轴流通风机喘振现象分析及预防措施 摘要：就矿井轴流和离心两种风机并用发生的喘振现象，对喘振产生的原因进行了分析，指出了如何对喘振进行判断，并给出了几种消除喘振的解决方案。 0 引言 广元荣山煤矿炭厂坡井主通风机使用的是我院生产的FBCDZ№18/2&imes;132kW煤矿地面用防爆抽出式对旋轴流通风机，在使用过程中出现了风量、风压和电流大幅度波动，风机的振动增大，噪声增高的喘振现象，风机已经无法正常工作。为了减小对生产的影响，采取了一些临时性措施（如降低二级电机运行频率，或者分别调大一级、调小二级叶片安装角度），消除了喘振现象，但却降低了通风系统效率。 1 风机喘振现象及原因分析 风机发生喘振的现象及特点： (1)风机抽出的风量时大时小，产生的风压时高时低，系统内气体的压力和流量也发生很大的波动； （2）风机二级电动机电流波动很大，最大波动值有50A左右； （3）风机机体产生强烈的振动，风机房地面、墙壁以及房内空气都有明显的抖动； （4）风机发出“呼噜、呼噜&dquo;的声音，使噪声剧增； （5）风量、风压、电流、振动、噪声均发生周期性的明显变化，持续一个周期时间在8s左右。 根据对轴流式通风机做的大量性能试验来看，轴流式通风机的p－Q性能曲线是一组带有驼峰形状的曲线[1]（这是风机的固有特性，只是轴流式通风机相对比较敏感），如图1所示。当工况点处于B点（临界点） 左侧B、C之间工作时，将会发生喘振，将这个区域划为非稳定区域。炭厂坡井主通风机发生喘振，说明其工况已落到B、C之间。   通过对荣山煤矿实地调查分析得知：该矿矿井的通风方式采用的是两翼对角式抽风，如图2所示，该矿有一个进风口，两个回风口。两个回风口分别负责东、西两个大的采区工作面的通风，东面（二重岩）采用离心式抽风机抽风，西面（炭厂坡）采用我院生产的轴流式通风机抽风。显然公用风路上的风量是两台风机共同作用的结果，而每台风机又都单独承担了克服公用风路和其专用风路上的阻力，所以在公用风路上每台风机均多承担了一部分风压。若公用风路上的风阻越大，所通过的风量越多，则所消耗的风压亦越大，故每台风机所多承担的风压也增多[2]。再加上该矿在风量分流处的管网布置错综复杂，矿井通风的正常状况也就很难得到保障，所以使安全生产受到严重的影响。而且随着通风管网的扩展，采区在增加，阻力也会增大，综合分析，得出这样的结论：炭厂坡井通风机喘振是由于系统阻力太大所致。 2 喘振的判断与消除措施 一般来说，影响通风机的喘振的因素很多，很难用理论计算方法准确地求出喘振点，风机厂家给出的风机说明书上的喘振点，是根据通风机性能试验的试验数据来确定的。在煤矿实际生产中，由于受到环境的影响，同时管网布置错综复杂，新巷道的不断扩展，旧巷道的不断废弃，导致巷道阻力经常发生变化，因此，出现喘振的可能性时时存在。这就要求时时提高警惕，做好预防和消除喘振的措施。 在生产过程中，可从5个方面判断通风机是否在喘振点附近运行。 （1）根据通风机运行声音来判断：通风机在稳定工况工作时，其噪声是平稳连续的；当接近喘振工况工作时，由于气体在通风机和管网之间发生周期性的气体脉动[3]，而产生周期性“呼噜，呼噜&dquo;的声音，这时的噪声也明显增大。 （2）根据通风机进口压力来判断：通风机在稳定工况工作时，其通风机进口压力是稳定的；当接近喘振工况工作时，由于气流脉动，通风机进口压力会产生剧烈波动。 （3）根据通风机出口风量来判断：通风机在稳定工况工作时，其通风机出口风量是稳定的；当接近喘振工况工作时，由于气流脉动，通风机出口风量会产生剧烈波动。 （4）根据通风机电机电流来判断：通风机在稳定工况工作时，电机电流变化平稳，波动幅度很小；当接近喘振点工况工作时，电动机二级电流会产生剧烈波动，且波动幅度随着喘振强度增大而逐渐增加，但一级电流变化不是很明显。 （5）通过观察通风机的振动：通风机在稳定工况工作时，一般振动都在许可范围内；当接近喘振点工况工作时，由于气流脉动，整个机组和管网都会出现强烈振动[3]，且振动强度随着喘振强度增大而逐渐增大。 因此，在生产过程中，当观察到上述现象之一时，就不要再增加管网阻力，以免加剧喘振，应立即查找原因，采取相应措施，及时消除隐患。 当通风机发生喘振时，说明工况点已经落在了非稳定区域，应积极采取有效措施消除喘振，减小对通风机的损伤和对生产的影响。若想消除喘振，就得把工况点移到稳定区域。 根据实际解决的情况以及大量的经验，总结了7条消除喘振的措施。 （1）打开一部分靠近通风机集流器前段的水平风门或者防爆门，使外界空气能够少量溢入通风机，此时，外界风路与原网路并联工作，工况点由原来的非稳定区域移到稳定区域，喘振即可消除，但是这种方法能量损失比较大，只能作为临时性措施[4]。 （2）可以通过适当调小通风机二级叶片的安装角度，如果有使用变频器启动的，可以通过调低通风机二级电动机的运行频率，这样也可以消除喘振，但是这种方法实际上是降低了通风机的使用能力，也只能作为临时性措施。 （3）风流经过巷道的某些区域，由于风流速度的大小或方向发生急剧变化，引起空气微团剧烈碰撞，也有可能形成局部紊流，造成风流的能量损失，因此，可以通过改变巷道局部阻力的方法降低巷道阻力，这样就可以消除喘振。 降低巷道局部阻力，不但工程量小，而且可以取得良好效果，在现代生产中，一般都采用这种方法。降低巷道局部阻力主要方法：①改突然扩大断面为逐渐扩大断面；②改突然缩小断面为逐渐缩小断面；③转弯处采用合理的曲率半径；④采用合理的风桥结构[4]。 （4）扩大阻力较大的巷道断面积[4]。 （5）清理巷道内的废弃物料，修整巷道断面光整度，使通风网络流畅。 （6）根据实际情况，改变井下通风管网布置，如并联井下局部巷道可以改善系统阻力。 （7）更换使用更大功率、低转速的通风机，当然这种方法对财力、人力、物力都需要很大的投入。 3 结论 （1）在通风系统改造之前，应当正确估算工况点位置，适当调整，使其工况处在稳定区域，并与最高风压点有一定的剩余量，避免喘振现象出现[4]，为以后矿井的扩建做好准备。 （2）需要在日常生活中时常注意主通风机的运行情况，做好时时监测工作，有问题及时报告，防止喘振事故发生。 （3）若产生喘振，应首先采取临时性措施消除喘振，以保护风机，然后再根据实际情况采取相应措施消除隐患，减少对生产的影响。 （4）喘振的危害比较大，当发生喘振时应及时处理，否则可能会出现折断通风机叶片等事故的发生，给生产和矿井带来无法估量的损失。   参 考 文 献   [1] 孟凡绥. 轴流式风机喘振分析[J].华北电力技术，2001（12）：48-49. [2] 李庆军,侯国忠,黄晓波.浅谈多风井多风机分区并联通风[J].煤炭技术，2005（2）：67-68. [3] 武瑞林.煤气鼓风机的喘振现象及其预防[J]. 燃料与化工，1997（5）:281-283. [4] 陈静媛，孙华，等.风机喘振现象分析及消除措施[J].煤矿机械，2000（3）：41-42.    

中等功率风机驱动电机电压等级的合理选择 摘要：着重探讨了中功率段（220～1500kW）通风机合理选择其驱动电机电压等级的技术经济意义。提出了中等功率段通风机节能调速在目前阶段比较适用的“独立供电变压器+低压变频器+低压中功率电机&dquo;方案（高-低压方案），并针对方案应用低压中等功率变频器需要注意的周边相关技术问题作了简要说明。   1  引言 中等功率等级的风机（220～1500kW）应用面很广。其中很大一部分的风机需要变工况运行。