SCR竖炉燃烧风机常见故障诊断与维修关键技术研究

张伟旗

(江西铜业集团铜材有限公司， 江西 贵溪 335424)

SCR竖炉燃烧风机常见故障诊断与维修关键技术研究

张伟旗

(江西铜业集团铜材有限公司， 江西 贵溪 335424)

针对SCR竖炉燃烧风机常见故障诊断与维修关键技术进行长期深入的分析和研究。通过数值模拟、故障控制及诊断软件的研发，故障率低，工作效率高，使用寿命长，成本能耗水平高，安全可靠且稳定性好，可实现低维护和优化SCR生产线综合生产指标的目标。

竖炉燃烧风机； 数值模拟； 故障诊断与维修； 低维护； 成本能耗水平； 软件研发

竖炉燃烧风机即主风机是SCR连铸连轧生产线竖炉的关键设备，也是主要耗能设备之一。江铜铜材公司SCR3000、SCR4500连铸连轧铜杆生产线竖炉燃烧风机采用进口多级离心风机，它是一种将原动机的机械能转换为输送气体、给予气体能量的机械，可广泛应用于冶金、化工、污水处理等领域，其重要性不可或缺。然而，由于该主风机需长期连续作业，运行条件十分恶劣，一旦发生故障，易导致整个机组减负荷生产或非计划停运，使铜杆产品产量和品质难以保证，严重时需停产检修[1]。因此，需掌握该主风机的工作原理和结构性能，必须做到精确维护，迅速、正确地判断该主风机在运行中故障产生的原因，采取相应的得力措施加以解决，可保障SCR铜杆生产线的连续、安全、高效、低耗及经济运行。

多级离心式压缩机具有结构紧凑、流量大等优点，故在冶金、航天、能源及化工等行业扮演着极为重要的角色。而美国南线竖炉设计工艺过程连续、产能大，对热效率、控温控氧稳定的要求高，相应对竖炉配置燃烧风机的要求极高，因而成为竖炉核心设备之一，其是否完好至关重要。近年来，因该机组运行时间长，工艺性能开始逐步下降，出现风机振动超标、出口流量偏低或压力损失、轴承发热、过热、漏油、噪音大、喘振等故障，尽管其轴位移工艺参数在工艺规定范围内，但已接近规定极限操作要求等。为达到该机组长周期安全平稳运行，减少停机带来的巨大损失，针对SCR其常见故障诊断与维修技术的研究，十分必要。

1 主要结构设计原理

1.1 主要结构组成

SCR连铸连轧炉区系统主要由竖炉(熔化炉)、回转式保持炉、上下流槽、燃烧空气系统、燃料系统、气体混合及燃烧系统、CO分析系统等部分组成。而竖炉燃烧空气系统则由燃烧风机、燃气与空气换热器、火力控制阀、管道系统组件等部分组成，其中：

燃烧风机主要是为SCR竖炉提供燃烧空气，空气与LPG燃气以适当比例混合，生产的铜产品氧含量才会令人满意；开炉前，可将管道内残留的LPG燃气吹扫干净；停炉时，可用作风冷，以快速降低竖炉内温度。

火力调节阀即风机出口电动蝶阀，从控制盘上操作工可通过该阀门调节火力的大小，以加快或减慢融化速率；另设有手动阀门和电气控制蝶阀，用来平衡通向单个分区的空气流量。而采用该入口火力调节方式，则是操作风机最省钱的方法。

入口节流阀即风机入口蝶阀，可用来控制通过风机的流量。启动风机时，应将其关闭至最小停止位，以缩短系统达到全速的时间；然后，在风机启动后10～15秒内慢慢打开；一旦风机达到全速，节流阀就应逐渐打开，让气流通过风机。相对于压力而言，在入口节流，远比在出口节流的效率更高；另外它还可用来增加流量，防止喘振。

入口过滤器是用来阻止磨损性的、湿的或大颗粒的异物进入机器，否则，易损坏机器的内部部件，从而引发灾难性的故障。因此，必须在其对面安装一个可连续读值的差压指示计，或带最大值显示的差压指示计。一般而言，当过滤器上的压力降至10”wc时，即建议进行清洗或更换过滤器。

