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循环水冷却塔风机故障的原因分析及改造
摘要：通过对引起循环水冷却塔风机维修次数多、运行周期短的原因调查分析，确定了引起故障的因素，制定出对风机的改进措施。通过对风机进行相应的技术改造，取得了良好的效果，并对遗留问题进行了分析研究。
关键词：冷却塔风机；故障；原因分析；改造
Analysis on Frequent Failure in the Cooling Tower Fan with Circulating Water and Its Transformation
Abstract: The factors for causing frequent failure in the cooling tower fan with circulating water and the improvement measures are determined by analyzing the reasons for frequent maintenance and short-run cycle. Through the relevant technical transformation for fan, the good result has been achieved and the remaining issues have been analyzed.
Key words: cooling tower fan; failure; reason analysis; transformation
0 引言
我厂循环水冷却装置，采用风机横流式冷却塔。塔顶配备4台LF85A通风机，每台设计流量为262×104m3/h，转速149r/min ，风机主要由电机、传动轴、减速器、叶片、轮毂、挡风板等部件组成。减速器为二级齿轮传动；叶片由直径为8.5m的高强度环氧玻璃钢模压而成；传动轴为单根传动；联轴器采用金属叠片挠性联轴器。1997年投用以来，随着冷却水用量增大，风机使用率较高，风机运行中故障发生越来越频繁，配件损坏、更换较多，维修费用较高，影响凉水塔长周期稳定运行。作为全厂循环水系统的主要冷却设备，风机运行状况的好坏，直接影响到炼厂各生产装置换热设备的工艺生产条件和产品质量。
1 风机运行状况分析
1.1 风机故障维修情况
表1为4台风机2002年～2004年11月的设备维修记录统计。
表1 风机维修记录
风机编号 2002年 2003年 2004年（前11个月）
T3201-1 更换传动齿轮1套、轴承1副 更换传动齿轮1套、轴承1副 齿轮箱解体重新组装
T3201-2 更换机械密封1套、联轴器金属叠片1套 更换机械密封1套、联轴器金属叠片1套 更换传动齿轮1套、轴承1副、电机1台
T3201-3 更换机械密封1套、联轴器金属叠片1套 更换传动齿轮1套、轴承1副 齿轮箱解体重新组装
T3201-4 更换机械密封1套、联轴器金属叠片1套 更换机械密封1套、联轴器金属叠片1套 更换传动齿轮1套、轴承1副、联轴器金属叠片1套
由表1看出， 3年内4台风机维修频繁，配件更换较多，导致了较高的运行维护成本。维修期间风机需要停运，影响了总厂循环水质量。
1.2 风机故障基本原因分类
总结风机故障现象及原因，有其规律可循，风机故障按其原因分类，如表2和表3所示。
表2 风机机械故障原因分类[1]
故障分类 主要原因
设计原因 ① 设计不当，动态特性不良，运行时发生强迫振动或自激振动
② 结构不合理，应力集中
③ 设计工作转速接近或落入临界转速区
④ 热膨胀量计算不准，导致热态对中不良
制造原因 ① 零部件加工制造不良，精度不够
② 零件材质不良，强度不够，制造缺陷
③ 转子动平衡不符合技术要求
安装、维修 ① 机械安装不当，零部件错位，预负荷大
② 轴系对中不良
③ 机器几何参数（如配合间隙、过盈量及相对位置）调整不当
④ 管道应力大，机器在工作状态下改变了动态特性和安装精度
⑤ 转子长期放置不当，改变了动平衡精度