以往由于电机调速手段的落后，风机的变工况（流量、压力）调节，主要采用出、进口导叶挡板调节、液力耦合器调速、电磁滑差调速、串级调速和转子回路串电阻等作为变工况运行的调节措施，这些调节方式不是耗能严重，就是存在调节性能差、运行可靠性低等缺点。近年来，交流变频调速技术已日趋成熟，并已成为大多数风机装置设计、运行人员的首选节能调速运行方案。 作为一种高效调速节能技术手段，变频调速方案在低功率段（220kW以下）风机装置中得到了日益广泛的应用，其主要得益于近阶段交流低压变频技术的日益成熟和其性价的不断提高，由此也给广大用户带来的良好的节能收益回报。相比较而言，中功率段风机由于我国电网配电电压等级的单一性，加之用电端功率220kW以上电机电压等级通常只有6kV或10kV可供选择（3kV已逐步淘汰），这使得该功率段若采用变频调速，只能采用对应电压等级的高压变频装置。而目前国内市场上中功率段6kV和10kV的高压变频器的单位功率价格通常要达到（1500～2500元/kW），高出同等级功率低压变频器的单位价格（300～500元/kW）数倍之多；使中功率段的风机采用变频调速的成本甚高，一次投入过高而回报期又相对较长，成为阻碍变频调速这一优势技术推广应用的价格壁垒。从技术层面来考察，高压变频器产品目前存在的技术程度复杂，技术成熟度不足，特别是运行可靠性方面还有待成熟完善，再加上用户对产品技术认识不足等原因，使高压变频器的应用也存在着一定的技术壁垒。这些均成为目前高压变频技术在风机调速节能领域推广应用的主要制约因素。 本文的主要目的是探讨如何通过合理的选择中功率段风机驱动电机系统的电压等级，从而设计组合技术成熟、投资经济性良好的中功率段风机变频调速。 2 技术及经济意义 2.1 技术意义 交流低压变频是现阶段成熟的技术，对于变频器而言，其工作电压的高低主要取决于变频器内PWM主回路逆变器件的耐压水平。目前690V以下低压变频器主流型逆变器件一般采用的耐压水平1200/1700V的IGBT模块。这个电压等级的IGBT技术目前已相当成熟稳定，并已被作为低压逆变的主导器件而广泛应用。由于大多数低压变频器的逆变主回路为同一设计类型，其输出功率等级由IGBT耐压和工作电流等级所决定。目前，国内对630kW以下低压变频器的制造和供货不存在任何问题；国外品牌的低压变频器普遍已达800～1500kW的功率等级，个别品牌最高可达2800kW。 低压变频器属于技术比较成熟的产品，国外应用低压变频器在风机调速运行的历史已将近30余年；国内在这方面的应用也有20年以上。根据某国外主流品牌低压变频器厂商介绍，其目前主导产品的平均无故障工作时间已达50000h以上，产品可靠性相当高。对于国内变频器厂商而言，大部分生产厂商目前已渡过了技术有欠成熟、产品质量不甚稳定的初创期，产品质量和运行可靠性也达到了一定的水平。在中功率段风机调速节能应用方面，国内外各大品牌的低压变频器均有着大量成熟的应用案例。 表1所列为目前国内市场可提供中功率段低压变频器品牌及相关型号。     表1国内市场中功率等级低压变频器主要品牌/型号 厂商品牌 型号 主要技术参数 VACON NXP/NXDRIVE 380～690V，3-PHASE，160～1500kW TIGERPOWER   TP3000 400～690V，3-PHASE，75～800kW ABB ACS800 380～690V，3-PHASE，200～2800kW SIEMENS   G150 380～690V，3-PHASE，75～1200kW SCHNEIDER  ATV38/ATV68 400～500V，3-PHASE，75～630kW 说明：630kW以下功率等级变频器，国内能够订制的变频器生产商较多，本表不予列举 2.2 经济意义 交流低压变频系统应用于中功率风机调速具有良好的经济性。