隔离套管/膨胀节安装于入口和出口管道系统，以确保将管道系统和系统法兰隔开，且必须位于系统入口上蝶阀的上游。

1.2 主要设计原理

SCR竖炉燃烧风机为进口多级离心式鼓风机。主要由电机、变频器、电控盘、溶解氧控制系统、PLC程序控制系统及各附件组成。其实，该风机就是一种低压力、高风量的动态型压缩机。其结构呈模块式，安装时，可将垂直剖分式机壳和机头像拼积木一样组装起来；其部件皆按原始公差设计，其设计和材质皆进行了技术创新和优化；其轴承设计采用外置式滚动轴承。其分散器的壳体内设计采用叶轮，随着叶轮的旋转，空气会进入叶轮的孔眼，空气作径向流动，向外进入分散器的过程中，叶轮旋转速度给予空气很高的速度，从而将部分速位差转换成静态压位差；设计采用一组连续的叶轮，多节风机可产生很高的压力；离开了前一压缩节的分散器的空气很快进入下一个叶轮的孔眼，随着这一过程的重复，每一个压缩节都在增加着空气压力。该风机的启动技术要求是：将所有控件设定为自动状态，如风机进行自动火力吹扫，可自动调整空气为最大；设定完毕即按指定参数启动运行；通常启动新的风机前，必须检查轴的中心对齐情况，使风机启动平稳；启动后，操作幅度不宜太大；需及时处理回火，以减少对风机影响。

其主要结构设计特点是：(1)设计可靠：专利设计的复合挡环即MBR导引束流，电磁驱动设计结构更简单，其灵活性强、效率高，且运转速度低；(2)平衡活塞：设计十分独特，两个球轴承勿需止推轴承；平衡两端压力，运转平衡，寿命长；(3)适用标准：符合ASMI PTC10；(4)润滑方式：采用飞溅式自润滑，低噪音，无任何潜在的故障；(5)故障点少：不需额外的动力和设备；(6)低维护：多级操作简便，长期运行只需最少的管理控制。该风机的主要设计参数分别为：转速2 970 rpm；马力250/350HP；额定电压380 V；额定电流325 A/453 A。

2 数值模拟

离心风机由于受到旋转、粘性和壁面等的影响，其内部将产生极其复杂的流场。其常出现的内部流动现象有分离、涡旋、脱流、尾迹等，是有粘性非定常的三维流动，也会出现二次流动，且以各种涡系形式存在。其在受限空间内强旋、强三维效应、强非线性的非定常流动，对其气动性能和安全性影响极大。而数值模拟在离心风机内部的研究及其应用，历经二维到三维再到全三维粘流，从无粘流动、三维有旋流到粘性非定常全三维流动，从单流道模拟即假设对称、分别模拟即忽略各部件之间的相互作用到整机模拟，可认识和掌握其内部真实流动的本质，从而摸索出其发生和发展的规律。

离心风机具有代表性的数值模拟计算方法主要有压力修正法即SIMPLE算法、拟压缩法、近似因子分解法即AF法、流线曲率法、分块隐式法等。其中以压力修正法应用最为广泛。可拟定一预估压力场，先后求出相应速度场和修正值，再以此改进速度值，最后同改进后的速度场求解动量离散方程系数，且用修正后的压力场进行下一步的迭代初值直至收敛。其克服了利用连续方程解压力场的困难，在收敛特性和计算速度上优势极大。通过数值模拟，可较好地捕捉到叶轮旋转的特征现象，如射流尾流现象。因此，对风机作定性分析时，完全可达到预期的效果，且所耗费资源要明显少得多[2]。

3 故障诊断与维修关键技术

3.1 风机振动超标

该故障最为常见，影响也最大。易引起工程结构损坏，轴承、叶片、机壳和风道等损坏或螺栓松动等，严重危及风机的安全和稳定运行[3]。振动影响因素很多，最重要的就是找出各种振动的特点和规律。

(1)对中找正不良

该故障是造成风机振动过大的头号原因。风机、电动机联轴器找中心不准或联轴器销子松动时，易造成电动机与风机轴不在一条中心线上。因而必须重新对中找正。

(2)风机轴承振动超标

该故障最常见。其影响因素很多，如马达(因风扇、轴承或转子引起)或联轴器、或转子(因叶轮、轴承或轴引起)失去平衡等。应针对不同现象分析原因，恰当处理。

一是叶片非工作面积灰。风机在运行中振动会突然上升。因机翼型叶片最易积灰，当积灰达到一定的重量时，由于叶轮旋转时离心力的作用，会将部分大块积灰甩出叶轮，叶片积灰不均匀易导致叶轮质量分布不平衡，使风机振动增大。

为使叶轮重新达到平衡，通常做法只需将叶片上的积灰铲除即可。生产实践中，可采用不停炉处理风机振动的方法即：因竖炉风机基本上积聚的是干灰，一般采用压缩空气作为吹洗积灰的动力介质即可，降低负荷后停单侧风机，在停机瞬间迅速打开阀门，利用叶轮惯性作用吹洗叶片非工作面，打开机壳底部加装阀门可将冲灰排走。该法与用蒸汽作清灰介质相比，具有操作简便、清灰范围大、效果好、叶片磨损小等特点。

