基于振声分析的氨制冷机组的故障诊断与噪声治理.pdf

基于振声分析的氨制冷机组的故障诊断与噪声治理 ＊ 周 勃 陈长征 费朝阳 沈阳工业大学振动噪声研究所, 辽宁 110023 摘要 对某制药厂开启式螺杆压缩机组进行噪声测量和振动分析, 根据噪声的分布和特性以及振动频谱诊断出制冷 机的运行故障和噪声来源, 制定出消除故障和降低噪声的方案, 并在此基础上 , 通过优化复合吸声结构的参数设计制 造隔声装置, 从而消除安全隐患和改善工作环境 , 为大型机组的故障诊断和噪声控制提供借鉴。 关键词 制冷机组 振声分析 噪声治理 吸声结构 ＊辽宁省自然科学基金资助项目 20052042 ; 辽宁省教育高等学校 科学研究项目 05L284 0 引言 螺杆压缩制冷机组因其具有效率高、调节范围 大、 噪声低 、 寿命长的优点 ,已广泛应用在石油 、 化工、 制药 、 大型建筑的空气调节领域中 。但由于开启式螺 杆机的电机和压缩机需用联轴器单独连接,且转速比 较高 、 旋转部件多、 加工精度要求高 ,而成为故障多发 的设备之一 [ 1] 。 某制药厂的氨制冷开启式螺杆压缩机组是生产 环节的重要设备 ,单台运行噪声高达 105 dB, 2 台机 组同时运行则噪声更高, 严重污染工作环境 ,部分操 作工人出现头晕、气短、心跳加速等不良反应。众所 周知, 噪声对人体有非常大的危害, 人在 70 dB 的环 境中连续工作 12 h 会伤害听力 [ 2] 。同时, 机组强烈 地振动也预示着存有安全隐患。运行中开启的 1 号 机组振动剧烈, 某些部位振动烈度高达 22. 1 mm s 以 上,远远超过振动标准规定的报警值 7. 1 mm s [ 3] 。 为此首先对此机组进行噪声测量, 根据噪声值和 频谱初步判定噪声源的位置, 然后结合振动频谱分析 产生障碍的根本原因 ,最后做出相应的减振和降噪措 施,不但保护了工作环境 ,而且消除了机组的故障隐 患,为确保安全生产提供了保障, 同时可为其它大型 机组的维护和保养提供借鉴。 1 振声分析 1. 1 噪声测量 螺杆压缩机是根据容积变化压缩原理使制冷剂 成为高温高压气体的 。当机组运行时, 制冷剂气体的 容积在由阴阳转子的凸凹齿槽 、 密封油液和气缸壁围 成的空间内不断变化 , 经过吸气 、 压缩 、 排气的过程, 最后成为高温高压气体离开压缩机 。一般情况下 ,转 子中的阳转子是固定不动的, 运行时向阴阳转子喷射 润滑油,减少部件的摩擦并起到密封气体的作用。整 个机组的运转部件主要有压缩机 、联轴器和电机, 为 此在这些部位布置了 8 个测点位置 如图 1 来采集 机组原始的噪声值和频谱 ,并在机组满负荷运行的条 件下 ,用噪声测试仪分别测量距离机器测点为 1 m 和 0 m 的多次平均声压值 [ 4] , 如表 1 所示 。 图 1 机组噪声测点示意图 表 1 各测点的噪声测量值dB 测量 距离 m 测点 12345678 1102108103103103102110108 0106110104105105105112118 根据表1,测点2、 7、 8 噪声值较大, 即压缩机附近 振动噪声大 ,而电机附近则略小 。由此可初步估计, 噪声的主要来源是压缩机。为进一步分析压缩机附 近的噪声分布, 又测量了这些测点在各频带的噪声 值,见表 2。 由表 2 可知 , 几个测点 的频带主要 集中在 1 250～ 2 500 Hz, 说明机组发出的是高频噪声 。关于 电机的电磁噪声可用发射谐波的方法来消除 [ 5] ,但需 要知道电机间隙的气流密度谐波 [ 6] , 在此不予讨论。 当然 ,厂房周围的冷却水和润滑油系统也带来很多的 背景噪声, 这为噪声测量带来一定的不确定性 。最后 由厂方测定了机组的平均噪声为 105 dB,超出国家规 49 环 境 工 程 2007年 2 月第25 卷第1 期 定的工业厂房噪声标准 85 dB 。 表 2 各测点噪声的频率特性dB 测点 噪声频率 Hz 801603156301 2502 500 2100102100108109107 7105101102108112111 8107108110107117118 1. 2 振动分析 频谱是分析机组振动情况的便捷工具。本试验 使用 CSI 1910 型振动频谱分析仪进行测量 ,振动测点 如图 2 所示 。 图 2 机组振动测点布置示意图 通过测量结果可知, 在压缩机前后轴承附近的 3、 4、 5 点振动速度超过 10 mm s, 而其余各点均不超 过4 mm s, 说明振动源主要来自压缩机。测点 3 表示 压缩机前轴承的测量点, 如图 3～ 5 所示是测点 3 在 水平 、 轴向和垂直方向的频谱 。 图 3 压缩机前轴承在水平方向上的频谱 图 4 压缩机前轴承在轴向上的频谱 由图 3～ 5 看出, 测点 3 的轴向最大振动峰值达 到18 mm s, 而压缩机后轴承测点 4 的地脚振动速度 图 5 压缩机前轴承在垂直方向上的频谱 很大 ,达到了 22. 1 mm s,如图 6 所示。 图 6 压缩机后轴承地脚在垂直方向上的频谱 由频谱图分析得到 1 从振值大小来看,最大值出现在压缩机的进、 出口 测点 3 ～ 5 , 这是由于压缩机组阴阳转子齿间 吸入和排出空气时容积改变造成的压力差所带来的 流体振动和噪声 ; 2 从振动方向来看 ,轴向的振动是产生故障的 主要原因, 如测点3 轴向振动速度达到 18. 1 mm s,而 水平和垂直方向的振动速度均不超过5 mm s,说明电 机与压缩机的轴不对中; 3 从整个频谱来看, 振值最大均出现在 4 倍频 198 Hz ,而其他的频率分量振动速度几乎可忽略不 计。