火電廠增壓風(fēng)機(jī)低頻調(diào)幅振動(dòng)特征測(cè)試分析

潘作為，梁雙印，安宏文，柳亦兵

（1華北電力大學(xué)　能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，北京102206；2北京能源投資有限公司，北京100022）

火電廠增壓風(fēng)機(jī)低頻調(diào)幅振動(dòng)特征測(cè)試分析

潘作為1，2，梁雙印1，安宏文1，2，柳亦兵1

（1華北電力大學(xué)能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，北京102206；2北京能源投資有限公司，北京100022）

某800 MW火電系統(tǒng)的兩臺(tái)增壓風(fēng)機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中均出現(xiàn)異常振動(dòng)現(xiàn)象，監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)顯示，風(fēng)機(jī)振動(dòng)的幅值呈現(xiàn)周期性的低頻波動(dòng)現(xiàn)象。對(duì)兩臺(tái)增壓風(fēng)機(jī)的振動(dòng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，深入分析振動(dòng)信號(hào)的時(shí)域和頻域特征，結(jié)果表明，葉輪旋轉(zhuǎn)頻率成分的幅值隨時(shí)間發(fā)生周期性變化，是造成風(fēng)機(jī)振幅周期性低頻波動(dòng)的原因。兩臺(tái)增壓風(fēng)機(jī)發(fā)生相同的異常振動(dòng)現(xiàn)象，表明風(fēng)道內(nèi)流體的耦合作用對(duì)葉片載荷產(chǎn)生影響，據(jù)此給出解決異常振動(dòng)問(wèn)題的技術(shù)建議。

振動(dòng)與波；火電廠；增壓風(fēng)機(jī)；低頻調(diào)制

風(fēng)機(jī)故障是引起火電機(jī)組非計(jì)劃停運(yùn)的主要原因之一［1］，特別是鍋爐煙氣系統(tǒng)中的引風(fēng)機(jī)和增壓風(fēng)機(jī)，由于工作條件差，經(jīng)常出現(xiàn)異常運(yùn)行狀態(tài)。近年來(lái)，我國(guó)對(duì)火電廠鍋爐煙氣污染物排放的要求很高，提高鍋爐煙氣系統(tǒng)設(shè)備的運(yùn)行安全可靠性，對(duì)于鍋爐煙氣減排質(zhì)量將產(chǎn)生直接影響。長(zhǎng)期以來(lái)，國(guó)內(nèi)外研究人員一直開(kāi)展針對(duì)各種火電廠風(fēng)機(jī)類設(shè)備的振動(dòng)監(jiān)測(cè)故障診斷研究，取得了很多成果，許多火電廠運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)都對(duì)引風(fēng)機(jī)和增壓風(fēng)機(jī)的振動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)［2，3］，根據(jù)振動(dòng)的變化對(duì)風(fēng)機(jī)的異常運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行判斷。但是電廠監(jiān)控系統(tǒng)的振動(dòng)數(shù)據(jù)只反映設(shè)備振動(dòng)有效值的大小，對(duì)異常運(yùn)行狀態(tài)不能給出詳細(xì)的故障診斷信息，需要通過(guò)附加振動(dòng)測(cè)試和深入分析風(fēng)機(jī)的振動(dòng)特性，對(duì)異常狀態(tài)的原因作出診斷。不同火電廠的風(fēng)機(jī)類型、型號(hào)、結(jié)構(gòu)及通風(fēng)系統(tǒng)布置存在差異，可能出現(xiàn)各種不同類型的異常振動(dòng)現(xiàn)象，因此多積累分析經(jīng)驗(yàn)和案例，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)快速分析診斷故障非常重要。文獻(xiàn)［4-10］給出了多個(gè)火電廠風(fēng)機(jī)設(shè)備各種類型故障分析的典型案例。

某火電廠800 MW機(jī)組鍋爐煙氣系統(tǒng)的兩臺(tái)增壓風(fēng)機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中均出現(xiàn)異常振動(dòng)現(xiàn)象，監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)顯示，兩臺(tái)風(fēng)機(jī)的振動(dòng)幅值均出現(xiàn)周期性的低頻波動(dòng)現(xiàn)象，即風(fēng)機(jī)振動(dòng)的幅值被一個(gè)周期性的低頻成分調(diào)制。對(duì)兩臺(tái)風(fēng)機(jī)的運(yùn)行進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)實(shí)測(cè)，通過(guò)對(duì)振動(dòng)信號(hào)頻譜特征的深入分析，確定異常振動(dòng)特征，并對(duì)原因進(jìn)行診斷，給出解決異常振動(dòng)問(wèn)題的技術(shù)建議。