⑥ 未按规程检修，破坏了机器原有的配合性质和精度
操作运行 ① 工艺参数（如介质的温度、压力、流量、负荷等）偏离设计值，机器运行工况不正常
② 机器在超转速、超负荷下运行，改变了机器的工作特性
③ 运行点接近或落入临界转速区
④ 润滑或冷却不良
⑤ 转子局部损坏或结垢
⑥ 启停机或升降速过程操作不当，暖机不够，热膨胀不均匀或在临界区停留时间过久
机器劣化 ① 长期运行，转子挠度增大或动平衡劣化
② 转子局部损坏、脱落或产生裂纹
③ 零部件磨损、点蚀或腐蚀等
④ 配合面受力劣化，产生过盈不足或松动等，破坏了配合性质和精度
⑤ 机器基础沉降不均匀，机器壳体变形
表3 转子系统的异常振动类型及其特征[2]
频带区域 主要异常
振动原因 异常振动的特征
低频 不平衡 由于旋转体轴心周围的质量分布不均，振动频率一般与旋转频率相同
不对中 当两根旋转轴用联轴器联接有偏移时，振动频率一般为旋转频率或高频
轴弯曲 因旋转轴自身的弯曲变形而引起的振动，一般发生旋转频率的高次成分
松动 因基础螺栓松动或轴承磨损而引起的振动，一般发生旋转频率的高次成分
油膜振荡 在滑动轴承做强制润滑的旋转体中产生，振动频率为旋转频率的1/2倍左右
中频 压力脉动 发生在水泵、风机叶轮中，每当流体通过涡旋壳体时发生压力变动，如压力发生机构产生异常时，则压力脉动发生变化
干扰振动 多发生在轴流式或离心式压缩机上，运行时在动静叶片间因叶轮和扩压器、喷嘴等干扰而发生的振动
高频 空穴作用 在流体机械中，由于局部压力下降而产生气泡，到达高压部分时气泡破裂，通常会发生随机的高频振动和噪声
流体振动 在流体机械中，由于压力发生机构和密封件的异常而发生的－种涡流，
也会产生随机的高频振动和噪声
1.3 风机状态检测及失效原因分析
为确定风机各部件发生损坏故障的具体原因，对风机在运行过程中的状态进行了监测，结果如表4所示。
表4 循环水风机振动测量数据
mm/s
风机编号 减速器 电机轴承
径向 轴向 水平方向 垂直方向
T3201-1 16.325 5.221 6.735 3.552
T3201-2 18.840 5.117 6.989 3.842
T3201-3 15.545 5.631 7.154 3.452
T3201-4 12.600 9.417 7.315 3.575
检测表明，振动主要集中在低频区域。监测发现减速器输入轴径向垂直方向振动测量数据超标，最高达18.84mm/s（允许振动标准最高为6.3 mm/s），并且发现塔有轻微颤动现象。
通过对引起冷却塔风机振动现象进行分析，确定风机故障的主要原因为
（1）安装维修
① 风机安装偏差，零部件错位，预负荷大；
② 轴系对中不良；
③ 风机几何参数（如配合间隙、过盈量及相对位置）调整不当；
④ 检修过程不符合风机要求的配合性质和精度。
（2）设备运行工况
① 长期运行，转子挠度增大或动平衡劣化，转子局部损坏、脱落或产生裂纹；
② 变速齿轮等零部件磨损、点蚀或腐蚀；
③ 配合面受力劣化，产生过盈不足或松动等，破坏了配合性质和精度；
④ 冷却塔设计刚性不足。
通过以上分析可以看出，风机安装维修过程和设备劣化两方面存在的问题，是引起风机转子不平衡和不对中的直接原因，导致运行过程中振动过大，造成风机故障频发、部件损坏。另外，部分部件的材质不良导致强度不够，风机运行工况不正常导致润滑不良，启、停机或升降速过程操作不当等，也是导致风机不能安全平稳运行的因素。
2 技术改造措施
⑴ 对风机部分参数进行技术改造（表5）
①更换减速器的斜齿轮，改变减速器的传动比。
表5 齿轮改造参数变化表
参数
齿数 模数 螺旋角 接触强度安全系数 弯曲强度安全系数
原主动斜齿轮 19 7 13°50′23.8″ 1.4 2.7
原被动斜齿轮 67 7 13°50′23.8″ 3 3.2
新主动斜齿轮 19 8 11°17′27.88″ 1.4 2.7
新被动斜齿轮 57 8 11°17′27.88″ 3.1 3.3
② 将Y315L1-4W 160kW电机改为YB2315L2-6W 132KkW电机。
③ 改进风机叶片安装角。风机叶片安装角由8°更改为14°。
