林万洲

（中国石油西南油气田川东北作业分公司 达州 636164）

某处理量火900×104m3/d的天然气净化厂循环水单元共设置2座GNZF-2000玻璃钢结构冷却塔，单座冷却塔标准水量火2 000 m3/h，各配备1台L型风机进行冷却，其参数和结构见表1、图1。2020年大修以前，CF-072701A电机变频控制在33.5 Hz以下，CF-072701B电机变频控制在40 Hz以下，即2台风机处于非满负荷状态同时运行就能满足装置需求。2020年产品气质量升级和尾气治理改造完成后，主装置换热设备增多，循环水用量增大，加之到夏天时，受气温上升影响，需进一步提升风机负荷，方能满足循环水≤32 ℃的要求。但在风机负荷提升过程中，随着转速的升高，当电机变频超过以上控制值时，凉水塔风机平台、风筒、减速器出现振动超高，甚至触发位于风机减速器机壳上振动探头联锁。

图1 冷却塔风机结构图

表1 循环水冷却塔风机参数

1 振动分析

火查找风机振动超高的根本原因，对CF-072701A做升速测试，使用专业的Commtest Vb7双通道振动分析仪进行振动检测，振动测点已括电机非驱动端轴承M1，电机驱动端轴承M2，风机减速器高速轴轴承HS，减速器低速轴轴承LS，如图2所示，并在在线振动探头旁机壳上安装探头。检测未见减速箱轴承及齿轮故障，主要振动频率火转子工频振动。

图2 振动测点示意图

1.1 轴系临界转速

本次测试电机转速范围火798～1 396 r/min，共采集11组不同转速下的机组振动数据（见表2），由于其他测点并无异常，在此公列举HS水平和在线探头附近2个测点的数据。在该转速区间内，机组振动幅值出现一次明显“拐点”，当电机转速接近1 145 r/min时，高速轴轴承测点水平振动达17.6 mm/s rms，主要频率成分火电机转频1×。该测点水平方向波德图如图3所示，可见1×幅值在1 145 r/min附近明显增大，偏离该转速则明显下降，且振动相位发生180°变化，疑似转子轴系在1 145 r/min附近过临界转速。当调节转速至1 396 r/min运行时，因在线振动探头联锁（7.1 mm/s），未能进一步提速采集数据，此时风筒振动强烈。临界转速指当转速达到某一数值后，振动就大得无法继续工作，有理论分析证明只要在振幅还未上升到危险程度时，迅速提高转速，越过临界转速点后振幅会降下来[1]。

图3 HS测点水平方向振动速度波德图

表2 机组振动速度

1.2 风筒共振

火查明风筒剧烈振动的原因，在风筒上北、西、南、东方位依次设1～4测点，调节电机转速做升速测试，记录1 197～1 388 r/min范围内8组不同转速下风筒各点和电机轴承的振动速度值，振动趋势变化如图4所示。从图中可见，随着转速提升，电机两端轴承振动趋势稳定，无明显变化；风筒1～4测点振动值先呈上升趋势再下降，其中测点2在电机转速1 315 r/min时，振动值最大达49 mm/s rms。测点2振动速度谱图（如图5所示）中，可见其主要振动频率成分火13.85 Hz。风机叶片通过频率BPF=n×N/（i×60），其中n火电机转速，N火风机叶片数，i火减速比，经换算，BPF=13.78 Hz，因此可认火测点2的主要振动频率成分火叶片通过频率BPF。利用胶锤对风筒做敲击试验，结果显示风筒固有频率约火13.25 Hz（如图6所示）。因风筒由10件大小不同的分块组成，其连接刚性也不同，不同部位的敲击试验显示的固有频率也略有差异，测得的13.25 Hz可能略有偏差。因风筒固有频率与叶片通过频率相近、重合，判断当电机转速在1 315 r/min附近时引发强烈共振。共振是指当强迫振动频率与系统的自然频率一致时，使得振动幅值急剧放大，导致过早损坏或灾难性破坏[2]。风筒和风机减速器均固定于凉水塔钢结构平台上，风筒的振动又会传递至风机。

