空冷風(fēng)機單元振動故障原因分析及處理

楊德榮，田正彬，陳磊，周建軍，王勇強，郭大營，劉聰

（1.大同煤礦集團電力能源有限公司，山西省 大同市 037003；2.山西京玉發(fā)電有限責(zé)任公司，山西省 朔州市 037200；3.中國電力工程顧問集團華北電力設(shè)計院工程有限公司，北京市 100120；4.北京國際電氣工程有限責(zé)任公司，北京市 100041）

0 引 言

山西右玉電廠工程于2010年4月15日開工建設(shè)，安裝2臺330MW直接空冷機組，分別于2011年12月29日、2012年1月16日通過168h試運。該項目空冷島未采用由空冷設(shè)備廠家總承包的傳統(tǒng)方式，而由設(shè)計院進(jìn)行整島設(shè)計（此方式在國內(nèi)電廠建設(shè)項目中為數(shù)不多），設(shè)備由業(yè)主分別采購。雖然在試運過程中發(fā)生了空冷風(fēng)機單元振動故障，但最終得以解決，這對提高空冷島自主設(shè)計水平、降低工程造價，有著積極意義。本文分析風(fēng)機單元振動原因和規(guī)律，給出消除振動的措施。

1 風(fēng)機單元基本情況

1.1 風(fēng)機單元振動故障概況

2011年8月1、2號機組進(jìn)行空冷風(fēng)機試運時，風(fēng)機橋、減速機、電機振動都很大。風(fēng)機在60%額定轉(zhuǎn)速時振動不穩(wěn)定；在90%～110%額定轉(zhuǎn)速時發(fā)生風(fēng)機橋架共振現(xiàn)象；在110%額定轉(zhuǎn)速時電機端部（測量位置如圖1所示）水平振幅為1～2mm。有些時段振幅超出測振儀的量程（不大于2mm），人站立在風(fēng)機橋架上感覺振動劇烈，威脅人身及設(shè)備安全，只能做短時間測試。從2011年8月至2012年1月通過長時間的試驗與摸索，最終將振動控制在符合規(guī)程要求的范圍內(nèi)，為后續(xù)工程提供了經(jīng)驗。

1.2 主要設(shè)備及結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖1 振動測量位置Fig.1 Measuring position of vibration

該工程每座空冷島采用5×6風(fēng)機單元，空冷平臺由9根鋼筋混凝土空心立柱支承，柱頭高度為29m，平臺下部鋼結(jié)構(gòu)為桁架結(jié)構(gòu)，由立柱支承，管束采用懸掛結(jié)構(gòu)由固定在平臺上的A型架支撐。每套空冷風(fēng)機組由減速機將不同軸的立式電機和大直徑風(fēng)機連接而成，減速機固定在底板上，減速機底板與風(fēng)機橋架臺板采用螺栓連接。風(fēng)機橋架采用鋼桁架結(jié)構(gòu)，桁架跨度為11.72m，寬為2m，高為1.5m，風(fēng)機橋架除端部支座外與空冷平臺桁架無其他拉結(jié)［1］。

1.3 國內(nèi)空冷電廠空冷風(fēng)機運行情況

目前空冷島總包商有基伊埃電力冷卻技術(shù)（中國）有限公司、上海電氣斯必克工程技術(shù)有限公司、哈爾濱空調(diào)股份有限公司、雙良節(jié)能系統(tǒng)股份有限公司、北京龍源冷卻技術(shù)有限公司等眾多國內(nèi)外廠商，在國內(nèi)有大量運行業(yè)績。通過對國內(nèi)多個空冷機組電廠的調(diào)研、分析得知，空冷風(fēng)機在100%額定轉(zhuǎn)速工況下，電機端部振動振幅為0.10～0.50mm。此振動大致可以分為4檔，第1檔在0.10mm以內(nèi)，第2檔為0.10～0.20 mm，第3檔為0.20～0.40mm（多數(shù)電廠為此檔），第4檔為不超過0.50mm（個別電廠）。右玉電廠的空冷風(fēng)機振動情況比較嚴(yán)重，風(fēng)機無法正常運行。