1　設(shè)備及振動(dòng)測(cè)試描述

1.1增壓風(fēng)機(jī)設(shè)備描述

某800MW火電機(jī)組的鍋爐煙氣系統(tǒng)原設(shè)計(jì)配備兩臺(tái)功率5MW的引風(fēng)機(jī)，其排風(fēng)口通道匯在一起，將鍋爐煙氣輸送到煙囪。該系統(tǒng)經(jīng)過(guò)脫硫改造，增加兩個(gè)并聯(lián)的脫硫系統(tǒng)，各配一臺(tái)5MW的增壓風(fēng)機(jī)，形成如圖1所示煙氣系統(tǒng)。

圖1　煙氣系統(tǒng)布置示意圖

圖2　 1#增壓風(fēng)機(jī)運(yùn)行監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)

該系統(tǒng)的兩臺(tái)增壓風(fēng)機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)異常振動(dòng)現(xiàn)象，監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)顯示，風(fēng)機(jī)振動(dòng)幅值呈現(xiàn)較大幅度的周期性低頻波動(dòng)，引起運(yùn)行人員注意。圖2示出一段現(xiàn)場(chǎng)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)記錄的機(jī)組升負(fù)荷過(guò)程中的運(yùn)行數(shù)據(jù)，時(shí)間長(zhǎng)度為4小時(shí)（10:00點(diǎn)—14:00點(diǎn)）。其中11:00開(kāi)始并網(wǎng)升負(fù)荷，12:00機(jī)組負(fù)荷負(fù)荷升到550 MW附近，然后開(kāi)始穩(wěn)定運(yùn)行。圖中顯示的是1#增壓風(fēng)機(jī)的流量、出口壓力和風(fēng)機(jī)振動(dòng)有效值的變化曲線?？梢郧宄闯?，升負(fù)荷過(guò)程初期，風(fēng)機(jī)振動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)就出現(xiàn)周期性波動(dòng)現(xiàn)象。在整個(gè)升負(fù)荷和穩(wěn)定運(yùn)行階段，這種振幅的周期性波動(dòng)現(xiàn)象一直存在，波動(dòng)的幅度受負(fù)荷變化的影響較小。在整個(gè)升負(fù)荷過(guò)程中，振幅的波動(dòng)頻率一直較高，當(dāng)升負(fù)荷過(guò)程結(jié)束，進(jìn)入穩(wěn)定負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，風(fēng)機(jī)振幅波動(dòng)頻率跳變到較低頻率，并基本保持穩(wěn)定。

圖3　增壓風(fēng)機(jī)及其支撐軸承結(jié)構(gòu)示意圖

表1列出根據(jù)記錄數(shù)據(jù)計(jì)算的，在不同負(fù)荷下兩臺(tái)增壓風(fēng)機(jī)振幅波動(dòng)的峰峰值和波動(dòng)頻率。在升負(fù)荷過(guò)程中，機(jī)組負(fù)荷上升到300 MW時(shí)，兩臺(tái)風(fēng)機(jī)振幅的波動(dòng)范圍（峰峰值）分別為13 μm和7 μm；波動(dòng)頻率約為0.018 Hz，相應(yīng)的波動(dòng)周期約為56 s。進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)后，兩臺(tái)風(fēng)機(jī)振幅的波動(dòng)范圍（峰峰值）分別變?yōu)?5 μm和10 μm，略有上升；而波動(dòng)頻率下降到0.006 5 Hz，對(duì)應(yīng)的波動(dòng)周期約為154 s。

該系統(tǒng)的增壓風(fēng)機(jī)為動(dòng)葉可調(diào)軸流式風(fēng)機(jī)，結(jié)構(gòu)如圖3所示。由驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器與風(fēng)機(jī)葉輪轉(zhuǎn)子連接。驅(qū)動(dòng)電機(jī)額定功率為5 MW，額定轉(zhuǎn)速740 r/min。風(fēng)機(jī)葉輪上安裝16個(gè)動(dòng)葉片，通過(guò)液壓調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)動(dòng)葉片角度的調(diào)整。

表2　增壓風(fēng)機(jī)支承軸承型號(hào)及特征頻率/Hz

風(fēng)機(jī)的主軸承箱位于葉輪后端（出風(fēng)方向），軸承箱內(nèi)的支承結(jié)構(gòu)由兩個(gè)單列滾子軸承和三個(gè)向心球軸承組成。各滾動(dòng)軸承的型號(hào)及特征頻率見(jiàn)表2。驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子兩端用滑動(dòng)軸承支撐。

