SCR豎爐燃燒風機常見故障診斷與維修關鍵技術研究

張偉旗

(江西銅業集團銅材有限公司， 江西 貴溪 335424)

SCR豎爐燃燒風機常見故障診斷與維修關鍵技術研究

張偉旗

(江西銅業集團銅材有限公司， 江西 貴溪 335424)

針對SCR豎爐燃燒風機常見故障診斷與維修關鍵技術進行長期深入的分析和研究。通過數值模擬、故障控制及診斷軟件的研發，故障率低，工作效率高，使用壽命長，成本能耗水平高，安全可靠且穩定性好，可實現低維護和優化SCR生產線綜合生產指標的目標。

豎爐燃燒風機； 數值模擬； 故障診斷與維修； 低維護； 成本能耗水平； 軟件研發

豎爐燃燒風機即主風機是SCR連鑄連軋生產線豎爐的關鍵設備，也是主要耗能設備之一。江銅銅材公司SCR3000、SCR4500連鑄連軋銅桿生產線豎爐燃燒風機采用進口多級離心風機，它是一種將原動機的機械能轉換為輸送氣體、給予氣體能量的機械，可廣泛應用于冶金、化工、污水處理等領域，其重要性不可或缺。然而，由于該主風機需長期連續作業，運行條件十分惡劣，一旦發生故障，易導致整個機組減負荷生產或非計劃停運，使銅桿產品產量和品質難以保證，嚴重時需停產檢修[1]。因此，需掌握該主風機的工作原理和結構性能，必須做到精確維護，迅速、正確地判斷該主風機在運行中故障產生的原因，采取相應的得力措施加以解決，可保障SCR銅桿生產線的連續、安全、高效、低耗及經濟運行。

多級離心式壓縮機具有結構緊湊、流量大等優點，故在冶金、航天、能源及化工等行業扮演著極為重要的角色。而美國南線豎爐設計工藝過程連續、產能大，對熱效率、控溫控氧穩定的要求高，相應對豎爐配置燃燒風機的要求極高，因而成為豎爐核心設備之一，其是否完好至關重要。近年來，因該機組運行時間長，工藝性能開始逐步下降，出現風機振動超標、出口流量偏低或壓力損失、軸承發熱、過熱、漏油、噪音大、喘振等故障，盡管其軸位移工藝參數在工藝規定范圍內，但已接近規定極限操作要求等。為達到該機組長周期安全平穩運行，減少停機帶來的巨大損失，針對SCR其常見故障診斷與維修技術的研究，十分必要。

1 主要結構設計原理

1.1 主要結構組成

SCR連鑄連軋爐區系統主要由豎爐(熔化爐)、回轉式保持爐、上下流槽、燃燒空氣系統、燃料系統、氣體混合及燃燒系統、CO分析系統等部分組成。而豎爐燃燒空氣系統則由燃燒風機、燃氣與空氣換熱器、火力控制閥、管道系統組件等部分組成，其中：

燃燒風機主要是為SCR豎爐提供燃燒空氣，空氣與LPG燃氣以適當比例混合，生產的銅產品氧含量才會令人滿意；開爐前，可將管道內殘留的LPG燃氣吹掃干凈；停爐時，可用作風冷，以快速降低豎爐內溫度。

火力調節閥即風機出口電動蝶閥，從控制盤上操作工可通過該閥門調節火力的大小，以加快或減慢融化速率；另設有手動閥門和電氣控制蝶閥，用來平衡通向單個分區的空氣流量。而采用該入口火力調節方式，則是操作風機最省錢的方法。

入口節流閥即風機入口蝶閥，可用來控制通過風機的流量。啟動風機時，應將其關閉至最小停止位，以縮短系統達到全速的時間；然后，在風機啟動后10～15秒內慢慢打開；一旦風機達到全速，節流閥就應逐漸打開，讓氣流通過風機。相對于壓力而言，在入口節流，遠比在出口節流的效率更高；另外它還可用來增加流量，防止喘振。

