Phân tích độ rung của quạt gió công nghiệp ID

Phân loại quạt gió công nghiệp

Quạt gió và máy thổi công nghiệp (gọi tắt là quạt gió) được phân loại theo tiêu chuẩn ISO 10816-3 dàng cho các dòng thiết bị/máy móc lớn. Quạt gió thường được sử dụng trong các nhà máy sản xuất và đóng vai trò quan trọng trong vận hành hoặc hỗ trợ làm mát, sưởi ấm hoặc vận chuyển sản phẩm. Những dòng quạt gió công nghiệp thường được sử dụng tại Việt Nam gồm ID, FD, CF, PA, vv…

Quạt gió ID (Induced Draft Fan) thường được sử dụng để hút khí thải ra khỏi lò đốt. Cánh quạt thường được làm bằng thép hoặc nhôm, có độ dày từ 1.5mm đến 3mm. Cánh quạt được thiết kế cong về phía sau để tạo ra lực hút mạnh. Góc nghiêng của cánh quạt thường nằm trong khoảng từ 25° đến 45°. Số lượng cánh quạt thường từ 8 đến 16 cánh.

Quạt gió FD (Forced Draft Fan) thường được sử dụng để cung cấp khí cho lò đốt. Cánh quạt thường được làm bằng thép hoặc nhôm, có độ dày từ 1.5mm đến 3mm. Cánh quạt được thiết kế cong về phía trước để tạo ra lực đẩy mạnh. Góc nghiêng của cánh quạt thường nằm trong khoảng từ 25° đến 45°. Số lượng cánh quạt thường từ 8 đến 16 cánh.

Quạt gió CF (Centrifugal Fan) thường được sử dụng để di chuyển khí hoặc bụi trong các đường ống. Được thiết kế với cánh quạt xoắn nên tạo ra một luồng khí xoáy theo hướng vuông góc với trục quạt. Cánh quạt thường được làm bằng thép, nhôm hoặc nhựa, có độ dày từ 1mm đến 3mm. Cánh quạt được thiết kế cong về phía sau để tạo ra lực ly tâm mạnh. Góc nghiêng của cánh quạt thường nằm trong khoảng từ 15° đến 30°. Số lượng cánh quạt thường từ 4 đến 12 cánh.

Quạt gió PA (Primary Air Fan) thường được sử dụng để cung cấp khí cho lò nung. Được thiết kế với cánh quạt thẳng và tạo dòng khí theo hướng song song với trục quạt. Cánh quạt thường được làm bằng thép hoặc nhôm, có độ dày từ 2mm đến 4mm. Cánh quạt được thiết kế cong về phía trước để tạo ra lực đẩy mạnh. Góc nghiêng của cánh quạt thường nằm trong khoảng từ 30° đến 45°. Số lượng cánh quạt thường từ 6 đến 10 cánh.

Quạt gió công nghiệp có thể hoạt động ở nhiều điều kiện khác nhau, bao gồm nhiệt độ cao, độ ẩm cao, bụi bẩn và hóa chất. Tuy có nhiều kiểu thiết kế, nhưng phổ biến nhất là dạng ly tâm hoặc trục hướng.

Theo thời gian, sẽ có những vấn đề xảy ra như mài mòn, hay sự tích tụ bụi bẩn trên cánh quạt …. Điều này dẫn đến sự mất cân bằng của cánh quạt khiến độ rung của cánh quang tăng dần theo thời gian. Nếu không xử lý kịp thời, sẽ gây tổn hại đến ổ đỡ khớp nối cơ động của cánh quạt.

Sự cố mất cân bằng rotor không phải lúc nào cũng diễn từ từ và có thể dự đoán được. Bụi bẩn bám trên cánh của quạt gió là một điều hết sức bình thường nhưng nếu sự cố vỡ/bong, nứt đột nhiên xảy ra sẽ khiến cánh quạt mất trạng thái cân bằng. Tình trạng này rất nguy hiểm, đe dọa đến an toàn của con người và hoạt động của nhà máy. Việc mất đi một quạt hoặc quạt gió duy nhất có thể khiến toàn bộ dây chuyền sản xuất bị đình trệ, gây thiệt hại đáng kể.

Do đó, việc theo dõi, giám sát độ rung động liên tục là cần thiết để phát hiện sớm các sự cố, ngăn ngừa hỏng hóc thiết bị. Ngoài ra, công suất tiêu thụ của quạt hoặc máy thổi thường chiếm hơn 12% tổng lượng điện sử dụng và có một sự thật được ghi nhận rằng một quạt gió mất cân bằng sẽ tiêu thụ hoặc lãng phí đến 15% nguồn năng lượng sử dụng.

