盧 勇 李雅翔

（1.中石化催化劑公司長嶺分公司；2.天華化工機械及自動化研究設(shè)計院有限公司）

中石化催化劑公司長嶺分公司的新老基地各有一套空壓站裝置，共有8 臺離心式空氣壓縮機， 其中流量200m3/min 的5 臺，100m3/min 的3臺；200m3/min 的壓縮機電機功率在1 280kW 以上，100m3/min 的壓縮機電機功率在670kW 左右；老基地采用6kV 電壓供電， 新基地采用10kV 電壓供電。 兩地空壓站壓縮機組在運行過程中相繼出現(xiàn)一級振動波動的情況，在每臺機組上都有不同程度的表現(xiàn)，其中老基地1 號機和5 號機尤為突出，1 號機振動波動的頻次和振幅逐年加劇，并且造成機組大齒輪和軸承的損壞，導(dǎo)致設(shè)備故障停運；5 號機在新機調(diào)試時即出現(xiàn)高振動，無法正常投用。 針對以上情況，筆者分析了導(dǎo)致該現(xiàn)象的直接原因，并提出處理措施。

1 故障現(xiàn)象

機組一級振動出現(xiàn)波動。 老基地5 臺壓縮機機組的振動波動均出現(xiàn)在一級，5 臺壓縮機都是三級壓縮， 雖然3 號機組的轉(zhuǎn)子分布與其余機組轉(zhuǎn)子分布有些不同（3 號機是一級、二級共一根軸，三級為獨立的軸，其余機組均是一級為獨立的軸，二級、三級共一根軸），但其波動也出現(xiàn)在一級。 另外，波動的幅度均超過3μm，例如：1號機組一級振動正常情況下為5μm， 波動時為14μm， 有時甚至高達(dá)22μm 以上；2 號機組和5號機組波動的幅度也差不多；波動出現(xiàn)后，持續(xù)時間短的在1～2min 后恢復(fù)正常， 時間長的在30min 左右后恢復(fù)正常。

監(jiān)測頻譜均為26Hz 左右。 機組出現(xiàn)波動時，對其振動頻譜進(jìn)行捕捉，測量振動突變時的頻譜均為26Hz 左右，壓縮機廠家也對機組進(jìn)行監(jiān)測，1 號壓縮機出現(xiàn)高振動時的轉(zhuǎn)速為1 532r/min（電機轉(zhuǎn)速為2 970r/min），5 號機出現(xiàn)高振動時的轉(zhuǎn)速為1 546r/min，二者非常接近。

高振動時， 捕捉到的頻譜和波形如圖1 所示。在轉(zhuǎn)速為1 550r/min 時，1 號機的幅值波動情況如圖2 所示，5 號機的幅值波動情況如圖3 所示，可以看出在轉(zhuǎn)速1 550r/min 左右時有幅值突然升高的波形。

振動突變造成大齒輪軸承甚至大齒輪的損壞。 長期振動最終會造成大齒輪的損壞，圖4 中大齒輪的一個齒已經(jīng)崩掉一塊，圖5 則是高振動后大齒輪靠電機一側(cè)的軸承磨出了金屬絲。 而且振動突變的情況會隨著設(shè)備的持續(xù)運行加劇，振動的頻次會越來越高， 振動的幅值也會越來越大，從1μm 到20μm 以上，直至報警停機，而且?guī)着_機組的狀況極為相似。

圖1 高振動捕捉到的頻譜

圖2 1 號機的幅值波動情況

圖3 5 號機的幅值波動情況

圖4 大齒輪出現(xiàn)崩齒

圖5 大齒輪靠電機一側(cè)的軸承磨出了金屬絲

2 原因分析

2.1 現(xiàn)象分析和故障甄別

從頻譜的監(jiān)測結(jié)果和故障現(xiàn)象來看，該故障出現(xiàn)在頻率26Hz、 轉(zhuǎn)速1 540r/min 的工況下，此時頻率特征為0.5 倍基頻，轉(zhuǎn)速約為電機轉(zhuǎn)速2 970r/min 的0.5 倍。

轉(zhuǎn)動機械常見故障有轉(zhuǎn)子形變和缺損或轉(zhuǎn)子不對中；轉(zhuǎn)子配合不好、連接松動或摩擦。 出現(xiàn)在0.5 倍基頻附近的故障類型通常是油膜渦動、油膜振蕩、喘振、旋轉(zhuǎn)失速、密封和間隙動力失穩(wěn)。