1.4 相同設(shè)備在其他電廠運行情況

國電榆次電廠風(fēng)機為豪頓華公司產(chǎn)品、減速機為SEW公司產(chǎn)品，與右玉電廠相同，在全速工況下電機端部振動速度為5～6mm／s。大唐臨汾電廠的空冷風(fēng)機電機為湘潭電機廠產(chǎn)品，與右玉電廠相同，在全速工況下電機端部振動速度為3～4mm／s。不同廠家設(shè)備參數(shù)對比結(jié)果如表1所示。

表1 不同廠家設(shè)備參數(shù)對比Tab.1 Equipment parameters comparison between different manufacturers

從表1可看出，右玉電廠與其他項目的主要差異為風(fēng)機轉(zhuǎn)速高、葉片數(shù)少、電機重心高；橋架形式及型鋼規(guī)格各廠家差異明顯。目前常見的風(fēng)機橋架有梁式和桁架式，梁式剛度較小，桁架式剛度較大［2］，但從運行情況來看，采用梁式結(jié)構(gòu)和規(guī)格相對較小的H型鋼，仍可取得良好的效果。從表1可判斷，風(fēng)機、減速機、電機設(shè)備本身沒有問題，振動可能是設(shè)備系統(tǒng)的綜合因素引起的，尤其應(yīng)關(guān)注風(fēng)機橋架的設(shè)計。

2 風(fēng)機橋架加固措施及振動測試

采取多種措施對風(fēng)機橋架進(jìn)行加固，這些措施分別為：在風(fēng)機橋架兩側(cè)設(shè)置2根φ108 mm×5 mm鋼管（如圖2所示）；減速機底板設(shè)置加勁板；改變風(fēng)機葉片角度；減速機底板增加減振橡膠墊等。在采取風(fēng)機橋架兩側(cè)設(shè)置2根φ108 mm×5 mm鋼管前、后對電機端部及減速機進(jìn)行了振動對比測試。在110%額定轉(zhuǎn)速時，加固前電機端部x向振幅大于2 mm，加固后振幅減小到1.4 mm；在100%額定轉(zhuǎn)速時，加固前電機端部x向振幅為1 mm，加固后振幅減小到0.4 mm。在此基礎(chǔ)上，又采用在減速機底板上設(shè)置加勁板的措施，測試結(jié)果為：在110%額定轉(zhuǎn)速時，電機端部x向振幅減小到0.8～1.1 mm；在100%額定轉(zhuǎn)速時，振幅減小到0.25～0.3 mm。其他措施效果均不明顯或振動情況加劇。

圖2 風(fēng)機橋架加固Fig.2 Fan bridge reinforcement

試驗結(jié)果表明，采用在風(fēng)機橋架兩側(cè)增加支撐的加固措施是有效的，風(fēng)機橋的最低階計算自振頻率從加固前的約9Hz提高到加固后的12Hz，有效地避開了高轉(zhuǎn)速下風(fēng)機橋架共振（100%額定轉(zhuǎn)速時風(fēng)機葉片通過頻率［3］為8.75Hz，110%額定轉(zhuǎn)速時風(fēng)機葉片通過頻率為9.62Hz）。通過頻譜分析得知，無論加固前、后，振動振幅的主要成分是葉片通過頻率［2－3］。

通過上述一系列試驗，最終確定采用在風(fēng)機橋架兩側(cè)分別加固2根鋼管和在減速機底板上焊接2根T型鋼（增加減速機底板剛度）的方案。該措施可以提高風(fēng)機橋架x向的剛度，但對y向剛度改善不大；可以限制振動的振幅，并可消除一定振型的共振，但無法消除所有低階振型的共振。采取此措施后，大部分風(fēng)機在100%額定轉(zhuǎn)速時，可將振動速度控制在7.1mm／s以內(nèi)，振幅控制在0.37mm 以內(nèi)，但不能超過100%額定轉(zhuǎn)速運行，無法滿足夏季工況，并且在60%額定轉(zhuǎn)速時仍存在振動不穩(wěn)定現(xiàn)象（不能在該轉(zhuǎn)速附近運行），影響冬季防凍。