入口過濾器是用來阻止磨損性的、濕的或大顆粒的異物進入機器，否則，易損壞機器的內部部件，從而引發災難性的故障。因此，必須在其對面安裝一個可連續讀值的差壓指示計，或帶最大值顯示的差壓指示計。一般而言，當過濾器上的壓力降至10”wc時，即建議進行清洗或更換過濾器。

隔離套管/膨脹節安裝于入口和出口管道系統，以確保將管道系統和系統法蘭隔開，且必須位于系統入口上蝶閥的上游。

1.2 主要設計原理

SCR豎爐燃燒風機為進口多級離心式鼓風機。主要由電機、變頻器、電控盤、溶解氧控制系統、PLC程序控制系統及各附件組成。其實，該風機就是一種低壓力、高風量的動態型壓縮機。其結構呈模塊式，安裝時，可將垂直剖分式機殼和機頭像拼積木一樣組裝起來；其部件皆按原始公差設計，其設計和材質皆進行了技術創新和優化；其軸承設計采用外置式滾動軸承。其分散器的殼體內設計采用葉輪，隨著葉輪的旋轉，空氣會進入葉輪的孔眼，空氣作徑向流動，向外進入分散器的過程中，葉輪旋轉速度給予空氣很高的速度，從而將部分速位差轉換成靜態壓位差；設計采用一組連續的葉輪，多節風機可產生很高的壓力；離開了前一壓縮節的分散器的空氣很快進入下一個葉輪的孔眼，隨著這一過程的重復，每一個壓縮節都在增加著空氣壓力。該風機的啟動技術要求是：將所有控件設定為自動狀態，如風機進行自動火力吹掃，可自動調整空氣為最大；設定完畢即按指定參數啟動運行；通常啟動新的風機前，必須檢查軸的中心對齊情況，使風機啟動平穩；啟動后，操作幅度不宜太大；需及時處理回火，以減少對風機影響。

其主要結構設計特點是：(1)設計可靠：專利設計的復合擋環即MBR導引束流，電磁驅動設計結構更簡單，其靈活性強、效率高，且運轉速度低；(2)平衡活塞：設計十分獨特，兩個球軸承勿需止推軸承；平衡兩端壓力，運轉平衡，壽命長；(3)適用標準：符合ASMI PTC10；(4)潤滑方式：采用飛濺式自潤滑，低噪音，無任何潛在的故障；(5)故障點少：不需額外的動力和設備；(6)低維護：多級操作簡便，長期運行只需最少的管理控制。該風機的主要設計參數分別為：轉速2 970 rpm；馬力250/350HP；額定電壓380 V；額定電流325 A/453 A。

2 數值模擬

離心風機由于受到旋轉、粘性和壁面等的影響，其內部將產生極其復雜的流場。其常出現的內部流動現象有分離、渦旋、脫流、尾跡等，是有粘性非定常的三維流動，也會出現二次流動，且以各種渦系形式存在。其在受限空間內強旋、強三維效應、強非線性的非定常流動，對其氣動性能和安全性影響極大。而數值模擬在離心風機內部的研究及其應用，歷經二維到三維再到全三維粘流，從無粘流動、三維有旋流到粘性非定常全三維流動，從單流道模擬即假設對稱、分別模擬即忽略各部件之間的相互作用到整機模擬，可認識和掌握其內部真實流動的本質，從而摸索出其發生和發展的規律。

離心風機具有代表性的數值模擬計算方法主要有壓力修正法即SIMPLE算法、擬壓縮法、近似因子分解法即AF法、流線曲率法、分塊隱式法等。其中以壓力修正法應用最為廣泛?？蓴M定一預估壓力場，先后求出相應速度場和修正值，再以此改進速度值，最后同改進后的速度場求解動量離散方程系數，且用修正后的壓力場進行下一步的迭代初值直至收斂。其克服了利用連續方程解壓力場的困難，在收斂特性和計算速度上優勢極大。通過數值模擬，可較好地捕捉到葉輪旋轉的特征現象，如射流尾流現象。因此，對風機作定性分析時，完全可達到預期的效果，且所耗費資源要明顯少得多[2]。

3 故障診斷與維修關鍵技術

3.1 風機振動超標

該故障最為常見，影響也最大。易引起工程結構損壞，軸承、葉片、機殼和風道等損壞或螺栓松動等，嚴重危及風機的安全和穩定運行[3]。振動影響因素很多，最重要的就是找出各種振動的特點和規律。