Giám sát và phân tích độ rung của quạt gió công nghiệp

Phân tích rung động có thể được sử dụng như một công cụ để theo dõi tình trạng và chuẩn đoán lỗi cho máy móc công nghiệp. Trong bài viết này sẽ lấy ví dụ với quạt hút ly tâm FD (Forced Draft Fan).

Đây là một nghiên cứu trường hợp về quạt hút ly tâm (FD Fan) gặp phải hiện tượng rung động mạnh do mất cân bằng và cộng hưởng của cánh quạt (impeller) gần với tốc độ hoạt động. Phương pháp cân bằng thông thường sử dụng hệ số ảnh hưởng (influence coefficients) không hiệu quả do dữ liệu pha (phase data) bị thay đổi. Tuy nhiên, rung động đã được giảm xuống mức chấp nhận được bằng phương pháp bốn lần đo (four-run method) mà không cần dữ liệu pha.

Quạt gió FD cung cấp khí cho lò hơi và được dẫn động bằng tua bin hơi thông qua hộp giảm tốc như hình minh họa

Công nhân viên nhà máy lọc dầu đã báo báo về hiện tượng rung động mạnh chỉ vài ngày sau khi thay thế bạc đạn lô gió. Để khắc phục điều đó, nhà mát đã thay bạc đạn lô gió một lần nữa. Tuy nhiên, rung động vẫn ở mức cao. Dữ liệu rung động ban đầu được thu thập bằng máy phân tích rung động cầm tay, cho thấy độ rung chiếm ưu thế theo chiều ngang và xảy ra ở tần số quay 1x với tốc độ quay 1754 vòng/phút (tương đương 29 Hz) của quạt gió.

Trong quá trình kiểm tra quạt gió, kỹ thuật viên phát hiện 5 thiết bị cân bằng lực có trọng lực lớn và kích thước khác nhau đã được hàn xung quanh chu vi của cánh quạt. Điều này cho thấy sự cố mất cân bằng của quạt gió trước đó. Tuy nhiên, cánh quạt bị bao phủ bởi một lớp bụi bẩn mỏng nên rất khó quan sát liệu trọng lượng cân bằng có bị lỏng hay không.

Sau khi kiểm tra các kỹ sư không thấy có dấu hiệu hư hỏng rõ ràng và không tìm thấy vật thể lạ nào trong vỏ quạt. Lượng bụi bẩn trước và sau khi thay bạc đạn lô gió không có sự thay đổi. Vì vậy, việc kiểm tra không giải thích được sự thay đổi rung động sau khi lắp vòng bi mới. Chính vì thế cần xác minh các mục khác, bao gồm: Tốc độ định mức của ổ lăn (bạc đạn), khe hở ổ trục và bôi trơn thích hợp.

Thực hiện kiểm tra 

Độ rung xuất hiện ở tốc độ 1x là dấu hiệu điển của việc bị mất cân bằng của quạt gió công nghiệp. Tuy nhiên, cũng có thể do các yếu tố khác gây ra vấn đề rung động được tham khảo ở bản chuẩn đoán các lỗi thường gặp của quạt gió công nghiệp (sẽ được chú thích dưới bài.). Do đó, nhà máy lọc dầu đã yêu cầu thực hiện một thử nghiệm chi tiết hơn trước khi cố gắng cân bằng quạt FD tại hiện trường. Quy trình kiểm tra gồm các bước sau:

• Đo độ lệch vận hành (ODS) khi cánh quạt họa động ở tốc độ 1745 vòng/ phút có tải
• Theo dõi độ rung của vỏ ổ trục đồng thời giảm lưu lượng không khí đến lò hơi
• Kỹ thuật viên bảo trì kiểm tra  quạt khi ngừng hoạt động
• Đã tiến hành các thử nghiệm tác động lên chân đỡ bạc đạn và rotor của quạt.
• Tạo ra biểu đồ waterfall rung và đồ thị Bode trong quá trình giảm tốc (coastdown).
• Để giảm rung động, quạt gió đã được cân bằng lại bằng phương pháp cân bằng bốn điểm (four-run balance method).
• Cuối cùng, rung động của quạt gió được kiểm tra lại lần cuối ở lưu lượng gió tối đa.

