的13.25 Hz可能略有偏差。因風(fēng)筒固有頻率與葉片通過(guò)頻率相近、重合，判斷當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速在1 315 r/min附近時(shí)引發(fā)強(qiáng)烈共振。共振是指當(dāng)強(qiáng)迫振動(dòng)頻率與系統(tǒng)的自然頻率一致時(shí)，使得振動(dòng)幅值急劇放大，導(dǎo)致過(guò)早損壞或?yàn)?zāi)難性破壞[2]。風(fēng)筒和風(fēng)機(jī)減速器均固定于涼水塔鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)上，風(fēng)筒的振動(dòng)又會(huì)傳遞至風(fēng)機(jī)。

圖4 風(fēng)筒振動(dòng)趨勢(shì)變化圖

圖5 測(cè)點(diǎn)2振動(dòng)速度譜圖

圖6 風(fēng)筒敲擊試驗(yàn)振動(dòng)速度譜圖

2 解決對(duì)策

2.1 風(fēng)筒加固

風(fēng)筒共振源于風(fēng)筒自身固有頻率與一定轉(zhuǎn)速下風(fēng)機(jī)葉片通過(guò)頻率重合，改變這2個(gè)頻率中的任何一個(gè)，都能避免共振。羅華[3]等人通過(guò)振動(dòng)分析也曾發(fā)現(xiàn)風(fēng)筒共振問(wèn)題，但給出的建議措施可操作性不強(qiáng)，也未能實(shí)施。改變?nèi)~片將影響風(fēng)機(jī)風(fēng)量、風(fēng)壓等參數(shù)的變化，工作量和費(fèi)用也較高，實(shí)際工程應(yīng)用中，一般選擇改造風(fēng)筒。風(fēng)筒的固有頻率公取決于系統(tǒng)本身的物理性質(zhì)（質(zhì)量和剛度）[4]，與其質(zhì)量成反比、剛度成正比，在對(duì)風(fēng)筒利舊的基礎(chǔ)上，增加風(fēng)筒的剛度就能增大其固有頻率。風(fēng)筒由10件周向分布的FRP分塊組成，相互用螺栓連接，連接剛性較差?；鸾鉀Q風(fēng)筒共振問(wèn)題，筆者在風(fēng)筒上口位置增加由δ10鋼板制成的扁鋼環(huán)加強(qiáng)圈，扁鋼環(huán)與風(fēng)筒利用均布的螺栓連接，扁鋼環(huán)分10段均布（每段36°），相互之間采用δ6鋼板制成的搭接板連接，搭接板與扁鋼環(huán)連接螺栓使用扣緊螺母，防止振動(dòng)松脫，如圖7、圖8所示。改變風(fēng)筒固有頻率的其他方式還有制作加厚型的風(fēng)筒[5]，或者選用材質(zhì)剛性更佳的風(fēng)筒。

圖7 風(fēng)筒上口斷面安裝示意圖

圖8 加強(qiáng)圈尺寸圖

2.2 風(fēng)機(jī)檢修

1）檢查各葉片高度，保證葉片安裝位于同一水平面，以減小葉片通過(guò)頻率激振力。檢查發(fā)現(xiàn)部分葉片高度較正常矮12～18 mm，經(jīng)調(diào)整后正常。

2）測(cè)量葉片葉尖至風(fēng)筒內(nèi)壁間隙。經(jīng)測(cè)量，間隙值≈43 mm，各處間隙基本保持一致。

3）檢查復(fù)測(cè)各葉片安裝角，AXZ型葉片測(cè)量位置在距葉尖945 mm處，安裝角22°，允差0.5°。

4）檢查發(fā)現(xiàn)部分葉片外形有開(kāi)裂或布層剝離，更換新葉片并對(duì)葉輪整體做靜平衡。

5）檢查輪轂的腐蝕情況，除銹后檢查有無(wú)裂紋或其他缺陷，必要時(shí)可做PT滲透檢測(cè)，視情況更換，并重新做防腐。

6）檢查傳動(dòng)軸兩端膜片式聯(lián)軸器，尤其是日常不易進(jìn)入塔內(nèi)檢查的靠減速器端聯(lián)軸器，并重新對(duì)中。

7）檢查并疏通葉尖通氣孔。

2.3 優(yōu)化操作

1）中控室調(diào)節(jié)涼水塔風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)，應(yīng)避開(kāi)在電機(jī)轉(zhuǎn)速1 145(1±10%） r/min區(qū)間運(yùn)行，避免軸系過(guò)臨界轉(zhuǎn)速區(qū)間時(shí)共振，即使是在提速過(guò)程中，也應(yīng)迅速通過(guò)該轉(zhuǎn)速區(qū)間。