3 風(fēng)機組振動特性試驗

3.1 電機和減速機空轉(zhuǎn)測試

為排除葉片通過頻率的影響，摘掉該風(fēng)機的葉片，空轉(zhuǎn)電機和減速機，測試不同轉(zhuǎn)速下的振動情況。測試表明，除存在電機轉(zhuǎn)動頻率外，還存在9.63、13.63Hz的自振頻率；在60%和110%額定轉(zhuǎn)速附近存在振動峰值，頻譜成分主要為上述自振頻率；100%額定轉(zhuǎn)速以內(nèi)電機振動y向較x向大，60%額定轉(zhuǎn)速附近風(fēng)機橋z向振動很大，110%額定轉(zhuǎn)速下電機振動x向較y向大。雖然不帶葉片時激振力不大，但整體振動還是非常明顯，數(shù)據(jù)見表2。

3.2 葉片0°安裝角度測試

將風(fēng)機葉片安裝角度調(diào)整為0°，在葉片升力較小的情況下，考察葉片通過頻率對振動的影響。試驗結(jié)果表明，在60%和110%額定轉(zhuǎn)速時仍然存在共振現(xiàn)象，振動頻譜成分主要為葉片通過頻率和橋架自振頻率，而且由于激振力的增大，振動較空轉(zhuǎn)電機及減速機時更為明顯。風(fēng)機葉片安裝角度為0°時的振動情況如表3所示。

表2 空轉(zhuǎn)電機及減速機時振動情況Tab.2 Vibration of reducer and motor without load

表3 風(fēng)機葉片0°安裝角度振動情況Tab.3 Vibration situation at 0°installed angle of fan blade

3.3 減速機剛度測試

在連接正常的情況下，減速機箱體上法蘭與電機支座下法蘭存在明顯的振動差異，表明該處結(jié)構(gòu)剛度不足，測量位置在圖1中A、B處。雖然該型減速機在其他工程項目中運行情況良好，但從測試數(shù)據(jù)可看出，其上部（與電機連接部分）結(jié)構(gòu)設(shè)計偏弱，今后設(shè)備選型時要關(guān)注這一問題。減速機箱體上法蘭與電機支座下法蘭振動測試結(jié)果如表4所示。

表4 減速機箱體上法蘭與電機支座下法蘭振動測試結(jié)果Tab.4 Vibration test results of reducer casing upper flange and motor seat under flange

3.4 試驗結(jié)果

試驗表明，風(fēng)機橋架穩(wěn)定性不好，在沒有負(fù)載或風(fēng)機出力很小的情況下，風(fēng)機橋架和電機已表現(xiàn)出明顯的振動響應(yīng)，振動頻譜主要由風(fēng)機橋架自振頻率和葉片通過頻率構(gòu)成。減速機上部的電機支座結(jié)構(gòu)剛度不足，但已安裝完畢，橋架和風(fēng)機組結(jié)構(gòu)都難以改變。

4 改變風(fēng)機葉片數(shù)量試驗

4.1 風(fēng)機5葉改6葉試驗

由于橋架完成加固后，結(jié)構(gòu)方面已難以采取其他措施，因此只能在風(fēng)機上采取措施?？紤]改變?nèi)~片的通過頻率范圍以盡量避開共振區(qū)，并驗證奇數(shù)葉片和偶數(shù)葉片對振動的影響。

將一臺風(fēng)機在原5個葉片的基礎(chǔ)上增加1個葉片，分別以11.4°、8.9°、12.2°的安裝角度進(jìn)行轉(zhuǎn)動測試。測試結(jié)果表明，6葉風(fēng)機振動較5葉風(fēng)機明顯降低，60%額定轉(zhuǎn)速附近的振動不穩(wěn)定區(qū)基本消失；不同葉片安裝角度，相應(yīng)振動存在一定差異，但與5葉風(fēng)機相比，振動明顯減小。風(fēng)機5葉改6葉測試結(jié)果如表5所示。

表5 風(fēng)機5葉改6葉測試結(jié)果Tab.5 Test results of changing fan blade number from 5to 6