目前国内除了一些特殊的电力终端用户（如煤矿、油田）外，用户设备终端电压等级，不外乎低压380V和高压6kV、10kV三种。我国现行的低压等级通用电机的最大机座号为H355，中功率段风机驱动通常选用6～10kV电机，对应这个机座号的极限电机功率也就是220kW左右。超过这个机座号通常只能选用6kV或10kV电机；而风机设计和运行单位，一般也试图通过提供终端用电设备的电压等级，降低电机系统运行线路损耗和提高系统效率。这几方面的原因，使目前H355机座（对应功率等级～220kW）以上的风机驱动电机全采用6kV或10kV的电压等级。而对于许多需要变工况调速运行的风机而言，正是这种不恰当地选择，成为应用变频调速这一高效节能调节手段的技术障碍。由于高压变频器结构复杂，制造技术难度高，同一功率等级的高压变频器与低压变频器价格又相差悬殊。这也意味着如果作为一种节能投资，采用高压变频方案要比采用低压变频方案的一次投入大数倍，投资回报周期相应也要长得多。这也使一些有着应用低压变频节能经验并产生实际经济收益的用户，难以确立采用高压变频器应用于风机节能调速的信心。同时技术程度的相对复杂，部分厂家产品实际运行中所反映性能不甚完善，甚至影响系统安全可靠运行等因素，也成为高压变频器推广应用的主要障碍。 因为受到逆变功率器件制造水平限制，高压交流变频核心部分的高压逆变的实现要比低压变频逆变困难和复杂得多。目前比较成熟的高压逆变实现方案不外乎多重化单元串联、三电平箝位和功率元件串联等几种。而无论通过哪一种方式实现高压逆变，其构成与低压逆变相比复杂得多。由此也就不难理解为什么相同功率等级的高压变频器与低压变频器的市场价格要相差3～5倍甚至更多。同时由于系统结构的复杂性，从系统工程角度来讲，要使高压变频器产品达到一定可靠性，实际要比低压变频器困难得多。大量运行实践的总结也印证了这一点。另外对于类似于不允许计划外停机的某些高可靠性要求场合，低压变频器也可以比高压变频器更方便、更容易和更经济地实现系统备用冗余（如工频应急旁路）。 表2是一个500kW风机驱动电机采用3种常用典型调速方案的技术经济性的简单比较。从中得出，“独立供电变压器+低压变频器+低压电机&dquo;方案（所谓“高—低方案&dquo;）是最佳选择的结论。如果考虑高压变频和液力耦合器调速方案相比，低压变频调速方案较低的动态维护费用的支出，低压变频器方案的优势将更为突出。 表3所列，是国内几位从事电气传动行业知名专家，比较一致提出的对中功率交流变频调速系统推荐采用的电压等级，从技术经济性角度考察是相当合理的。 综上所述，对于220～1500kW的中功率段风机调速，采用“独立供电变压器+低压变频器+低压电机&dquo;（高—低方案）的技术方案，其在技术方面是成熟可行的；如果从投入产出等方面综合考察方案的经济性，也较其他方案具有明显的成本和经济优势。 3 注意的相关问题 中功率段风机采用低压变频器调速方案实际应用中，必须充分考虑中功率段低压变频器的技术特点及其应用现场条件和用户对诸如电磁兼容性方面的要求，采取适当必要的周边技术保障措施，以使方案得到可靠和完美的实施。 3.1 谐波和干扰问题 谐波和干扰是应用变频器必须要关注的问题。每个变频器都是工作时的一个谐波源，如果不采取相应的技术措施，变频器运行时会对电源系统和周边设备产生不良影响。由于谐波发生量和产生的电磁干扰强度与变频器的功率密切相关,对于功率在220kW以上的中功率段变频器，抑制其对电网系统的谐波注入和对周边设备的电磁干扰显得尤其重要。否则将很可能使接于变频器同一供电电源下的其他设备和周边的电磁敏感设备（典型的如弱电控制设备）的工作异常。以下技术措施可根据现场条件和要求独立或组合使用，对于中功率段低压变频器的谐波和干扰抑制相当有效。     