表3列出可能引起增壓風(fēng)機(jī)振動(dòng)的幾個(gè)主要振源的特征頻率，表中n為葉輪轉(zhuǎn)速（r/min）。

1.2現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)測(cè)試

用多通道便攜式振動(dòng)測(cè)試儀器對(duì)兩臺(tái)增壓風(fēng)機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)測(cè)量，在每臺(tái)風(fēng)機(jī)靠近葉輪的殼體上和驅(qū)動(dòng)電機(jī)軸承座上安裝振動(dòng)加速度傳感器，圖4示出風(fēng)機(jī)上振動(dòng)傳感器安裝部位。傳感器輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)電荷放大器、前置放大器和濾波器后接入計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集板進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并存入計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析處理。使用多通道振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)按照內(nèi)部程序設(shè)定的采樣頻率，對(duì)兩臺(tái)風(fēng)機(jī)上的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行同步采集。

表3　增壓風(fēng)機(jī)主要振動(dòng)特征頻率

圖4　風(fēng)機(jī)振動(dòng)測(cè)量傳感器安裝圖

2　振動(dòng)信號(hào)分析

2.1風(fēng)機(jī)振動(dòng)信號(hào)特征

圖5示出1#增壓風(fēng)機(jī)在穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)下（480 MW負(fù)荷），風(fēng)機(jī)殼體上垂直和水平方向振動(dòng)的實(shí)測(cè)信號(hào)?？梢钥闯?，在顯示的10秒鐘時(shí)間段內(nèi)，振動(dòng)信號(hào)幅值平穩(wěn)，沒(méi)有明顯的周期性調(diào)幅現(xiàn)象，振動(dòng)信號(hào)的峭度指標(biāo)在3附近，表明信號(hào)呈明顯的隨機(jī)特征。由于監(jiān)控系統(tǒng)顯示的該增壓風(fēng)機(jī)振幅值波動(dòng)的頻率約為0.006 5 Hz（153.8 s），因此在10 s的時(shí)間尺度內(nèi)看不出該異常振動(dòng)引起的幅值波動(dòng)，振動(dòng)信號(hào)時(shí)域分析不能提供進(jìn)行異常原因診斷的信息。

圖5　增壓風(fēng)機(jī)振動(dòng)信號(hào)

圖6　風(fēng)機(jī)振動(dòng)信號(hào)頻譜

2.2風(fēng)機(jī)振動(dòng)頻譜特征

為了確定導(dǎo)致風(fēng)機(jī)振動(dòng)幅度低頻調(diào)制現(xiàn)象的頻率成分，對(duì)測(cè)量振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，圖6示出兩臺(tái)風(fēng)機(jī)振動(dòng)的頻譜。上圖為垂直方向振動(dòng)，下圖為水平方向振動(dòng)，分析頻率范圍為400 Hz，頻譜計(jì)算采用40次平均?？梢钥闯?，兩臺(tái)風(fēng)機(jī)上相同測(cè)量部位的振動(dòng)頻譜很接近。頻譜中即包括了突出的葉輪轉(zhuǎn)頻（12.3 Hz）及其低階諧波和葉片通過(guò)頻率（197.3 Hz）成分，也出現(xiàn)一些結(jié)構(gòu)共振引起的窄帶峰值。但是沒(méi)有明顯的軸承故障特征頻率，表明兩臺(tái)風(fēng)機(jī)都沒(méi)有出現(xiàn)軸承故障。

進(jìn)一步通過(guò)觀察振動(dòng)信號(hào)頻譜隨時(shí)間的變化，判斷哪些頻率成分是導(dǎo)致振動(dòng)幅值低頻波動(dòng)的原因。圖7示出1#風(fēng)機(jī)的垂直和水平振動(dòng)信號(hào)的頻譜瀑布圖，顯示的時(shí)間軸長(zhǎng)度為15 min。由于振動(dòng)頻譜中只有旋轉(zhuǎn)頻率成分的幅值隨時(shí)間發(fā)生變化，因此為了便于觀察分析，將頻譜的顯示頻率范圍選為0～50 Hz。從瀑布圖中可以清楚看出，兩個(gè)方向上振動(dòng)信號(hào)的旋轉(zhuǎn)頻率成分的幅值隨著時(shí)間產(chǎn)生周期性波動(dòng)，在圖中顯示的15分鐘時(shí)間段內(nèi)，共發(fā)生了6次波動(dòng)，波動(dòng)周期約為153 s，相應(yīng)的波動(dòng)頻率約為0.006 5 Hz。除此之外，振動(dòng)信號(hào)中還包含較強(qiáng)的二倍轉(zhuǎn)頻成分，但是其幅值不隨時(shí)間變化，表明二倍頻成分不是導(dǎo)致振動(dòng)幅度低頻波動(dòng)的原因，二倍頻振動(dòng)大表明葉輪轉(zhuǎn)子可能存在對(duì)中問(wèn)題。