Có một vài phần mềm có sẵn trên thị trường cung cấp phần mềm Clear Motion Systems có thể được sử dụng để thực hiện các phép đo đa dạng, độ lệch vận hành (ODS). Đầu tiên, một mô hình ở khung dây đơn giản được tạo ra từ kích thước cơ bản của quạt gió FD. Diễn biến không biến dạng của thân ổ trục. Biểu đồ không biến dạng của vỏ ổ đỡ, bạc đạn, chân đỡ bạc đạn và nền móng bê tông được hiển thị trong hình 2 theo dạng đường nét đứt.

Trong khi vận hành quạt gió ở tốc độ không đổi, gia tốc kế ba trục được di chuyển đến 18 vị trí khác nhau để đo độ rung theo ba hướng trực giao. Các góc pha được xác định từ một gia tốc kế tham chiếu đứng yên. Sau đó, phần mềm được sử dụng để tạo hiệu ứng rung động đo được (biện độ và pha) ở tốc độ 1x.

Độ rung cao nhất xảy ra ở phần phía trên của vỏ ở trục theo phương nằm ngang, Trong hình 2 có thể thấy chuyển động lắc lư trong đó cả hai đầu cửa hút gió và khớp nối đều chuyển động cùng pha. Độ rung tối đa là khoảng 6 mils pp ở tốc độ quay 1x (29Hz). Độ rung được đo trên nền bê tông là 3 – 4 mil pp, cũng được coi là quá mức. Tuy nhiên không có sự tách biệt đáng kể nào được tìm thấy giữa vỏ ổ trục, bệ và nền bê tông. Do đó, sự lỏng lẻo đã được loại trừ là nguyên nhân có thể gây ra độ rung cao.

Khi quạt gió được dỡ tải, lưu lượng gió giảm từ 70.000 Ib/giờ xuống bằng 0 với việc đóng các cửa gió (louvers) khiến tốc gió tăng từ 1745 lên 1760 vòng/phút. Trong thời gian này, mức độ rung của ổ trục quạt được theo dõi và không quan sát thấy sự thay đổi nào về độ rung khi ở tốc độ 1x. Điều này chứng tỏ rằng sự rung động không phải do lực động học gây ra. Cả hai bạc đạn vẫn có mức rung động gần như nhau, điều này cho thấy nguyên nhân chính của rung động là mất cân bằng tĩnh của cánh quạt (impeller) chứ không phải do sự mất cân bằng của khớp nối.

Khi tắt quạt, các thử nghiệm va đập sẽ được thực hiện bằng cách sử dụng búa có chứa cảm biến tải trọng. Kết quả cho thấy vỏ ổ trục không có bất kỳ tần số tự nhiên nào gần tốc độ khi quạt gió đang hoạt động. Tuy nhiên, tần số đo được ở cánh quạt ở 28 Hz và có vẻ nhạy hơn theo hướng trục như trong hình 3. Tần số riêng này có thể là chế độ lắc (wobble mode) của cánh quạt và có thể tăng lên trong quá trình hoạt động do hiệu ứng con quay hồi chuyển (gyroscopic effects). Một bài báo của RPRI do Smith thực hiện đã đưa ra ví dụ về chế độ lắc.

Khoảng cách tần số riêng của cánh quạt (28 Hz) và tốc độ hoạt động (29 Hz) quá gần nhau. Để đảm bảo hoạt động tin cậy, khuyến nghị cần có khoảng cách tần số tối thiểu 10%. Do đó, rung động của quạt có thể khuếch đại do điều kiện cộng hưởng và quạt sẽ nhạy cảm ngay cả với mất cân bằng nhỏ. Sự thay đổi về tình trạng mất cân bằng có thể do bụi bám, mất quả cân hoặc lắp không đủ chặt cánh quạt trên trục, khiến cánh quạt bị dịch chuyển nhẹ.

Dữ liệu thu thập được trong quá trình thử nghiệm, được thể hiện ở biểu đồ hình 4 và hình 5 cho thấy dao động ở đỉnh khi đang hoạt động. Không rõ sự thay đổi ở đỉnh thứ 2 là do thay đổi tốc độ đột ngột khi hơi nước bị cắt tới tubin hay đây là tốc độ giới hạn của quạt gió. Sự lệch pha đã xác định độ cộng hưởng. Ngoài ra, độ rung được khuếch trong mối liên kết bình phương từ tốc độ dự kiến do sự mất cân bằng.