表2 典型500kW风机驱动电机调速方案经济技术性能比较   10kV高压变频 调速方案 高-低压变频器方案 液力耦合器调速方案 附 注   系统组成 10kV高压保护柜 +10kV多重化 高压变频器 +10kV高压电动机   10kV高压保护柜 +10/0.66kV 干式变压器 +0.66kV低压变频器 +0.66kV低压电动机 10kV高压保护柜 +10kV高压电动机 +液力耦合调速器   说明： （1)未计入配套土建和连接电缆等相关费用。 （2）按市场平均价估算。     系统投资 成本估算 高压保护柜：4.5万元 高压变频器：90万元 高压电动机：16.8万元 系统估算价：107万 高压保护柜：4.5万元 干式变压器：12.8万元 低压电动机：12.5万元 低压变频器：22.4万元 系统估算价：52.2万 高压保护柜：4.5万元 高压电动机：16.8万元 液力耦合器：10万元 系统估算价：31.3万元 运行后每年 节约电费额 约70万元 约70万元 约45万元 估算条件： （1）节约电费以入 口挡板调节方案为 参考估算依据； （2）风机平均工况 运行按额定风量的 80%估算； （3）年运行时间以 7000h估算； （4）电价以0.60元/kW&middo;h估算。 投资回收期  　约18个月 约10个月 约8个月 在役10年静态 节约电费总额 约700万元 约700万元 约450万元 在役10年静态 投入产出比 　 　约１：6.5   约1：13.4   约1：10 在役10年 静态计算收益       约600万元        约650万元       约400万元 系统可靠性     稍差         好 差           — 可维护性 不良 最好         差 系统冗余成本      高         低       不能实现  说明：不计入各方案的在役动态维护性支出费用。                  表3 中、大功率段风机驱动交流变频调速系统推荐的工作电压等级      推荐调速系统电压等级（kV）            备 注      220～500           0.4   优先推荐电压等级:  0.4、0.69、6.0、10.0(kV)      500～800          0.66/0.69      800～1600          0.66/1.14      1600～2500          3.0/6.0      2500以上          6.0/10.0    (1)单独设置变压器,使变频器电源与用户其他设备的低压电源隔离。目的之一是提供足够的输入阻抗，与变频器电缆寄生电容组成LC滤波器，将电网侧谐波限制在一定范围内；目的之二是可以抑制谐波与干扰通过同一低压回路直接向其它低压用户端传导。 (2)变压器多相运行。通常变频器的整流部分是6脉波整流器，所以产生的谐波较大。应用变压器的多相运行，可降低变频器输入的电流谐波分量。根据实测采用12脉波输入变频器后，变频器输入端总谐波分量将达到THD≤8%，基本达到电网对电能质量标准的要求。 (3)增设交流输入电抗器或直流电抗器。在变频器输入端加入交流电抗器或在其直流回路加入直流电抗器，可显著改善变频器输入端谐波含量，稳流削波，改善变频器输入端功率因素。 (4)变频器的输出端增设输出电抗器或专用滤波器。输出端设置电抗器或专用滤波器，可有效降低变频器输出电流中的高频分量引起的高频辐射干扰，降低电压突波对电机绝缘的影响，降低电机的电磁运行噪声。 (5)变频器输出电缆采用专用屏蔽电缆。经验证明，采用专用动力屏蔽电缆是抑制变频器输出端高频辐射的有效途径。 