基于負載分析的風機狀態監測技術及應用

彭 松，楊 成，牛 焱，邵崇杰

（北京奔馳汽車有限公司，北京 100176）

0 引言

隨著檢測技術和計算機技術的快速發展，對風機運行狀態的在線監測越來越普及，這不僅能及時了解風機當前的工作狀態，而且還可進行監測報警和故障預報，并能高速瞬時地保存大量異常信息以便進行故障分析。這在很大程度上可以避免重大事故的發生，對保證設備的安全可靠運行，降低設備維護費用，提高運行效率具有十分重大而深遠的意義[1]。目前，變頻調速技術已經成為現代電力傳動技術的一個主要發展方向。卓越的調速性能、顯著的節電效果，改善現有設備的運行工況，提高系統的安全可靠性和設備利用率，延長設備使用壽命等優點隨著應用領域的不斷擴大而得到充分的體現[2]。

某車企涂裝車間僅ASU（Air Supply Unit，送風單元）工藝送排風和Oven烤箱系統的送排風就包含104臺風機，其中功率37 kW以上的有85臺，功率100 kW以上的有38臺。這些風機絕大部分都與噴漆車間工藝生產線的溫濕度直接相關，一旦風機出現任何故障將影響工藝送風的溫濕度從而導致生產停線（圖1）。一般來說，風機最容易出現問題的地方就是驅動電機，因此監測其電機運行狀態十分必要。

1 負載分析

圖1 色漆排風故障風機更換現場

由于車間現場使用風機均為定轉速，在上位控制系統中設置風量，根據風壓自動調整電機頻率。根據公式P=Tn/9550=（T葉輪+T轉子）n/9550，其中，P為功率，T為總負載（包含葉輪部分負載T葉輪及轉子克服摩擦負載 T轉子），n為電機轉速。可知，定轉速風機的功率P完全與其負載T成正比，所以風機的負載T上升將導致電機功率P上升，進而導致設備的耗電量增加。進一步分析可知導致定轉速風機負載增大的情況有2種情況。

（1）葉輪負載增大。此種情況可能是工藝風道出現堵塞等情況導致。

（2）轉子負載增大。此種情況直接與電機軸承的磨損嚴重程度相關，如果排除工藝上導致葉輪負載增大的因素，基本上可以通過負載來反映軸承磨損狀況。

根據公式P=UI，其中，U為電機工作電壓，I為電機工作電流。可知，由于電機工作電壓不變，電機功率上升導致其電流增加。根據公式Q=I2Rt，其中，Q為電機發熱量，I為電機工作電流，R為電機內部電阻、t為工作時間。當I增加、R不變，單位時間內電機的發熱量增加，隨著時間t增加，電機溫度越來越高，如果電機沒有過熱保護將造成電機高溫燒毀。

綜上所述，可知電機負載增大將導致諸多問題，通過監控電機負載（圖2），及時安排維修人員現場檢查，可以避免電機長時間高負載運行，不僅節省電能，同時也避免的電機燒毀的情況發生。

2 負載數據收集及處理

現場電機數據通過Lenze 9400變頻器進行收集，在保證生產及工藝不受影響的前提下，利用Lenze Engineer軟件進行遠程在線方式收集電機的負載、電流、電壓和溫度等相關數據（圖3）。

圖2 風機工藝系統Integra界面

圖3 Lenze Engineer軟件中電機參數界面

目前已經對該涂裝車間104臺大型風機建立了負載監控系統及數據庫，通過分析結果可及時精準的安排風機檢修計劃。

3 效果與效益

3.1 節能降耗

通過電機負載趨勢圖（圖4）可以監測現場風機的運行狀態，當負載急劇增加或出現上升趨勢，及時安排檢查送排風設備，發現過燃燒器前擋火板出現了堵塞或風閥機械卡死，通過及時清理擋火板或調整風閥可顯著降低風機電機運行負載，僅此舉每年能為公司涂裝車間ASU及烤箱送排風系統節省電能約1.0×107 kW·h。其中，節省電能=∑（風機高負載時電機功率-風機低負載時電機功率）×運行時間。

圖4 電機負載趨勢

通過點修補ASU風機負載趨勢圖（圖5）可以發現，2017年6月僅兩臺點修補送風風機負載就比2016年6月，分別增加了40%和72%。通過對整個工藝環節相關的設備進行檢查，發現了新風入口擋火板出現了嚴重堵塞（圖6），通過及時處理降低了電機負載，不僅給公司節省了電費，同時也避免了風機電機長時間滿頻運行高溫損壞或壽命縮短。此類問題也出現在了其他的風機上。

3.2 避免重大停機

該監控系統成功預警了多次大風機故障，安排非生產時間及時更換電機（圖7，密封膠烤箱加熱1段風機、注蠟排風風機、閃蒸烤箱加熱段風機和色漆循環抽風風機等），多次避免了重大停機的發生，有效保障了生產。

4 總結

圖5 點修補送風風機負載趨勢

圖6 點修補送風系統擋火板清洗堵塞前后對比

圖7 色漆循環風機更換現場

從預見性維護方面著手，針對噴漆工廠104臺大型風機，利用Lenze Engineer軟件建立了風機負載監控系統及數據庫，獲得以下主要結論。

（1）通過分析風機負載趨勢可預判風機運行狀態，及時調整風機維護工作，預防重大停機發生。

（2）通過分析風機負載趨勢可在風機節能降耗方面都發揮重要作用。