針對以上幾種故障類型，對壓縮機組進(jìn)行檢查，并更換相應(yīng)部件。 通過對油封、油路的檢查排除油膜渦動、油膜振蕩的可能。 更換了壓縮機的高/低速轉(zhuǎn)子和大齒輪， 但故障現(xiàn)象并未消除，所以排除密封和間隙動力失穩(wěn)的可能。 由于設(shè)備喘振現(xiàn)象非常明顯，在現(xiàn)場就可以通過聽設(shè)備發(fā)出的異常響聲來判斷喘振現(xiàn)象，所以通過分析故障現(xiàn)象和頻譜特征來排除頻率不符合的故障類型，最終認(rèn)為發(fā)生這種故障是因為設(shè)備出現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)失速。

2.2 導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)失速的原因分析

旋轉(zhuǎn)失速的頻率通常為（0.4～0.6）×R（其中R為電機轉(zhuǎn)動頻率），頻率f與轉(zhuǎn)速n的關(guān)系為f=n/60，測量數(shù)據(jù)符合監(jiān)測結(jié)果，判斷發(fā)生旋轉(zhuǎn)失速的可能性很大。

旋轉(zhuǎn)失速通常是氣流變化造成的。 因此，最初多從機械本身、氣流通道腐蝕等方面分析造成旋轉(zhuǎn)失速的原因，先后更換壓縮機的轉(zhuǎn)子，檢查進(jìn)氣流道，修復(fù)擴壓器和壓縮機蝸殼，但均無法消除振動現(xiàn)象。

在排除了壓縮機機組的機械故障之后，對各臺機組振動情況進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測和觀察，發(fā)現(xiàn)機組振動與供電存在關(guān)聯(lián)。 5 臺空壓機電機所用的6kV 高壓電均來自同一高壓室，其中1 號、3 號、5號壓縮機連接在1#母線上，2 號和4 號壓縮機連接在2#母線上，如圖6 所示。

圖6 壓縮機組的接線情況

出現(xiàn)這類故障頻次較高的是1 號壓縮機和5 號壓縮機，1 號、3 號和5 號壓縮機的供電均在1#母線上， 考慮到3 號壓縮機的功率較低（670kW），1 號壓縮機和5 號壓縮機功率為1 280kW，3 號壓縮機故障頻次較低也可以理解；2 號壓縮機和4 號壓縮機在2#母線上，振動頻次較低。為了驗證以上分析，將5 號壓縮機和2 號壓縮機的電纜對調(diào)， 發(fā)現(xiàn)2 號壓縮機出現(xiàn)高幅振動頻次上升，5 號機高幅振動頻次減少，然后將2 號壓縮機的供電移至2#母線上的一個備用柜上，5 號壓縮機用2 號壓縮機的高壓柜。 5 號壓縮機電纜調(diào)換后，高幅振動頻次明顯減少，與2 號壓縮機相當(dāng)，這進(jìn)一步驗證了此類振動現(xiàn)象與供電有關(guān)。 呈現(xiàn)的故障現(xiàn)象是旋轉(zhuǎn)失速，而其原因在于供電系統(tǒng)。在供電系統(tǒng)的后臺監(jiān)控發(fā)現(xiàn)了壓縮機振動與供電的關(guān)聯(lián)， 當(dāng)同處在1#母線的04# 柜和12# 柜的各次諧波電流較高時，1 號壓縮機和5 號壓縮機振動出現(xiàn)波動，1#母線的各供電柜監(jiān)控不到諧波電流時，設(shè)備能平穩(wěn)運行， 圖7 為后臺監(jiān)控壓縮機組諧波情況的界面。

圖7 后臺監(jiān)控壓縮機組的諧波情況

2.3 諧波畸變與壓縮機振動的關(guān)系

諧波造成電網(wǎng)污染，使供電設(shè)備出現(xiàn)異?，F(xiàn)象和故障的情況越來越頻繁，在與壓縮機生產(chǎn)廠家的交流中了解到，在煉鋼廠等電網(wǎng)污染較嚴(yán)重的企業(yè)，正弦電壓波形畸變形成的電網(wǎng)諧波對大型用電機組造成危害是一種普遍現(xiàn)場。 中石化催化劑長嶺分公司也因為電加熱設(shè)備的逐年增加，造成用電設(shè)備出現(xiàn)異?，F(xiàn)象的情況增加，兩個基地的空壓機分別采用6、10kV 供電， 諧波對壓縮機的影響主要是增加驅(qū)動壓縮機的異步電動機的附加損耗、降低效率，嚴(yán)重時使電動機過熱。 尤其是負(fù)序諧波在電動機中產(chǎn)生負(fù)序旋轉(zhuǎn)磁場，形成與電動機旋轉(zhuǎn)方向相反的轉(zhuǎn)矩， 起制動作用，從而減少電動機的“出力”。

