丙烯压缩机主电机冷却器风机运行超电流和振动超标诊治.pdf

171电力工程技术引言大榭石化馏分油综合改扩建项目160万吨/年芳烃装置，受制于园区配套的不完善，无法提供足量蒸汽和本厂自身没有热电工厂自产足量蒸汽的条件限制，设计装置单机最大负荷的丙烯制冷压缩机组驱动形式唯一选择电动机，电动机的运行稳定性较纯机械类型的汽轮机低，大型电机的制造难度大。特别是防爆型电机的机身冷却问题也是一大难题，大型电机的启动也是电气专业的一大难题。在设计调节驱动转速问题上犯难，变频器与可调速耦合器都没有石化行业超大型机组调速的成熟案例可供参考，最终结合投资额、节能与调节便利性等诸多因素比对，选用变频器带电动机运行调速方案。相比传统汽轮机驱动方案，我公司选用国产变频器带国产电动机驱动大功率压缩机方案是大型炼化行业首套创新驱动方案，同时很好的响应习近平总书记“深海一号”重要指示精神。开工过程发现的振动超标也是新的课题，就实际处置过程与结果与同行分享经验。一、驱动方案设计选型简介围绕着芳烃装置丙烯压缩机组成套方案问题，公司自2019年9月份开始与设计单位开展多次线上线下密切交流和对接，各方就安全、稳定、经济性存有不同观点，至方案的最终确定持续时长超过一年有余。芳烃装置丙烯压缩机组是装置内最大功率单套设备，是核心中的核心设备，仅为单机组设计，一旦故障停运，装置只能停工停料。其稳定运行关乎装置全流程。石化行业在之前的设计选用上多为较成熟的汽轮机驱动方案。汽轮机的纯机械特性是经过各大炼厂验证，其稳定性能够适应机组长周期运行的工况要求，保障设备与装置大修同步检修的生产目标，但因其大功率，大扭矩对应的能耗也是极大的，启动与正常运行的电流值也是很大差别。近年也出现了较多企业的单一装置受制于配套的不完善原因，为避免蒸汽受制于外单位供应的不稳定性，较多的在中型机组或可以随停而不影响装置安全生产的机组上选用变频器带电机驱动方案，变频器不但选用进口品牌，且多作为一带多启动电机用，实际机组的转速调节采用机械或油液压力调节的方案；也有A/B机互备设计方案将变频器用于日常运行调频节能的方案，除增加了一次投资成本外，很好的兼顾了稳定性与节能问题。我单位160万吨/年芳烃装置丙烯制冷压缩机组驱动选型因自身与周边企业供蒸汽不足，废除了汽轮机驱动方案，唯有转向其他驱动与控制方案，经多方调研国内石化与供气站等较多企业，在变频器启动加耦合器调速与变频器驱动调速方案中最终经公司领导会议决策后，选择变频器驱动调速方案。即变频器电机压缩机成套方案，压缩机运行所需的实时转速通过仪表控制系统计算给定变频器调节频率实现。经公司上下努力，在开工调试过程中解决一系列问题，最终于2023年3月投运该机组，目前稳定运行。二、单变频器的自身稳定性特殊设计丙烯压缩机组是芳烃装置单台套重要设备，机组的意外停运将导致装置停工。变频器由众多电子元件组成，电子元件的故障是不确定的，对环境的要求又极高，变频器存在故障意外停机的极大可能。为减少故障停机的频次，在设计选用变频器驱动时，我们着重设计机组主要运行频率在接近50Hz公频模式，在变频器配置中着重增加变频/工频上下切换功能，一旦运行中的变频器出现元件故障等报警小故障，可通过调整负荷将机组工况调整至接近工频的工况，而后通过切换功能将电机切换至工频运行；变频器功率模块也是变频器极易发生故障的点位，我们在采购中，要求厂家对功率模块设置n+1冗余，在单模块故障情况下，仅输出报警信息，将丙烯压缩机主电机冷却器风机运行超电流和振动超标诊治陆杰中海石油宁波大榭石化有限公司机械动力部【摘要】主要就大榭石化芳烃装置丙烯压缩机主电机冷却器配套强排风机运行超额定电流和振动超规范标准案例的探究和整治经验，就公司机组成套选型和IC86W型冷却器结构、降温原理、振动原因分析与整治过程等供炼化同行经验交流与分享。【关键词】强排风机；超额定电流；振动；规范标准【DOI】10.12316/j.issn.1674-0831.2023.17.057172电力工程技术故障模块切为旁路工作模式，切除单个模块并不影响机组全功率输出运行，变频器仍能维持正常运行工况；变频器设置A/B双主控板冗余模式，备用控制板实时同步运行控制板参数，在运行板件故障时，可无缝切换至冗余板件正常运行。以上三大举措极大的增加了变频器自身稳定性，减少自身故障导致机组停运问题的发生概率。