二是叶片腐蚀或磨损严重。该现象也常见。风机运行中振动会缓慢上升，一旦叶片腐蚀或磨损严重，平衡即破坏，可停炉后修理或更换，再做动平衡试验。

三是风管振动。该故障易引起风机的受迫振动，极易出现，且也易被忽视。原因是与风机连接的进出口管道未加支撑和软联接。因而必须保证管道系统挠性连接部分且有足够支持。

(3)马达震动过大

由于电压不合适、马达轴承发生故障，或马达内部失去平衡，如风扇损坏时，必须立即进行调整或修复。

(4)联轴器损坏

轴的间隙不对、润滑不当、失衡，如联轴器损坏、键大小不对或定位螺丝松动等也会引起风机振动，应及时进行调整或更换。

(5)风机/排气装置轴承

杜绝使用错误的润滑剂和润滑过量；换轴承时，不得损坏或使用错误型号的轴承；轴承存放期间，需做好维护保养工作。

(6)叶轮表面附着物不均匀

风机工作环境十分恶劣，其叶轮表面通常附着铁锈、积灰或沥青等，需及时清除。

(7)膨胀节

需用挠性套管或膨胀节将机器和系统管道隔开，决不要直接将管道接到风机上。

(8)风机和电机底座

风机和电机通常一起安装在坚实的机座上，以加强其刚度。随风机一起提供的软木和弹性垫，必须安放在机座的下面。

(9)喘振

因入口或出口管道出现堵塞现象，或在喘振范围内运行，必须及时消除。

(10)其它故障

需及时排除机器内异物：液体如水等；硬物如螺栓、过滤器元件等；主轴弯曲变形时，应立即更换；对底座螺栓，决不要拧死或给底座灌浆；对隔离垫，定位错误、大小不对或条件恶劣时，应重新定位或更换；及时紧固马达或机器松动的压下螺栓等。

3.2 空气流量低或压力损失

(1)机器旋转方向不对

应检查其与入口箭头指向是否相符。

(2)入口管道受限

阀不能全部打开；过滤器脏了，应立即清洗或更换；马上拆除运输盖。

(3)出口管道部分堵塞

及时疏通清理管路，如：打开所有出口阀；检查阀安装适当与否；清理分散器等。

(4)机器内有异物或密封泄漏

应及时清理异物；修理或更换密封。

(5)仪表读数或马达接线

若仪表精度度不够，应及时校正达标；若风机转速降低，则检查电源电压或相位。

(6)入口温度上升或压力上升

应将风机入口处温度和压力适当降低。

(7)管道系统设计或装配不当

由此造成的系统阻力过大，应修正、完善系统结构设计，使之更加紧凑、合理。

3.3 轴承故障频繁

(1)进口轴承缺货

进口备件采购周期长，有时应急采用旧轴承或国产轴承替代，因而轴承反复出现故障，必须确保进口备件的计划及供应。

(2)轴承产生噪音和过早失灵

由于未使用厂家推荐的润滑剂，或使用了脏油，或润滑过量或过少等，必须严格按《分厂设备润滑管理有关规定》实施润滑。

(3)装配不当

可采取纠正轴承垫片数；给波形垫圈正确定位；给油和干油的抛油环定位正确；所有垫圈都调到原始厚度方法加以解决。

(4)轴承箱磨损过度，轴颈磨损

应及时修复磨损件，更换损坏件。

(5)联轴器对正

应保证轮毂与轮毂的间隙合理；轴到轴的轴线间隙合理；以及需要时的润滑。

(6)非机械原因

例如应用领域不对；安装或机器操作不当；系统闲置期间，每周未旋转风机和马达的轴一次，并未保持轴承内均匀润滑等。

3.4 过热

(1)机器过热

必须采取如散热；增大空气流量；清理或更换入口空气过滤器；杜绝违规使用排风阀来控制流量；预防喘震等有效措施。

(2)轴承过热

该故障最为常见。轴承发热是轴承损坏的重要因素。通常是选择润滑剂类型错误，其物理性能无法满足使用要求造成的，因而必须严格按厂家推荐型号选择，且添加润滑油时不过量；或重新选择轴承的等级；装配程序不正确，电机和风机不同一中心线时，需调整两轴的同心度；环境温度太高，润滑剂易流失，应及时补充；轴承箱或固定器磨损：应适当调整轴承箱的螺栓松紧度，检查主轴或主轴上部件与轴承箱或轴承与轴承箱孔之间的磨损部位，并及时加以处理。

(3)马达过热

环境温度太高；电压不对；电压源不平衡；由于冷却造成的空气流量受限；马达过载即马达对于系统而言太小；V形皮带传动系统上的皮带张力不合适；轴承故障；启动太频繁；马达风扇旋转方向不正确等，皆会导致马达过热，应严格按照操作规程执行。