螺杆压缩机的阳转子数为 4, 即在 1 个转动周期 会碰磨4 次 ,说明转子啮合不良 ; 4 地脚测点也出现强烈振动 , 测点 4 的最大振 动值已达到 22. 1 mm s,表明机组未找正或是机组与 地基之间的隔振垫并未起作用 ; 5 机组在停机时的固有频率为 203 Hz, 而运行 时的频谱在 4 倍频出现峰值 198 Hz ,说明机组运行 时频率接近固有频率 ,容易发生共振 。 2 减振降噪措施 在分析机组的振动和噪声之后 ,采取相应方式消 减振动和噪声。管道与自由声场的传播有所不同 ,因 为管道将声波约束在内部可以将声波传得很远。螺 杆制冷机的流体噪声包括进气 、 排气 、 弯头、 三通等局 部阻力噪声和直管道中的噪声。若想消除流体振动 50 环 境 工 程 2007年 2 月第25 卷第1 期 所产生的噪声可拆卸管道并安装适当的消声器,但势 必会改变机组的设计阻力, 从而影响机组正常运行, 而且流动噪声比起其它振动噪声要小得多,因此处理 流体噪声的效果并不明显 。 开启式螺杆制冷机电机和压缩机依靠联轴器连 接,转子本身还有轴承支承。机器在安装和运行过程 中因多种原因可能引起转子不对中 ,从而引起联轴器 偏转 、 机器振动 、 轴承磨损和油膜失稳 。通过频谱分 析,发现工频幅值高, 有可能是角度不对中 。用激光 对中仪器调整同心度和水平度后 , 工频幅值略有 下降 。 螺杆压缩机在正常运转过程中 ,由于转子在排气 端受到轴向推力远大于吸气端的轴向力 ,为了平衡推 力,采用轴向推力轴承来减少轴向负荷 。拆卸轴承后 发现排气侧轴向定位轴承间隙大, 使得转子在啮合时 发生气阻 ,从而引起异常响声 。另外, 转子排气端的 气封部位出现严重的腐蚀冲刷现象 ,外部的金属保护 层脱落,因此采用了清洗转子并重新进行喷镀的方法 进行处理。最后 , 对压缩机附近的地脚钢架进行加 固,并重新找正 ,并在压缩机入口管道和波形管法兰 的连接处配重 5 kg ,以改变机组的固有频率 。 经过上述减振措施后, 机组的振动值下降到 7 mm s以下 ,得以安全和高效运行。但是机组的噪声 值仅减少了3 dB,机房内的环境仍十分恶劣 。这一方 面是由于机组周围的冷却水管道和油分离器等背景 噪声的影响, 另一方面说明机组的噪声来源十分复 杂,除了流体激振、 转子不对中之外 ,由于机组自身设 计、 加工、制造带来的问题才是产生噪声和振动的根 本原因。因此在厂方的要求下着重进行了噪声治理。 3 噪声治理 螺杆压缩机产生的噪声主要是通过空气传播的, 因此采用外加隔声罩的被动降噪方式来阻止声音的 传播。在了解机组的噪声水平 、分布规律 、 频谱特性 的基础上, 计算复合吸声材料的吸声频带 ,制定出相 应的吸声和隔声结构 。 一般来说, 吸声材料按其机理不同分为多孔性吸 声材料和共振吸声材料 。前者的吸声机理是声波进 入材料孔隙后, 引起孔隙中空气和材料的摩擦 ,声能 转化为热能而被吸收 [ 7] 。但由于多孔性吸声体的材 质多为玻璃棉、矿渣棉 、泡沫塑料, 因此对皮肤有刺 激、 吸水率高,同时容易变形和堵塞 ,受使用环境的限 制。共振吸声材料又分为薄板 、单腔、穿孔板和微穿 孔板共振吸声体 ,其中穿孔板因其吸声系数大, 吸声 频率宽,不受环境影响等优点而日益受到重视 [ 8] 。 通过计算选用的穿孔板在1 250 ～ 2 500 Hz的频 段具有很高的吸声性能, 但对于中频噪声吸声系数不 够理想 ,而制冷机组的噪声也含有中频成分 如表 2 所示 , 因此考虑将不同的吸声材料复合, 如图 7 所示 。 图 7 复合吸声结构的布置方式 如图7 ,在穿孔板一侧贴附吸声材料 , 穿孔板的 厚度为 d , 吸声材料的厚度为 D1,其与罩体壁面有一 个空气层, 空腔厚度为 D2。设计复合吸声结构就是 要既节省材料和空间, 还要满足最优的吸声性能, 为 此需优化各个参数。经过编程后的优化结果为 d 15 mm ,D175 mm ,D2 50 mm。此复合结构在630～ 2 500 Hz的噪声频带内平均吸声系数达到 0. 94。将 此复合吸声结构贴附在隔声罩内壁 ,同时为确保声音 完全隔断, 在罩体与管道的连接处设置了密封垫。最 后按照图 1 所示的各测点重新进行噪声测量, 结果如 表3 所示。 表 3 噪声治理前后各测点的噪声测量值比较dB 项目 测点 12345678 前102108103103103102110108 后7982807576808889 从表 3 看出 , 各点平均噪声值为 81 dB, 降低了 24 dB ,同时机房外的控制室由原来的 76 dB 下降到 52 dB ,完全满足工业企业厂界噪声标准 GB12348- 1990 。 4 结论 通过对螺杆制冷机组的振声分析发现,压缩机产 生剧烈振动和噪声的主要原因 ,在对故障部件进行对 中 、清理 、 加固基础和改变固有频率之后 , 消除了安 下转第 55 页 51 环 境 工 程 2007年 2 月第25 卷第1 期 图 8 三级生物反应床对 NH 4-N 的去除效果 够适应CODCr浓度和NH 4-N 浓度大幅度的波动, 且对 处理系统没有严重的影响 。运行期间 CODCr浓度最 高超过了10 000 mg L, 一般在5 000 ～ 8 000 mg L之 间; NH 4- N 浓度最高超过了1 500 mg L, 大多时均低 于1 200 mg L 。