通過頻譜分析可知，6葉風(fēng)機在17～18 Hz附近存在一個自振頻帶，為振動的主要成分，電機一倍頻及葉片通過頻率也可以檢出，但成分并不大；在不同轉(zhuǎn)速下，自振頻帶的振動始終為主要成分，只有在大于110%額定轉(zhuǎn)速時，葉片通過頻率的振動成分才開始明顯增加，而5葉片工況，通過頻率始終為主導(dǎo)成分，振動很大。更換成6葉片后，通過頻率的影響幾乎消失，振動大幅度降低，其他因素才顯現(xiàn)出來；振動的方向發(fā)生改變，5葉風(fēng)機在全部轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)均為x向振動大，6葉風(fēng)機在小于50%和大于110%額定轉(zhuǎn)速時為x向振動大，在60%～100%額定轉(zhuǎn)速時變?yōu)閥向振動大，與空轉(zhuǎn)電機和減速機時現(xiàn)象一致。在相同轉(zhuǎn)速下，隨著葉片安裝角度增加，振動有增大趨勢。

4.2 6葉風(fēng)機葉片9.0°安裝角度試驗

根據(jù)風(fēng)機廠資料，6葉風(fēng)機葉片9.2°安裝角與原5葉風(fēng)機出力相同，6葉風(fēng)機葉片8.9°安裝角在116%額定轉(zhuǎn)速時與原5葉風(fēng)機在110%額定轉(zhuǎn)速時出力相同。該風(fēng)機葉片許用葉尖速度為60 m／s，對應(yīng)120%額定轉(zhuǎn)速，考慮之前的試驗情況，最終確定采用9°安裝角。將該風(fēng)機6個葉片角度調(diào)整至9.0°（±0.1°）測試，在30%～110%額定轉(zhuǎn)速時，電機端部最大振幅大多數(shù)工況下不超過0.1 mm，運行平穩(wěn)。振幅和振動速度均為80%額定轉(zhuǎn)速時的最大值，振幅約為0.11 mm，振動速度為4.9 mm／s，效果非常理想。6葉風(fēng)機葉片9.0°安裝角度測試結(jié)果如表6所示。

表6 6葉風(fēng)機葉片9.0°安裝角度測試結(jié)果Tab.6 Test results at 9.0°installed angle of 6－blades fan

為驗證低溫工況對風(fēng)機振動的影響，2012年1月24日再次試轉(zhuǎn)了該風(fēng)機，在70%額定轉(zhuǎn)速以下時振動變化不明顯，在80%～100%額定轉(zhuǎn)速時振幅約增大了0.03 mm，在110%額定轉(zhuǎn)速時增大了0.05 mm。此時環(huán)境溫度為－12℃，空氣密度較秋季試驗時大，同轉(zhuǎn)速下，風(fēng)機出力增大，因而振動略有增大。

4.3 風(fēng)機改造方案

將2臺機組共60臺風(fēng)機全部更換成6葉輪轂，采用9.0°（±0.1°）的葉片安裝角度。改造后整體效果良好，克服了60%額定轉(zhuǎn)速時附件振動不穩(wěn)定現(xiàn)象，可以滿足30%～110%額定轉(zhuǎn)速時安全運行。在100%額定轉(zhuǎn)速工況下連續(xù)測量電機端部振動情況，讀取瞬時最大值，有31臺風(fēng)機振幅小于0.10 mm，其中1臺風(fēng)機在110%額定轉(zhuǎn)速工況下，振幅僅為0.06 mm，16臺為0.10～0.15 mm，10臺為0.15～0.20 mm，3臺振幅偏大，超過0.27 mm。

5 風(fēng)機橋架模態(tài)測試

由于風(fēng)機組振動情況存在一定差異，于是選擇3臺風(fēng)機，對橋架進(jìn)行靜態(tài)響應(yīng)、動態(tài)響應(yīng)、相鄰風(fēng)機單元運行時的響應(yīng)等測試，測試結(jié)果如表7所示。