(1)對中找正不良

該故障是造成風機振動過大的頭號原因。風機、電動機聯軸器找中心不準或聯軸器銷子松動時，易造成電動機與風機軸不在一條中心線上。因而必須重新對中找正。

(2)風機軸承振動超標

該故障最常見。其影響因素很多，如馬達(因風扇、軸承或轉子引起)或聯軸器、或轉子(因葉輪、軸承或軸引起)失去平衡等。應針對不同現象分析原因，恰當處理。

一是葉片非工作面積灰。風機在運行中振動會突然上升。因機翼型葉片最易積灰，當積灰達到一定的重量時，由于葉輪旋轉時離心力的作用，會將部分大塊積灰甩出葉輪，葉片積灰不均勻易導致葉輪質量分布不平衡，使風機振動增大。

為使葉輪重新達到平衡，通常做法只需將葉片上的積灰鏟除即可。生產實踐中，可采用不停爐處理風機振動的方法即：因豎爐風機基本上積聚的是干灰，一般采用壓縮空氣作為吹洗積灰的動力介質即可，降低負荷后停單側風機，在停機瞬間迅速打開閥門，利用葉輪慣性作用吹洗葉片非工作面，打開機殼底部加裝閥門可將沖灰排走。該法與用蒸汽作清灰介質相比，具有操作簡便、清灰范圍大、效果好、葉片磨損小等特點。

二是葉片腐蝕或磨損嚴重。該現象也常見。風機運行中振動會緩慢上升，一旦葉片腐蝕或磨損嚴重，平衡即破壞，可停爐后修理或更換，再做動平衡試驗。

三是風管振動。該故障易引起風機的受迫振動，極易出現，且也易被忽視。原因是與風機連接的進出口管道未加支撐和軟聯接。因而必須保證管道系統撓性連接部分且有足夠支持。

(3)馬達震動過大

由于電壓不合適、馬達軸承發生故障，或馬達內部失去平衡，如風扇損壞時，必須立即進行調整或修復。

(4)聯軸器損壞

軸的間隙不對、潤滑不當、失衡，如聯軸器損壞、鍵大小不對或定位螺絲松動等也會引起風機振動，應及時進行調整或更換。

(5)風機/排氣裝置軸承

杜絕使用錯誤的潤滑劑和潤滑過量；換軸承時，不得損壞或使用錯誤型號的軸承；軸承存放期間，需做好維護保養工作。

(6)葉輪表面附著物不均勻

風機工作環境十分惡劣，其葉輪表面通常附著鐵銹、積灰或瀝青等，需及時清除。

(7)膨脹節

需用撓性套管或膨脹節將機器和系統管道隔開，決不要直接將管道接到風機上。

(8)風機和電機底座

風機和電機通常一起安裝在堅實的機座上，以加強其剛度。隨風機一起提供的軟木和彈性墊，必須安放在機座的下面。

(9)喘振

因入口或出口管道出現堵塞現象，或在喘振范圍內運行，必須及時消除。

(10)其它故障

需及時排除機器內異物：液體如水等；硬物如螺栓、過濾器元件等；主軸彎曲變形時，應立即更換；對底座螺栓，決不要擰死或給底座灌漿；對隔離墊，定位錯誤、大小不對或條件惡劣時，應重新定位或更換；及時緊固馬達或機器松動的壓下螺栓等。