Cân bằng

Trong quá trình kiểm tra, các vị trí cân bằng đã được tìm thấy xung quanh cánh quạt trước đó đã cho thấy sự cố khi cân bằng cánh quạt bằng phương pháp hệ số ảnh hưởng điển hình. Vì quạt hoạt động gần khu vực cộng hưởng nên các góc pha có thể thay đổi một cách đáng kể ở cả tốc độ vận hành hơi khác nhau. Rất khó để giữ tốc độ tuabin không thay đổi.

Nhà máy lọc dầu sẵn sàng khởi động và dừng quạt nhiều lần để thử nghiệm nên các kỹ sư quyết định thử nghiệm phương pháp four-run method. Four-run method là phương pháp tốt nhất để thử nghiệm cân bằng gần với mức cộng hưởng vì nó không phụ thuộc vào dữ liệu pha. Dennis Shreve thảo luận về quy trình cân bằng đơn giản này trong tạp trí UPTIME và chi tiết trong tài liệu (Balance This! Case Histories from Difficult Balancing Jobs). Vì vậy quy trình thử nghiệm four-run method sẽ không được viết ở đây.

Để chuẩn bị cho quá trình cân bằng four-run method, các cánh quạt được đánh số từ 0 đến 11 ( theo ngược chiều quay cánh quạt). Một máy đo tốc độ quanh học và một đèn báo hiệu được sử dụng để đảm bảo rằng tất cả các lần thử nghiệm đều đạt vận tốc 1745 vòng/ phút. Đối với trọng lượng thử nghiệm, một máy giặt có trọng lượng 3,2 ounce (0,091kg) được lựa chọn. Nguyên tác chung để xác định trọng lượng thử nghiệm thích hợp là lực mất cân bằng được tạo ra không vượt quá 10% trọng lượng rôto.

Do số rung động đầu vào cao hơn hơn một chút nên các giá trị này được sử dụng để xây dựng sơ đồ như trong hình 6. Phương pháp four-run method sử dụng các vòng tròn để thể hiện rung động từ mỗi lần thử nghiệm. Điểm giao nhau tương đối của các vòng tròn cho biết vị trí của quả cân bằng cuối cùng. Trong trường hợp này, 3.95 mils pp @ 131 độ nằm gần lưỡi quạt số 4. Trọng lượng điều chỉnh khi đó sẽ là 3.2 oz x 4.4 mils / 3.95 mils = 3.6 oz như trong hình 6 thể hiện.

Trọng lượng 4.0 ounce đã được thử nghiệm ở lưỡi quạt số 4. Được hiển thị trong bảng kết quả phía trên, số rung động đo được với trọng lượn 4.0 oz tương tự như ở lần chạy thử nghiệm 3. Do đó, các kỹ thuật viên đã quyết định đặt lại trọng lượng 4 oz đã được lắp đặt và ngừng cân bằng. Sau đó không có sự thay đổi nào được thực hiện nữa. Tất cả các kết quả được thể hiện ở bảng trên đều dành cho điều kiện không tải. Hình số 7 thể hiện độ rụng động trước và sau khi quạt gió được thử nghiệm của vận tốc 1745-1750 vòng/ phút với luồng không khí.

Kết luận

Với một hoặc hai tần số tự nhiên gần với tốc độ vận hành, quạt gió vẫn rất nhạy với một lượng nhỏ bụi bẩn tích tụ gây mất cân bằng v.v… Để có thể cân bằng lâu dài, tần số của rôto cánh quạt, cánh quạt và bệ phải có độ tách biệt ít nhất 10%  so với phạm vi tốc độ vận hành. Bộ phận bảo trì của nhà máy lọc dầu đã báo cáo rằng quạt gió này khó cân bằng và hiện đã được thay thế bằng một quạt gió mới.

Chính vì thế cần phải theo dõi độ rung thường xuyên để có thể kịp thời phát hiện lỗi để tránh trường hợp rủi ro ngừng hoạt động trong thời gian dài. Liên hệ LIDINCo để được các chuyên gia tư vấn miễn phí các giải pháp theo dõi rung động từ xa.

CÔNG TY TNHH ĐẦU TƯ PHÁT TRIỂN CUỘC SỐNG

Trụ sở chính: 487 Cộng Hòa, P. 15, Q. Tân Bình, TP. HCM
Điện thoại: 028 3977 8269 / 028 3601 6797
Email: sales@lidinco.com
VP Bắc Ninh: 184 Bình Than, P. Võ Cường, TP. Bắc Ninh
Điện thoại: 0222 7300 180
Email: bn@lidinco.com
Hotline: 0906.988.447