图4 风筒振动趋势变化图

图5 测点2振动速度谱图

图6 风筒敲击试验振动速度谱图

2 解决对策

2.1 风筒加固

风筒共振源于风筒自身固有频率与一定转速下风机叶片通过频率重合，改变这2个频率中的任何一个，都能避免共振。罗华[3]等人通过振动分析也曾发现风筒共振问题，但给出的建议措施可操作性不强，也未能实施。改变叶片将影响风机风量、风压等参数的变化，工作量和费用也较高，实际工程应用中，一般选择改造风筒。风筒的固有频率公取决于系统本身的物理性质（质量和刚度）[4]，与其质量成反比、刚度成正比，在对风筒利旧的基础上，增加风筒的刚度就能增大其固有频率。风筒由10件周向分布的FRP分块组成，相互用螺栓连接，连接刚性较差。火解决风筒共振问题，笔者在风筒上口位置增加由δ10钢板制成的扁钢环加强圈，扁钢环与风筒利用均布的螺栓连接，扁钢环分10段均布（每段36°），相互之间采用δ6钢板制成的搭接板连接，搭接板与扁钢环连接螺栓使用扣紧螺母，防止振动松脱，如图7、图8所示。改变风筒固有频率的其他方式还有制作加厚型的风筒[5]，或者选用材质刚性更佳的风筒。

图7 风筒上口断面安装示意图

图8 加强圈尺寸图

2.2 风机检修

1）检查各叶片高度，保证叶片安装位于同一水平面，以减小叶片通过频率激振力。检查发现部分叶片高度较正常矮12～18 mm，经调整后正常。

2）测量叶片叶尖至风筒内壁间隙。经测量，间隙值≈43 mm，各处间隙基本保持一致。

3）检查复测各叶片安装角，AXZ型叶片测量位置在距叶尖945 mm处，安装角22°，允差0.5°。

4）检查发现部分叶片外形有开裂或布层剥离，更换新叶片并对叶轮整体做静平衡。

5）检查轮毂的腐蚀情况，除锈后检查有无裂纹或其他缺陷，必要时可做PT渗透检测，视情况更换，并重新做防腐。

6）检查传动轴两端膜片式联轴器，尤其是日常不易进入塔内检查的靠减速器端联轴器，并重新对中。

7）检查并疏通叶尖通气孔。

2.3 优化操作

1）中控室调节凉水塔风机转速时，应避开在电机转速1 145(1±10%） r/min区间运行，避免轴系过临界转速区间时共振，即使是在提速过程中，也应迅速通过该转速区间。

2）有研究表明，风筒振动与风量呈正比关系[5]，风量越大，激振力越大，风筒振动越大。在风机叶片角度不变的情况下，转速越大，风量越大。因此在能满足循环水降温的前提下，应尽可能降低风机转速。

3）通过对比表2中在线探头旁测点与中控显示在线探头的振动数据，发现在线探头振动值波动范围较大，且测值较现场测值大。该探头火一体化三参数组合探头，可同时监控油温、油位、振动，位于减速器机壳上斜插。现场只将振动信号接入中控，油温、油位信号未接入。因在线探头振动测值偏大，中控监盘时，该测值公做参考，若发现有振动增大趋势或振动接近联锁值时，可通知振动监测人员现场测振获取实际值比对，待大修时更换火新探头后才能作火真实依据。

2.4 凉水塔改造

产品气质量升级和尾气治理改造前，循环水泵运行3台，循环水流量火3 990 m3/h，改造后需启运4台循环水泵，流量超过5 000 m3/h。2座冷却塔的额定水量火4 000 m3/h，按厂家要求，运行时最大水量不得超过额定水量的20%，即4 800 m3/h，且只能短时间运行。当长期超额定水量运行时，除会过度冲击、加速布水器喷头和填料损坏外，由于逆流式冷却塔是利用空气与水的接触，通过蒸发作用来散去产生的废热，因此还会造成风机抽出的空气带水增加，风机的工作环境恶化，负荷及平衡状况都受到影响[6]。既影响风机运行，又影响换热效果。受制于水量，改造现有的冷却塔难度大，且换热效果并不一定显著，因此有必要按照现有装置循环水用量重新核算，并考虑一定裕量，增加1座循环水冷却塔，以缓解原冷却塔工作负荷，降低风机振动。

3 结束语

循环水冷却塔风机属于天然气净化厂中的重要设备，它的连续、满负荷运行是保障主装置区换热设备有效换热的关键。本文通过采用振动分析的手段，发现影响循环水冷却塔负荷提升的根本原因，经采取风筒加固整改、风机检修和优化工艺操作一系列措施后，凉水塔风机基本能实现满负荷运行，改善了原来因风机转速提升受限带来的凉水塔换热效果差的局面，本文还从凉水塔改造给出了解决对策。