3.2 空氣流量低或壓力損失

(1)機器旋轉方向不對

應檢查其與入口箭頭指向是否相符。

(2)入口管道受限

閥不能全部打開；過濾器臟了，應立即清洗或更換；馬上拆除運輸蓋。

(3)出口管道部分堵塞

及時疏通清理管路，如：打開所有出口閥；檢查閥安裝適當與否；清理分散器等。

(4)機器內有異物或密封泄漏

應及時清理異物；修理或更換密封。

(5)儀表讀數或馬達接線

若儀表精度度不夠，應及時校正達標；若風機轉速降低，則檢查電源電壓或相位。

(6)入口溫度上升或壓力上升

應將風機入口處溫度和壓力適當降低。

(7)管道系統設計或裝配不當

由此造成的系統阻力過大，應修正、完善系統結構設計，使之更加緊湊、合理。

3.3 軸承故障頻繁

(1)進口軸承缺貨

進口備件采購周期長，有時應急采用舊軸承或國產軸承替代，因而軸承反復出現故障，必須確保進口備件的計劃及供應。

(2)軸承產生噪音和過早失靈

由于未使用廠家推薦的潤滑劑，或使用了臟油，或潤滑過量或過少等，必須嚴格按《分廠設備潤滑管理有關規定》實施潤滑。

(3)裝配不當

可采取糾正軸承墊片數；給波形墊圈正確定位；給油和干油的拋油環定位正確；所有墊圈都調到原始厚度方法加以解決。

(4)軸承箱磨損過度，軸頸磨損

應及時修復磨損件，更換損壞件。

(5)聯軸器對正

應保證輪轂與輪轂的間隙合理；軸到軸的軸線間隙合理；以及需要時的潤滑。

(6)非機械原因

例如應用領域不對；安裝或機器操作不當；系統閑置期間，每周未旋轉風機和馬達的軸一次，并未保持軸承內均勻潤滑等。

3.4 過熱

(1)機器過熱

必須采取如散熱；增大空氣流量；清理或更換入口空氣過濾器；杜絕違規使用排風閥來控制流量；預防喘震等有效措施。

(2)軸承過熱

該故障最為常見。軸承發熱是軸承損壞的重要因素。通常是選擇潤滑劑類型錯誤，其物理性能無法滿足使用要求造成的，因而必須嚴格按廠家推薦型號選擇，且添加潤滑油時不過量；或重新選擇軸承的等級；裝配程序不正確，電機和風機不同一中心線時，需調整兩軸的同心度；環境溫度太高，潤滑劑易流失，應及時補充；軸承箱或固定器磨損：應適當調整軸承箱的螺栓松緊度，檢查主軸或主軸上部件與軸承箱或軸承與軸承箱孔之間的磨損部位，并及時加以處理。

(3)馬達過熱

環境溫度太高；電壓不對；電壓源不平衡；由于冷卻造成的空氣流量受限；馬達過載即馬達對于系統而言太??；V形皮帶傳動系統上的皮帶張力不合適；軸承故障；啟動太頻繁；馬達風扇旋轉方向不正確等，皆會導致馬達過熱，應嚴格按照操作規程執行。

3.5 漏油

(1)油位過高或漏油過多

因油箱窺視鏡破裂，操作工或維護人員給油箱加油過滿或油位調整不當，導致油位過高；或迷宮式或碳圈密封泄漏嚴重，應嚴格按《分廠設備點檢、維修規程》執行。

(2)油型號不對

只能使用風機廠家推薦使用的油。

(3)軸承組裝不正確

必須及時調整、緊固或更換，如：軸承箱墊圈松動或損壞；拋油環彎曲或定位不當；墊圈堵住了回油孔；迷宮式密封排油孔不在底部；軸承箱內迷宮式密封松動等。

(5)管路堵塞

必須及時疏通，如：通風軟管堵塞或被夾住，或吸潮器通風口或回油孔堵塞等。

(6)調整位置

加油器位于錯誤的機器一側；到加油器的連接松動；機器不平整等，均需合理調整。

3.6 機器噪音大

該故障往往嚴重干擾環境，影響員工正常工作、休息及健康，必須采取有效的措施，使風機噪聲降至環保的要求之內：

(1)馬達或機器軸承噪音

添加干油量若過量，易導致軸承發熱；若太少，則軸承易干。若固定器/鎖定螺母松動或軸承安裝不對，應進行緊固或調整；修補已磨損軸承箱；更換已壞軸承。

(2)軸的間隙或聯軸器故障

若軸的間隙不夠或聯軸器間隙不對，應進行合理調整；若聯軸器或擋板松動或損壞，必須立即緊固或進行更換。

(3)喘振

應加強運行監視，有效地防止其發生。

(4)馬達有噪音

因電壓不對、電壓低(僅有銘牌上規定+10%)、電壓失衡(兩腳之間相差+10%)、電壓頻率(60Hz vs. 50 Hz)、安培數超過額定值、軸承損壞、風扇故障等引起，其對策是保證正確的電源電壓、電流或相位，更換壞軸承，排除風扇故障。