3.5 漏油

(1)油位过高或漏油过多

因油箱窥视镜破裂，操作工或维护人员给油箱加油过满或油位调整不当，导致油位过高；或迷宫式或碳圈密封泄漏严重，应严格按《分厂设备点检、维修规程》执行。

(2)油型号不对

只能使用风机厂家推荐使用的油。

(3)轴承组装不正确

必须及时调整、紧固或更换，如：轴承箱垫圈松动或损坏；抛油环弯曲或定位不当；垫圈堵住了回油孔；迷宫式密封排油孔不在底部；轴承箱内迷宫式密封松动等。

(5)管路堵塞

必须及时疏通，如：通风软管堵塞或被夹住，或吸潮器通风口或回油孔堵塞等。

(6)调整位置

加油器位于错误的机器一侧；到加油器的连接松动；机器不平整等，均需合理调整。

3.6 机器噪音大

该故障往往严重干扰环境，影响员工正常工作、休息及健康，必须采取有效的措施，使风机噪声降至环保的要求之内：

(1)马达或机器轴承噪音

添加干油量若过量，易导致轴承发热；若太少，则轴承易干。若固定器/锁定螺母松动或轴承安装不对，应进行紧固或调整；修补已磨损轴承箱；更换已坏轴承。

(2)轴的间隙或联轴器故障

若轴的间隙不够或联轴器间隙不对，应进行合理调整；若联轴器或挡板松动或损坏，必须立即紧固或进行更换。

(3)喘振

应加强运行监视，有效地防止其发生。

(4)马达有噪音

因电压不对、电压低(仅有铭牌上规定+10%)、电压失衡(两脚之间相差+10%)、电压频率(60Hz vs. 50 Hz)、安培数超过额定值、轴承损坏、风扇故障等引起，其对策是保证正确的电源电压、电流或相位，更换坏轴承，排除风扇故障。

(5)迷宫式/碳圈密封接触轴

应重新合理调整，修正其密封间隙。

(6)机器内或管道内有异物

尽量避免引起堵塞，必须及时清除。

3.7 喘振

喘振是突变型失速的进一步发展，是离心式压缩机特有的一种故障。它是风机出现周期性出风与倒流，导致机器内部振动增大，产生极不稳定的状况。喘振严重时，易导致风机叶片、管道系统或风机疲劳损坏，使竖炉炉膛负压产生波动，导致燃烧不稳。其起因是入口管道受限、出口管道堵塞、充气罐内液位增加或工艺差压、系统失衡、用阀调节不当或阀定时不正确等。而防喘振控制是保证风机正常运行和延长其使用寿命的关键，目的是始终保证工况点运行在防喘振线以下的安全区域内。必须加强运行监视，认真排查使防喘振装置处于良好状态，且迅速改变其工况，使之离开喘振区。

3.8 故障诊断软件的研发

竖炉燃烧风机常见故障种类繁多，成因复杂，处理困难，对SCR生产线正常生产和产品品质影响极大，应采取针对性的措施，防患于未然。对此，可采用VB语言研发出一种竖炉燃烧风机常见故障原因分析及对策程序FCAC1.0软件界面，且与故障诊断专家系统相配套，能为该机组故障诊断与处理、安全高效运行提供极大的帮助。该软件的主要优点是操作简单、易学易用、修改便捷，界面极具人性化，非常适于工厂设备操作、维修和管理等人员使用[4]。

4 结语

影响竖炉燃烧风机使用寿命的外因很多，正确的操作、日常点检维修及适时调整，极为重要。为提高该风机的安全性、可靠性和耐用性的性能指标，杜绝该机组被迫进行停机检修，不致于影响SCR生产线的正常生产和产品品质，以防万一，有针对性地对风机叶轮、轴承、叶片、联轴器、马达、管路、阀门等实施重点精确维护、定期检修、及时监控、适时更新等，可保证机组的安全、平稳和长周期运行，皆是十分必要的。可极大提高竖炉风机的工作效率和质量，降低能耗，增加风机使用寿命，从而实现低维护和优化SCR生产线综合生产指标的目标。

[1] 陈绪鹏，刘艳，王新建.离心式鼓风机常见故障及排除措施[J].机械设计与制造，2007，(7)：116-117.

[2] 陆蓓蕾，陈瑞球.数值模拟在离心风机中的应用[J].煤矿机械，2005，(1)：103-105.

[3] 何洁，白寒军.风机运行中常见故障原因分析及其处理[J].内蒙古科技与经济，2006，(24)：144-145.

[4] 陈宗华，梁晓刚，秦云龙，等.大型离心式压缩机组常见故障原因分析及处理措施[J].化工设备与防腐蚀，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

张伟旗(1965-)，男，江西余江人，高级工程师，大学本科，主要从事矿山机械、铜加工、有色冶金、机电设备工程等技术研究工作，现为中国机械工程学会高级会员。

TP227

B

1003-8884(2015)03-0016-05