三、电动机参数与设计方案简介纵观工厂已有装置用机泵，常见小型电动机以空冷制冷型异步电机居多，常见中型电动机开始配套背包式空气冷却器，再往上功率电机则采用背包式空水冷冷却器，部分隔爆型调速电机采用轴向增加独立排风扇冷却方式以达到有效散热的目的。对于制约大型电机散热问题，常规空水冷电机设计定子外壳呈长方体结构，上端装设背包式空水冷却器。定子上部中间位置设置通风孔道，两侧与壳体间预留气流主通道，定子内部轴向设置通风槽，转子外侧轴向同样设置通风槽，转子两端设置内风扇。电机运行时，由两侧的内风扇向定子和转子通风槽送风至中间孔道向上送风，热风进入空水冷却器与翅片管散热器进行热交换降温，降温后的气体受负压向冷却器两侧流通，重新回流到转子两侧的内风扇位置。电机内部形成两个气流通道。冷却器翅片管为U型设计，提供一定压力的水流量，经换热后，管内循环水温度升高外排达到带走电动机运行中产生热量而升高机身温度的目的。丙烯压缩机组配置电机额定功率30GW，为炼化超大型驱动电机，机组所处环境为爆炸性气体IIC区，两者增加了电机制造难度。本机组配套的制造厂拥有同类项目业绩，具备大型电机制造的成熟经验。实际供货电机为TZW30000-4型带正压吹扫的防爆交流调速同步电动机。额定功率为30GW、额定电压为10kV、额定电流为1752A、安装型式为IM1001、绝缘等级为F、防护等级为IP55、冷却方式为IC86W。本电机采的IC86W冷却方式，即背包式空水换热冷却强制气体自循环冷却系统，目的在满足防爆要求的前提下，通过强制性的内部气体循环系统将电机内部热量循环带到背包冷却器表面，通过与冷却器中的翅片管水冷系统实现热交换，经过交换后的热水由循环管线带出热量，这样，电机正常运行在稳定温度区间而不至于出现高温异常状况。强制空水循环冷却系统是专门针对变频调速电机而增加的特殊设置。较背包式空水冷却器在外形上来看，在主电机前后轴方向各增加了两台独立排风扇。为此，冷却器内部除中间安装的水冷器以外，实际在两侧各增加了一道刚性挡板，将冷却器内部空间进行了三段分割。风机安装在两侧空间内部，与侧板外的风扇电机采用直连方式，电机驱动带动风机旋转，电机设置T型安装的刚性底座与冷却器外壁饶性固定螺栓连接，风机的主要作用是从中间腔引风，而后通过离心力侧面出风，压入定转子通风槽，带着从通风槽里吸收的热量返回到冷却器翅片管处进行换热，在主电机运行期间，冷却系统要周而复始工作排出主电机的工作热量以便其工作在一定温度区间。四、风机试机超电流与振动超标的处置1.冷却风机空试超电流问题排查与处置主电机试机的前置条件是冷却风机运行正常，单试冷却风机过程发现：启动单台或对侧各开一台，电机运行电流正常无超限。当启动第三台风机或四台同时启动时，风机运行电流攀升超额定电流，控制回路开关过电流保护动作，风机停运。对此问题，在现场调试过程中，我们首先采取调整启停风机顺序方案，经多次调试核实，超电流原因非电机本身原因。经进一步分析验证，确认超电流原因为风道循环不畅通的原因导致，风机下压排风受转子定子间气隙影响，只能工作在一定压力下，而风机风页到货为轴对称垂直式，四台同开工况风道循环阻力增大，导致风扇与电机间形成小马拉大车效应。对于超电流问题的解决初始方案为，在现场采取切割风机引风挡板以减少引风量的方案。原设计风机引风挡套入电机空冷器中间腔出风口，风机运行时，其进风完全来自冷却器中间腔。将风挡切割缩短后，部分引风来自空冷器侧腔。相当于工艺泵开回流阀模式，减少了风扇工作时的循环风压。采取切割风挡措施后，试运风机电流保持额定工况内，确认方案有效。但因存在引风自回流措施，降低了侧腔在正常工作时的压力，且存在风的回流问题，引起次生的冷却风机振动值上升。风冷系统不能有效工作在标准工况下，势必在主电机运行时降低冷却效果，导致主电机温度升高进而导致机组无法正常运行的严重后果。现场处理已经没有更好选择，只有寻求设计和制造厂的协助，在设计确认方案无误，在生产厂核实电机自身无故障、系统循环自身无故障前提下，电机厂核实设计参数后认为超电流问题还是在风机制造问题上。最终由风机厂重新制造风机，调整出风叶片由原来的0度对心改为倾斜15度对心夹角。修改风叶倾斜角并恢复引风挡至初始安装，与内挡引风口完全衔接的状态后，现场调试四台风机无论是单开一台，对开一台、任意开三台或173电力工程技术全开四台工况，每台风机不超额定电流，冷却器与电机自身间的风冷循环系统恢复正常循环状态。2.冷却风机空试振动超标问题排查与处置（1）风机振动超标情况说明。