工程应用表明 渗滤液经过三级矿化 垃圾生物反应床串联处理后,CODCr和 NH 4- N 的总去 除率达到 90 和 95以上, 可稳定达到国家二、三级 渗滤液排放标准 。该工艺运行费约 4 元 t ,且投资费 用较小,是目前适合国情的一种渗滤液处理新技术 。 5 结论 1 矿化垃圾具有较大的吸附比表面积 ,较强的 离子交换容量, 有机质含量较高, 含有种类和数量可 观的微生物种群可供生物降解作用 ,具有极强的传输 水的能力 ,是很好的污水处理生物介质 。 2 研究结果表明 , 矿化垃圾生物反应床应用于 渗滤液的处理时,能够适应CODCr浓度和NH 4-N 浓度 大幅度的波动, 且对处理系统没有严重的影响 。矿化 垃圾生物反应床水力负荷高、去除效率高 、 抗冲击性 能强 。 3 矿化垃圾生物反应床工艺以其投资省 ,运行 管理简单方便, 处理效能高, 处理成本低、吸附效果 好、 净化出水水质稳定等优点 。 参考文献 [ 1] 赵由才, 边炳鑫, 王罗春等. 中等规模模拟填埋场垃极降解规律 的研究. 黑龙江科技学院学报, 2003,13 3 1 -5. 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And then a sound insulation cover was built by optimizing some parameters of the compound sound -absorbing structure. This can provide the reference for faults diagnosis and noise control of the large -scale units. Keywords chiller, vibration-acoustics analysis, noise control and sound-absorption structure THETECHNOLOGYOFLANDFILLLEACHATETREATMENTUSINGAGED -REFUSE BIOREACTORBian Bingxin Zhao Youcai Zhou Zheng et al 52 Abstract This paper isgoing to study the constituentsof aged -refuse less than 15 mm after being sieved and design aged -refuse bioreactors to treat landfill leachate with fillers of those constituents. It is shown that aged -refuse has larger adsorption specific surface area, biggish ion exchange capacity, higher contents of organic matter and considerable microorganism species groups both onvariety and quantity which are usedfor biodegradation. Thus it is a kindof excellent biomedium inwaste water treating. It is indicated in engineering applications that the total removal rate of CODCrand NH 4-N can be seperately high than 90 and 95 and the effluent can come up to the state landfill leachate discharging standard within the second grade or the third grade stably after being treated by three aged -refuse bioreactors in -line. Keywords aged-refuse, bioreactor and leachate STUDY ONAPPLICATION OF GEOCOMPOSITE IN LANDFILL XiaoHenglin Xiao Bin Zhang Suhang 56 Abstract The application of geocomposite drainage layers in landfill is introduced briefly. It was studied the permeability, shear strength, long -term reduction factors and other key inds of the material in deteail. The design was given. At last, the test, construction, and material -selecting were discussed and recommendations were given. Keywords geocomposite, drainage, landfill and shear strength 4 ENVIRONMENTAL ENGINEERING Vol. 25, No. 1,Feb. , 2007