2）有研究表明，風(fēng)筒振動(dòng)與風(fēng)量呈正比關(guān)系[5]，風(fēng)量越大，激振力越大，風(fēng)筒振動(dòng)越大。在風(fēng)機(jī)葉片角度不變的情況下，轉(zhuǎn)速越大，風(fēng)量越大。因此在能滿足循環(huán)水降溫的前提下，應(yīng)盡可能降低風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速。

3）通過(guò)對(duì)比表2中在線探頭旁測(cè)點(diǎn)與中控顯示在線探頭的振動(dòng)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)在線探頭振動(dòng)值波動(dòng)范圍較大，且測(cè)值較現(xiàn)場(chǎng)測(cè)值大。該探頭火一體化三參數(shù)組合探頭，可同時(shí)監(jiān)控油溫、油位、振動(dòng)，位于減速器機(jī)殼上斜插。現(xiàn)場(chǎng)只將振動(dòng)信號(hào)接入中控，油溫、油位信號(hào)未接入。因在線探頭振動(dòng)測(cè)值偏大，中控監(jiān)盤時(shí)，該測(cè)值公做參考，若發(fā)現(xiàn)有振動(dòng)增大趨勢(shì)或振動(dòng)接近聯(lián)鎖值時(shí)，可通知振動(dòng)監(jiān)測(cè)人員現(xiàn)場(chǎng)測(cè)振獲取實(shí)際值比對(duì)，待大修時(shí)更換火新探頭后才能作火真實(shí)依據(jù)。

2.4 涼水塔改造

產(chǎn)品氣質(zhì)量升級(jí)和尾氣治理改造前，循環(huán)水泵運(yùn)行3臺(tái)，循環(huán)水流量火3 990 m3/h，改造后需啟運(yùn)4臺(tái)循環(huán)水泵，流量超過(guò)5 000 m3/h。2座冷卻塔的額定水量火4 000 m3/h，按廠家要求，運(yùn)行時(shí)最大水量不得超過(guò)額定水量的20%，即4 800 m3/h，且只能短時(shí)間運(yùn)行。當(dāng)長(zhǎng)期超額定水量運(yùn)行時(shí)，除會(huì)過(guò)度沖擊、加速布水器噴頭和填料損壞外，由于逆流式冷卻塔是利用空氣與水的接觸，通過(guò)蒸發(fā)作用來(lái)散去產(chǎn)生的廢熱，因此還會(huì)造成風(fēng)機(jī)抽出的空氣帶水增加，風(fēng)機(jī)的工作環(huán)境惡化，負(fù)荷及平衡狀況都受到影響[6]。既影響風(fēng)機(jī)運(yùn)行，又影響換熱效果。受制于水量，改造現(xiàn)有的冷卻塔難度大，且換熱效果并不一定顯著，因此有必要按照現(xiàn)有裝置循環(huán)水用量重新核算，并考慮一定裕量，增加1座循環(huán)水冷卻塔，以緩解原冷卻塔工作負(fù)荷，降低風(fēng)機(jī)振動(dòng)。

3 結(jié)束語(yǔ)

循環(huán)水冷卻塔風(fēng)機(jī)屬于天然氣凈化廠中的重要設(shè)備，它的連續(xù)、滿負(fù)荷運(yùn)行是保障主裝置區(qū)換熱設(shè)備有效換熱的關(guān)鍵。本文通過(guò)采用振動(dòng)分析的手段，發(fā)現(xiàn)影響循環(huán)水冷卻塔負(fù)荷提升的根本原因，經(jīng)采取風(fēng)筒加固整改、風(fēng)機(jī)檢修和優(yōu)化工藝操作一系列措施后，涼水塔風(fēng)機(jī)基本能實(shí)現(xiàn)滿負(fù)荷運(yùn)行，改善了原來(lái)因風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速提升受限帶來(lái)的涼水塔換熱效果差的局面，本文還從涼水塔改造給出了解決對(duì)策。