多级离心风机振动原因分析及治理

多级离心风机振动原因分析及治理

王慧

南京碳环生物质科技有限公司 江苏 南京 210000

摘要：针对某沼气处理系统中多级离心风机在并联使用的过程中，发生了振动，针对振动状况对振动因素进行了分析和整改实施，并对整改实施后的效果进行跟踪分析，总结了并联离心风机在使用过程中使用过程中的注意事项。

关键词：共振，喘振，不出力

1、前言

离心引风机在沼气处理系统中运行，由于用气设备的运行负荷不同，需要调节风机的运行频率，运行参数会变化，离心风机的运行工况也在不停的变化。当离心风机频率降低，流量不断地减小，减小到 qVmin临界值时，气流在流道中就会出现严重的旋转脱离。流动严重恶化，连续流动的气流就会在叶道中产生脱离， 使气流在叶轮出口处形成间断的团状气流，而在风机出口处的流动会呈现间歇的气流团涌出出口，从而产生振动。由于这种振动呈周期性又有一定节奏的喘息声，这种现象常常被称为 “喘振”。

而机械系统所受激励的频率与该系统的某固有频率相接近时，系统振幅显著增大的现象成为“共振“，共振时的激励频率称为共振频率，近似等于机械系统的固有频率。

2、系统概况

我公司某沼气工程应用中，采用3台风机并联，单台风机的气量为3000Nm3/h，两用一备，为发电机组供气，因发电机需要的气量随着发电量和沼气中甲烷含量的变化而变化，为保证发电机的进气压力稳定，系统需要跟踪风机的出气压力采用变频的方式进行调节，从而保证供气压力稳定。在该工程案例中，风机出现了不同的振动情况。

振动情况一：

风机在两台同频运行中，在多频率参数下出现了振动。

经过多次测试对比，判定在几个固有频率下，风机发生明显的振动，在高于振动频率和低于振动频率的条件下，振动明显减小，系统运行正常。变频器中设定跳过振动的几个频率值，系统振动正常。

振动情况二：

风机双机运行正常时，因运行工况变化，需要的流量减小，两台并联运行的风机频率降低，虽然两台风机频率相同，但风机运行状况逐步不同，一台风机功率变小，电流变小，做功变小，处于不出力的空转状态，振动急剧增加；

3、原因判断

针对振动情况一，对几个固有频率在电控中屏蔽后，系统能够正常运行，基本无振动异常，判断为风机与底座整体发生了共振，风机在几个运行频率下与底座的固有频率接近，出现了异常的振动和噪音，这可能会导致风机的寿命和工作效率下降，也可能会对风机周边的管道或支撑结构造成损坏。

针对振动情况二,通过调整两台不同频率，将振动状态下不出力的那台风机频率增加1Hz,流量出现加大，但原先正常运行的风机出现了流量逐渐减小，功率减小，这台风机出现不出力的空转状态，振动加剧；判断为因系统流量小，平均到两台风机上，风机均处于喘振临界点；

4、原因分析和改进方案

4.1 共振的解决

在离心风机的共振中，主要振动机理包括以下几种：

1）支撑系统共振，也就是说当风机运行频率与职称的固有频率接近时，系统会产生共振，从而影响风机运行的稳定性；

2）管道共振，当风机产生的压力波与管道的固有频率接近时，管道系统产生共振，对系统和设备造成损坏；

采用磁吸式振动，对风机的振动进行测量判断，管道和管道支撑振动值均为正常值，而风机系统也安装了减震器，测量风机底座，与风机的主动轴端有类似的振动情况发生，判断为风机的整体撬座固定不牢固，在几个固有频率下产生了振动，现场安装人员对风机底座撬座进行了加固以及二次灌浆，再投入运行，共振点的振动消除；

4.2 喘振的解决

1）首先我们要了解什么时候发生喘振？

PWRd/surge(kw)=(101.3+P1)/(273.15+T1)*165*(rpm/3600)^3

其中PWRd/surge 为喘振功率KW，风机小于此功率时应该停机，风机出口没有气流出来，就等于在喘振，风机必须停机。

P1 为入口相对压力，单位kPa, 负压时数值为负，相减；

T1 为入口气体温度；

2）数据分析

系统中两台风机同步运行，为什么其中的一台发生喘振，根据现场运行数据记录：

（表一）

两台风机运行在同频率下，401风机输出功率很小，即这台风机处于不做功状态，则没有气量排出；

根据两台风机 401,403 运行数据，风机运行在37Hz时的曲线见图一：

（图一）

其中红线入口负压设置为 -2.06模拟401风机，蓝线入口负压为现场实际数据 – 0.56kPa，模拟403风机，二者相差1.5kPa，模拟管路不平衡而引起的差压。