在解决了试运初期的风机运行超额定电流问题以后，试运四台风机同时运行工况，测试各电机振动值（mm/s）：1号负荷端0.2、后轴侧5.3；2号负荷端1.0、后轴侧4.2；3号负荷端3.5、后轴侧13.7；4号负荷端3.0后轴侧9.3。现场先从紧固着手，重新调整紧固螺栓并核实安装上下左右位置对位准确。经紧固调整固定螺栓后，多次测试振动值未见明显改善，超过采购主协议、分协议以及国家现行规范标准要求和行业标准要求。（2）振动标准判据。查询大榭石化与某制造厂间签订的主技术协议，要求电机振动不超国家标准（GB/T 100682020）规范内规定的2.8mm/s，是指主电机和电机附属的风机均不得超该标准要求。在与制造厂签订的协议中特别要求了冷却器厂制造完以后需与主电机一并组装后做出厂试验，出厂试验按照成套组装方案进行。而主机厂在与冷却器厂家签订的协议中描述为，试验测试风机运行时候的振动最大值不能超过6.3mm/s，这个标准是由制造厂私自修改降低，所依据的是风机为挠性安装方式。查询机械行业标准规范JB/T 86892014要求，通风机以挠性支撑安装方式的最大振动值不超7.1mm/s。而上述电机振动值，特别是后轴侧的振动值最大值接近要求限值的2倍，专业多次追问主机厂是否按要求做过出厂试验，侧面了解其出厂试验为分体试验，并未做整机试验。第一，厂家初步判断风机与电机整体装配问题，在现场多次拆检拼装，采取调整风机与电机的配对，单独测试振动值在正常范围内，回装置冷却器后振动超标；现场更换整机的安装位置后振动值依然超标。现场能够做的办法用尽以后，无奈做出返厂整改的决定。第二，返厂后的排查。空冷器整体上试验平台测试风机振动依然超标，临时对壳体加固后振动值稍有降低，加固外壳后测试外壳振动依然存在。检查冷却器内部构造与运行机制，判断为中间腔体与两侧间的隔板壁厚偏薄可能性较大，风机运行期间内部隔板刚性不够，发生谐振，而该隔板与冷却器外壳采用支撑件焊接连接，运行过程内部挡板的振动通过支撑件与外壁相连形成共振传导作用于安装在侧板上的风机电机上。厂家按照整改隔板刚性和整改隔板与外壁刚性连接的方案，在外壁两侧加焊加强筋，提高壳体刚性，在隔板与外壁间加焊刚性支撑件焊接，围绕引风口周边，在内隔板加焊支撑件，在两侧外壁顶部加焊支撑件。采取共计四项措施后，冷却器整体上试验台测试外壳振动得到极大改善，全开状态测试电机振动值最大1.5mm/s，验证了排查方向与处置方法正确，后又进一步对内侧挡板刚性进行了加强处理，而后重新除锈喷漆后上试验台做出厂试验合格。冷却器返回现场与电机整机安装后单试数据优秀，在之后的整机运行测试中，振动数据无大变化。振动超标问题得到彻底解决。五、总结鉴于国内采购招标多以最低价中标方式，厂家为达到盈利与业务双赢，往往在制造材料选型上选用较低标准，以节省制造成本。这对使用者来说是很不利的，购买方需要做到在采购过程中尽量选用较高国家或行业标准予以约束。因该电机的采购与到货是在此前新冠疫情期间，我方技术人员虽然在要求上明确了对出厂试验的要求，并明确了由甲方参与出厂试验见证。实际在厂家通知时候并未真正到现场去参与见证，这是导致后来到厂调试发生一系列问题的原因所在，如能提前参与质量控制并出厂验证，及时发现问题并在出厂前予以处理是为更好。其中也有厂家习惯了疫情原因，购买方虽然予以要求了，多数不参与实际出厂试验的侥幸心理。同时，这也进一步给我们电气专业敲响警钟，往往电机的采购都由主机厂成套，采购时候以设备专业对接为主，而电气专业只是间接参与。建议专业今后提前介入并重视起来，对这类重要设备，如能参与出厂见证的一定要参加，参加不了的，到货后要提前开展调试工作，避免后面工期紧张以后，压力全部落到电气专业身上。另外，一个技术上的建议是，我们都知道二极电机是三相异步电机中转速最高的系列产品。而因为其高转速的特性，在控制振动值上需要下更大的成本才能实现。加之该电机是为主电机的辅助设备，非刚性支撑座，更加大了制造的难度。而转速较低的四极或六极电机运行转速降低很多，相对应的振动值也会小上很多。当然该机组因受设计风量、风压要求的限制，仅能选用二极电机也是其中的因素之一。参考文献：1林如军.电机与电器检修M.机械工业出版社，2016.2才家刚.电机故障诊断及修理M.机械工业出版社，2019.作者简介：陆杰（1982），男，汉族，浙江台州人，本科，电气工程师，研究方向：电力系统及电气设备设施的完好性管理。