(5)迷宮式/碳圈密封接觸軸

應重新合理調整，修正其密封間隙。

(6)機器內或管道內有異物

盡量避免引起堵塞，必須及時清除。

3.7 喘振

喘振是突變型失速的進一步發展，是離心式壓縮機特有的一種故障。它是風機出現周期性出風與倒流，導致機器內部振動增大，產生極不穩定的狀況。喘振嚴重時，易導致風機葉片、管道系統或風機疲勞損壞，使豎爐爐膛負壓產生波動，導致燃燒不穩。其起因是入口管道受限、出口管道堵塞、充氣罐內液位增加或工藝差壓、系統失衡、用閥調節不當或閥定時不正確等。而防喘振控制是保證風機正常運行和延長其使用壽命的關鍵，目的是始終保證工況點運行在防喘振線以下的安全區域內。必須加強運行監視，認真排查使防喘振裝置處于良好狀態，且迅速改變其工況，使之離開喘振區。

3.8 故障診斷軟件的研發

豎爐燃燒風機常見故障種類繁多，成因復雜，處理困難，對SCR生產線正常生產和產品品質影響極大，應采取針對性的措施，防患于未然。對此，可采用VB語言研發出一種豎爐燃燒風機常見故障原因分析及對策程序FCAC1.0軟件界面，且與故障診斷專家系統相配套，能為該機組故障診斷與處理、安全高效運行提供極大的幫助。該軟件的主要優點是操作簡單、易學易用、修改便捷，界面極具人性化，非常適于工廠設備操作、維修和管理等人員使用[4]。

4 結語

影響豎爐燃燒風機使用壽命的外因很多，正確的操作、日常點檢維修及適時調整，極為重要。為提高該風機的安全性、可靠性和耐用性的性能指標，杜絕該機組被迫進行停機檢修，不致于影響SCR生產線的正常生產和產品品質，以防萬一，有針對性地對風機葉輪、軸承、葉片、聯軸器、馬達、管路、閥門等實施重點精確維護、定期檢修、及時監控、適時更新等，可保證機組的安全、平穩和長周期運行，皆是十分必要的?？蓸O大提高豎爐風機的工作效率和質量，降低能耗，增加風機使用壽命，從而實現低維護和優化SCR生產線綜合生產指標的目標。

[1] 陳緒鵬，劉艷，王新建.離心式鼓風機常見故障及排除措施[J].機械設計與制造，2007，(7)：116-117.

[2] 陸蓓蕾，陳瑞球.數值模擬在離心風機中的應用[J].煤礦機械，2005，(1)：103-105.

[3] 何潔，白寒軍.風機運行中常見故障原因分析及其處理[J].內蒙古科技與經濟，2006，(24)：144-145.

[4] 陳宗華，梁曉剛，秦云龍，等.大型離心式壓縮機組常見故障原因分析及處理措施[J].化工設備與防腐蝕，2004，(1):45-51.

The Common key Techniques Research of Fault Diagnosis and
Maintenance of SCR Shaft Furnace Combustion Fan

ZHANG Wei-qi

In view of the SCR shaft furnace combustion fan common fault diagnosis and maintenance, the key technology is from in-depth analysis and research for a long time. Through numerical simulation, fault control and diagnosis software development，the fan failure rate is low，it has low failure rate and high efficiency,long service life, high level of cost of energy consumption，safe and reliable and has good stability，it can realize low maintenance and optimization of SCR production line integrated production index of the target.

shaft furnace combustion fan； numerical simulation； fault diagnosis and maintenance； low maintenance； cost of energy consumption level； software development

2015-01-30

張偉旗(1965-)，男，江西余江人，高級工程師，大學本科，主要從事礦山機械、銅加工、有色冶金、機電設備工程等技術研究工作，現為中國機械工程學會高級會員。

TP227

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1003-8884(2015)03-0016-05