⑵ 将风机联轴器金属叠片由原来的圆形更换为八角形，使其弹性及硬度都有了很大的提高，承受剪切扭力增强，延长了叠片的使用寿命。
⑶ 对冷却塔进行改造。冷却塔原球形填料由于使用年限长、损坏严重，对水温的冷却达不到理想效果，不能满足生产工艺要求。通过将原淋水填料、喷头、收水器全部更换，采用薄膜填料和开孔弓形板填料混装的形式，材质采用PVC，改造后在原处理量不变的情况下，温差可达到8～10℃，从而提高了冷却效果，降低了风机的有效运行时数。
⑷ 对1#、2#、4#风机进行了变频改造，风机由原来的刚性启动变为柔性启动，避免了启动时对变速齿轮的瞬间强力冲击，同时根据水温能够自动调节风机的转速，达到优化运行工况及节能双赢的目的。
⑸ 将变速箱润滑油由原来的100#机械油改为100#空气压缩机油，提高了润滑油的防锈、抗氧化、极压抗磨的能力，从而改善了风机传动机构的润滑条件，避免了油质乳化或有杂质等原因引起的齿轮损坏。
⑹ 在设备安装调试方面，由于该设备跨度较长（电机与变速箱相距5m），对齿轮的安装精度要求较高。在风机的改造安装过程中，使用专业测量工具，严把每道质量关，确保每一处配合间隙、同心度等均在设计允许范围之内，保证电机轴和减速箱轴的同轴度。避免了安装过程中轴不同心、串轴、齿轮啮合不良、叶片高度差超出要求等容易引起风机振动的不良因素。
3 技术改造效果
（1）改造前、后风机故障维修时数统计。
表6 改造前、后风机故障维修时数对比表
h
风机编号
T3201/1 T3201/2 T3201/3 T3201/4
改造前 2002年 362 384 753 368
2003年 481 563 504 483
2004年 1201 1086 962 905
改造后 2005年 0 0 0 0
2006年 0 0 79 0
从表6看出，技术改造后，4台风机的平稳运行周期时数有了很大提高。
（2）改造前、后风机的维修频率对比。
表7 技术改造前3年和改造后2年风机维修次数统计表
风机编号 维修次数
改造前 改造后
2002 2003 2004 2005 2006
T3201-1 2 2 2 0 0
T3201-2 2 1 3 0 0
T3201-3 2 1 3 0 1
T3201-4 1 3 2 0 0
从表7看出，技术改造后，4台风机接近零维修。
（3）改造前、后风机的振动状况对比。
表8 改造前、后风机（以T3201-2为例）振动测量数据统计表
测量值
风机 电机轴承
径向 轴向 水平径向 垂直轴向
改造前（平均值） 18.840 5.117 6.989 3.842
改造后（平均值） 2.526 2.207 2.509 1.260
通过对改造前后风机（以T3201-2为例）的振动测量数据的对比，可以看出风机的振动状况得到了很大的改善。
（4）改造前、后风机的性能对比。
表9 改造前、后风机性能对比表
性 能
风量/（m3/h） 全压/ Pa 转速/（r/min）
改造前 262×104 151 149
改造后 250×104 142 116
从表9中数据看出，经改造后虽然风机转速降低，但由于风机叶片的角度增大，风量基本不变，风机的性能下降较少。同时对冷却塔进行了改造，风机冷却性能完全能够满足生产运行中对水温的冷却要求，满足了生产需要。
（5）在改善工作环境、提高运行周期的同时实现了节能降耗。
实施技术改造后2年来的统计表明，除3#风机的联轴器金属叠片因材质问题更换过外，其余配件均未进行过维修，仅此一项年节约维修费、材料费10多万元。由于1#、2#、4#风机进行了变频改造，每月可节约用电约1.8万kW•h。
4 结论与讨论
通过对风机的技术改造，降低了运行维修成本，达到了冷却塔长周期稳定运行的目的，并取得了一定的经济效益。但就冷却塔目前运行状态看，仍存在冷却塔振动问题，其原因：一是由于风机轴的跨度较大，叶片较长，在长周期运转后，会发生变形损伤，需要定期对其进行动平衡试验及校直；二是冷却塔风机基础刚性不足，也是引起风机振动的不确定因素之一；三是风机上无监控报警装置，无法对风机的转速与振动进行动态监测。