諧波對轉(zhuǎn)動機械最常見的影響，是在電動機和傳動裝置組合的加速和運行時，諧波電流產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，從而激勵機組產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)諧振。

在6、10kV 電網(wǎng)，電壓總諧波畸變率在4.0%左右，通過監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，造成壓縮機振動的諧波值并不高，諧波畸變率沒有超過國家標(biāo)準(zhǔn)，在壓縮機自身的供電柜甚至看不到明顯的諧波畸變，當(dāng)04# 柜和12# 柜出現(xiàn)明顯的諧波時， 在1#壓縮機、5#壓縮機所處的11# 柜和09# 柜看不到諧波電流。 另外，扭轉(zhuǎn)諧振的諧振頻率應(yīng)與壓縮機振動的頻率一致，但事實上，壓縮機振動頻率始終為26.6Hz，而不是相應(yīng)的諧波頻率。

這些結(jié)果又證明諧波的確造成了壓縮機的振動，說明監(jiān)測到的頻譜是旋轉(zhuǎn)失速的頻率而非扭轉(zhuǎn)諧振的頻率，諧波畸變并未直接造成壓縮機出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)諧振，而是因附加力矩的出現(xiàn)造成了壓縮機的旋轉(zhuǎn)失速。

3 處理措施

為了解決以上問題，提出相應(yīng)的處理措施：

a. 通過增加3 臺電力有源濾波器，減少母線上存在的諧波污染。 有源濾波是一種用于動態(tài)抑制諧波、補償無功功率的電力電子裝置。 它自身就是諧波源，依靠電力電子裝置，在檢測到系統(tǒng)諧波的同時， 生成與電網(wǎng)諧波電流幅值相等、極性相反的補償電流并注入電網(wǎng)，對諧波電流進(jìn)行補償或抵消，主動消除電力諧波。 有源濾波除了濾除諧波外，同時還可以動態(tài)補償無功功率。 其優(yōu)點是反應(yīng)動作迅速，濾除諧波可達(dá)95%以上。

b. 改變電加熱爐的控制方式，將周波調(diào)功方式改變成周期調(diào)功方式，減少諧波產(chǎn)生頻次。 目前，中石化催化劑公司長嶺分公司電加熱器的功率調(diào)整器采用的是KY-ZB3 型周波觸發(fā)器和PAD36 三相電力調(diào)整器，調(diào)整器都有周波調(diào)功的方式和周期調(diào)功方式可以選擇，切換至周期調(diào)功方式后，諧波頻次降低，電源污染較小。 之后，對新老基地的電加熱爐控制方式都進(jìn)行調(diào)整。 治理后，供電系統(tǒng)在電加熱爐啟動運行時，壓縮機的振動頻次大幅減少，壓縮機得以正常運行，系統(tǒng)的工藝用風(fēng)和儀表用風(fēng)正常。

4 結(jié)束語

諧波對轉(zhuǎn)動設(shè)備的影響通常是對電動機本身的影響，對其他轉(zhuǎn)動部件的影響并未引起足夠的關(guān)注。 通過諧波對壓縮機產(chǎn)生異常振動情況的分析發(fā)現(xiàn)， 隨著近年來機械加工水平的不斷提高，轉(zhuǎn)動設(shè)備的精度也越來越高，這種異常振動其實對電動機本身的危害并不大，反而對壓縮機組的轉(zhuǎn)動部件造成了嚴(yán)重的危害，后臺的監(jiān)測數(shù)據(jù)也表明，產(chǎn)生的附加轉(zhuǎn)矩最終造成壓縮機旋轉(zhuǎn)失速的諧波幅值并不大，甚至在國家標(biāo)準(zhǔn)的范圍內(nèi)，但卻會影響到空氣壓縮機的穩(wěn)定工作，最終造成機組的損壞。

通過狀態(tài)監(jiān)測手段，對壓縮機組出現(xiàn)的異常振動進(jìn)行分析研究，排除了機械、潤滑等原因之后鎖定了供電系統(tǒng)的問題，最終確定是電網(wǎng)諧波造成了壓縮機的異常振動。 而公司電加熱爐的增多是電網(wǎng)諧波增加的主要原因，電網(wǎng)諧波的出現(xiàn)對系統(tǒng)電網(wǎng)是一種污染，它使用電設(shè)備所處的環(huán)境惡化。 電加熱設(shè)備的控制電路是諧波的主要來源，對系統(tǒng)電網(wǎng)的污染不容小覷。 進(jìn)行了電網(wǎng)諧波治理后，基本消除了這類設(shè)備故障，為裝置的“安、穩(wěn)、長、滿、優(yōu)”運行提供了保證。