3.2 轴电流抑制 对于采用变频器供电的电动机，由于电压波形中存在着相当多的高频分量，这些高频分量除了通过变频器与电机绕组构成回路外，还会通过绕组与定子铁心间以及转轴、端盖、机座和接地线等之间形成寄生电容而构成高频通路。由于这些电容容量有限，在工频市电供电时其充放电过程形成的容性电流很小，可以忽略不计。当采用变频器供电且电机容量较大（110kW以上）时，由高频分量形成的轴电流密度可达数10A/mm2，轴电流将会引起电机轴承的严重电蚀。由于轴承的滚珠与滚道上有可能存在凸出点，旋转时通过该处的轴承电流断开，从而引起电弧，灼伤金属表面，这种微观损害的持续积累将会引起轴承的损坏。 实际应用中，对于中等功率等级以上的电机应通过保持轴承良好润滑而维持内外圈间润滑膜较高的绝缘电阻、轴承外圈与机座接触面喷涂绝缘漆、变频器输出端加入滤波器等抑制轴电流产生的措施，保障电机的可靠运行。 3.3 工频运行冗余问题 变频器应用的许多场合，通常不允许设备发生非计划停机。这种情况的经典设计是提供一套独立的工频应急旁路。对于采用独立供电变压器的低压变频方案，由于变压器负载的单一性，无需考虑电机在工频电源下启动时，由于启动电流冲击而造成低压母线跌落的影响。如果经验算，变压器高压侧母线在工频旁路直接启动时的电压在允许范围内，就可以采用直接启动。此时独立供电变压器类似于一个启动电抗，可以起到降低电机启动电流冲击的良好效果。对于双低压绕组的12脉波供电变压器方案，电机实行工频旁路运行时，将原两组分别向变频器两组串联整流器供电的低压绕组切换成曲折联接后，直接作为电机工频旁路运行的供电电源。 对于用户希望尽量减小启动电流冲击和机械冲击的场合，工频旁路电机启动时仍可采用软启动器、降压启动等传统成熟的启动方式，这可以在方案设计时一并予以总体考虑细化。 3.4 配套电机问题 如前所述，目前国内低压电机定型规格的最大机座号为H355，并由于大功率风机配套电机的极数通常均在6～10极，对应的最大电机功率也就在220kW以下。除了少数厂家有H355以上机座低压电机生产外，一般均需特别订制，生产批量小、供货价格高及交货周期长是普遍存在的问题。这也一定程度上影响了变频调速在中功率段的大量应用。 建议作为风机行业大用户的中大功率风机的主导生产企业，与电机制造行业内具有生产基础的单位合作，对H355机座以上的低压电机进行定型设计，以期降低生产成本和缩短交货周期，并有利于技术成熟且经济性良好的中功率低压变频系统在风机及相关行业的推广应用。这在技术上应不存在任何问题。对于老系统改造而言，用户可以采用将风机驱动的高压电机，通过绕组重绕或是更简便的串/并联改接等方法改造为低压电机，而使中功率低压变频系统应用在老风机系统节能改造时，可以用比较经济的方法得以实现。对此，国内已有很多成功应用的案例可供借鉴参考。    变频供电的电动机，由于其供电电压波形为非完全正弦波，同时电压波形的毛刺突波比较大，因此对其绝缘有抗电晕处理和适当增加绝缘设计裕度的要求，这在低压电动机设计选型时应予以一并考虑。 4 结论     大中型风机在国民经济各部门中是数量众多，分布面极广，耗电量巨大的设备。据权威资料显示，目前在用风机系统的能源利用效率比国际先进水平相差20%；差距是巨大的。这其中除存在风机本体设计效率低之原因外，很大的因素是高效能的调速设备应用不足，风机系统长期运行于低效区所致。因为中功率段风机存在着巨大的社会在役保有量，并且随着国民经济的发展，其应用量将不断增加，因而，在这个功率段推广应用经济技术性能良好的交流变频调速系统，其现实的节能意义无疑是相当巨大的。从目前阶段的技术水平和各类变频方案的经济性考察，采用“独立供电变压器+低压变频器+低压电机&dquo;技术方案（所谓“高-低方案&dquo;），并辅以必要的周边技术措施，是目前可应用在（220～1500kW）中功率段风机节能调速中首选的技术方案。