表7 風(fēng)機橋架低階模態(tài)測試Tab.7 Low－order model test of fan bridge

由表7可對上文分析作如下說明：

（1）空轉(zhuǎn)電機和減速機時測得的9.63、13.63 Hz自振頻率，判斷為橋架豎向一階、二階（或橫向一階）頻率。

（2）在橋架加固以后，5葉風(fēng)機在110%額定轉(zhuǎn)速時仍無法運行是由于葉片通過頻率與豎向一階或橫向一階頻率接近，振動響應(yīng)較強。

（3）6葉風(fēng)機振動頻譜中17～18 Hz的自振頻率，與橋架橫向二階和豎向三階頻率基本吻合，判斷其為影響振動的主要振型。

（4）6葉風(fēng)機在80%額定轉(zhuǎn)速工況下振動最大，而17～18 Hz的自振頻率恰好約為葉片通過頻率的2倍，偶數(shù)葉片是否存在2倍通過頻率的激振力，且與橋架自振頻率相耦合，尚需進(jìn)一步研究。

（5）3臺風(fēng)機橋架的主要振型頻率基本一致，但橫向一階頻率存在較大差異，判斷與不同風(fēng)機振動差異有一定聯(lián)系，可能與橋架加固及安裝情況有關(guān)；該階頻率較低時，風(fēng)機處于高轉(zhuǎn)速運行工況，將可能落入共振區(qū)。

6 相關(guān)振動標(biāo)準(zhǔn)及限值

（1）參考GB／T6075.3—2001、ISO10816－3—1998標(biāo)準(zhǔn)，給出第2組機器柔性支承B／C區(qū)域邊界限值為0.071 mm 和4.5 mm／s，C／D區(qū)域邊界限值為0.113 mm和7.1 mm／s［4］。

（2）GB／T6075.3—2001、ISO10816－3—1998標(biāo)準(zhǔn)的振動準(zhǔn)則適用于額定工作轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運行狀況下在機器軸承、軸承座或機座上現(xiàn)場進(jìn)行的寬頻帶振動測量［4］，在電機上檢測到的主要振動頻率為風(fēng)機葉片通過頻率或橋架自振頻率，電機轉(zhuǎn)速頻率的振動為次要成分，寬頻可以很好地反映振動情況。標(biāo)準(zhǔn)給出了振幅和振速2個限值，在這種情況下，用振速來評判振動情況更為客觀，而用振幅不易準(zhǔn)確評價振動狀態(tài)，其振動頻譜不是通常的轉(zhuǎn)速一倍頻占通頻主要成分，尤其不能以電機轉(zhuǎn)速對照轉(zhuǎn)動設(shè)備振動通則作為判斷依據(jù)。

（3）電機的振動不是由自身原因引起，而是由被驅(qū)動的風(fēng)機與橋架等支承系統(tǒng)相互作用傳遞到電機上的。對于電機而言，相當(dāng)于處于有背景振動的情況下，因而在電機上直接測量到的振動，不能完全反映電機的工作狀態(tài)，應(yīng)當(dāng)有所區(qū)別。

（4）GB50040—96《動力機器基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》和DL5022—2012《火力發(fā)電廠土建結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)規(guī)定》均未對風(fēng)機橋的動力計算及振動控制作明確規(guī)定［5－6］，現(xiàn)有的工程設(shè)計和研究在進(jìn)行風(fēng)機橋架動力計算時，一般按離心機器的擾力計算公式計算作用于風(fēng)機橋架的擾力［7－10］，這樣做不能客觀反映風(fēng)機橋架的工作狀態(tài)。風(fēng)機和電機都可以達(dá)到良好的平衡，運行時離心力不平衡引起的振動非常小，而風(fēng)機葉片通過頻率下的葉片升力與橋架各階振型相耦合而產(chǎn)生的寬頻振動才是振動的主要成分，上述試驗充分說明了這一點。

7 結(jié) 論

（1）風(fēng)機轉(zhuǎn)速選擇不宜過高，葉片通過頻率范圍上限應(yīng)避開（低于）風(fēng)機橋架的主要低階振型頻率。

（2）橋架設(shè)計要注重振型和頻率，增加腹桿支撐結(jié)構(gòu)可以明顯改善整體剛度。

（3）電機、減速機應(yīng)保持較低的重心，電機宜選擇“矮胖”型，并優(yōu)先選擇6極電機。

（4）優(yōu)先選擇與電機連接的結(jié)構(gòu)強度較高的減速機。

（5）優(yōu)先選擇偶數(shù)葉片風(fēng)機，偶數(shù)葉片可以大幅度降低葉片通過頻率下的振動。

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