曲线中可以看出，蓝线流量和现场测得流量2680m3/h相同，而红线出口压力达不到30kPa，出口单向阀打不开，没有任何流量。

在曲线中找到对应的点，风机运行在低流量区域，曲线的最左边，很小的压力差对应较大的流量变化，入口管路稍有一些不平衡，就会导致流量差异很大。而实际工程应用中，无法做到阻力完成相同的管道系统，一定是存在差异的，所以在低流量运行时，同转速同频率下，入口负压较大的风机就会是发生喘振的那台；

3）解决方法

解决此问题应线投入一台风机运行，当风机达到额定功率后，需要再启动第二台风机。

如（图二）曲线，出口压力30kPa，风机达到额定功率时，风量可以达到大约5400m3/h。

流量需要继续增加时，启动第二台风机，就可以避免一台出力而另一台不出力。

（图二）

当降低出口压力至25kPa，一台风机在额定功率时，可以达到5700m3/h以上，

开第二台风机，总流量在5700m3/h时，也可以避免一台不出力的情况。

经过以上分析得出：现场长期在低流量下选用“双机模式”运行，使离心风机长期处于低负荷喘振区域运行，造成离心风机喘振振动。

对以上分析进行验证：根据运行负荷（耗气量），逐台开启离心风机。当运行负荷小于单台离心风机额定气量时，启用一台离心风机；当一台离心风机接近满负荷时，手动启动第二台离心风机，并切换为“双机模式”，确保每台离心风机至少在接近50%或者50%以上负荷运行。避免离心风机在低频率、低流量、高压力的工况下运行，可避免有一台离心风机不出力的状况。

根据以下离心风机运行性能曲线图可以看出，当离心风机运行在左边的低流量区域，很小的压差对应的较大的流量变化，当进出口压力有微小的差异时，就会导致流量差异很大。

问题解决：将修改控制程序，将原来的“单机模式”需手动切换到“双机模式”的运行程序修改为“单机模式”、“双机模式”自动切换的程序，控制系统根据实际流量自动判断运行模式，实现以上功能，避免喘振。

5、多级离心风机运行特性总结：

1）根据流量与压力的曲线，当处于同一曲线的左边区域时，处于该频率下低流量，高压力的情况，越向左，越接近与喘振区域，压力稍有变化，流量差异很大；

2）右边区域处于高流量低压力的区域，当压力有变化时，流量差异较小。所以当风机不处在低负荷区域运行时，流量差异较小，且远离风机喘振区域。

3）红色区域是风机工作的区域，在红色区域内工作既可以避免喘振又可以避免过载（图三）。

（图三）

4）当频率处于临界状态，接近喘振区域时，因两台离心风机进气压力有微小差异，出现一台喘振不出力，对风机造成损伤；举例说明如下：如（图一）风机曲线，风机出口压力要求35KPa，流量需求为1800Nm3/h情况下，从曲线上可知，一台风机流量足够，另一台风机因进气负压稍低，无法达到35KPa，处于喘振不出力状态。

6、多级离心风机振动控制建议

1）根据以上工程案例，离心风机区别于容积式的风机，要综合考虑风机的特性和运行负荷对风机进行控制；

2）对有振动的设备，尤其是功率较大、转速较快的动力设备，对安装要严格要求，做好固定和减振，以保证设备有较佳的运行状态；

3）对于振动还有其他的可能原因，如电磁干扰、轴承润滑不够、转子动平衡较差等因素，在实际工程应用中也可能会遇到；

参考文献：

[1] 李克，刘建亭，卢会金，离心风机喘振现象原因分析及治理[J].应用技术,2016(7):3.

[2] 陈益中，多级离心风机的流体性能及控制方法研究[J]. LOW CARBON WORLD,2017(3):3.

[3]郭小龙.探讨离心风机振动故障成因及解决对策[J].中文科技期刊数据库(全文版)工程技术,2021(8):2.