圖8為2#增壓風(fēng)機(jī)垂直和水平振動(dòng)信號(hào)的頻譜瀑布圖。該風(fēng)機(jī)同樣出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)頻率成分的幅值隨時(shí)間發(fā)生周期性波動(dòng)的現(xiàn)象，波動(dòng)頻率與1#風(fēng)機(jī)相同，約為0.006 5 Hz。2#風(fēng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)頻率振動(dòng)大于1#風(fēng)機(jī)，但是2#風(fēng)機(jī)沒(méi)有突出的二倍轉(zhuǎn)頻成分，說(shuō)明葉輪轉(zhuǎn)子對(duì)中狀態(tài)好于1#風(fēng)機(jī)。

圖7　 1#增壓風(fēng)機(jī)振動(dòng)頻譜瀑布圖

圖8　 2#增壓風(fēng)機(jī)振動(dòng)頻譜瀑布圖

旋轉(zhuǎn)頻率成分的周期性變化表明作用于風(fēng)機(jī)軸承上的載荷狀態(tài)發(fā)生了變化。該增壓風(fēng)機(jī)的支撐軸承為5個(gè)軸承的組合形式（見(jiàn)圖2），其中三個(gè)相同型號(hào)的向心滾子軸承（FAG 7252 B）同時(shí)承受徑向和軸向載荷。這種三軸承結(jié)構(gòu)的軸承間隙不容易調(diào)整，間隙往往較大，易受葉輪上作用的徑向和軸向載荷變化的影響，從而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)頻率成分的變化。

上述頻譜分析清楚表明，兩臺(tái)增壓風(fēng)機(jī)同時(shí)出現(xiàn)的幅值周期性波動(dòng)的異常振動(dòng)現(xiàn)象，其振動(dòng)特征完全相同，均是由葉輪旋轉(zhuǎn)頻率成分的周期性波動(dòng)造成，振動(dòng)信號(hào)中的其它頻率成分沒(méi)有發(fā)生相應(yīng)的周期性波動(dòng)變化。此外，振動(dòng)分析表明，兩臺(tái)風(fēng)機(jī)的葉輪轉(zhuǎn)子均未發(fā)生明顯的結(jié)構(gòu)故障（軸承、轉(zhuǎn)子、動(dòng)葉片故障等）。根據(jù)上述振動(dòng)分析結(jié)果，結(jié)合煙氣脫硫系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和增壓風(fēng)機(jī)運(yùn)行特點(diǎn)，這種風(fēng)機(jī)振動(dòng)幅值的低頻波動(dòng)現(xiàn)象可以診斷為，兩個(gè)并聯(lián)增壓風(fēng)機(jī)進(jìn)出口風(fēng)道內(nèi)的流體存在相互間的耦合作用，其結(jié)果是導(dǎo)致兩臺(tái)風(fēng)機(jī)的葉輪載荷產(chǎn)生周期性變化，作用于葉輪支撐軸承結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致風(fēng)機(jī)振動(dòng)中旋轉(zhuǎn)頻率成分的周期性波動(dòng)。建議對(duì)風(fēng)機(jī)軸承的間隙進(jìn)行調(diào)整，或者如果條件允許，改變?nèi)齻€(gè)向心滾子軸承支撐的結(jié)構(gòu)形式，以減小旋轉(zhuǎn)頻率成分對(duì)載荷變化的影響。但是需要深入分析研究?jī)蓚€(gè)并聯(lián)脫硫系統(tǒng)風(fēng)道內(nèi)流體的相互間耦合作用的機(jī)理和特征，從根本上確定增壓風(fēng)機(jī)異常振動(dòng)的根源并采取措施進(jìn)行消除。

3　結(jié)語(yǔ)

針對(duì)某大容量火電機(jī)組的兩臺(tái)增壓風(fēng)機(jī)出現(xiàn)的周期性低頻振幅波動(dòng)現(xiàn)象，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)實(shí)測(cè)，深入分析兩臺(tái)風(fēng)機(jī)振動(dòng)信號(hào)的時(shí)域和頻域特征，結(jié)果表明，風(fēng)機(jī)葉輪旋轉(zhuǎn)頻率成分的幅值隨時(shí)間發(fā)生周期性變化，是造成風(fēng)機(jī)振幅周期性低頻波動(dòng)的原因，而且兩臺(tái)增壓風(fēng)機(jī)的異常振動(dòng)特征完全相同，表明兩個(gè)并聯(lián)的脫硫系統(tǒng)風(fēng)道內(nèi)流體的存在耦合作用，對(duì)葉片載荷產(chǎn)生影響，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)振動(dòng)中旋轉(zhuǎn)頻率成分的周期性波動(dòng)。據(jù)此給出解決異常振動(dòng)問(wèn)題的技術(shù)建議。

［1］王鵬.2001年200 MW及以上容量火電機(jī)組主要輔助設(shè)備運(yùn)行可靠性指標(biāo)分析［J］.電力設(shè)備，2002，3（3）：68-70.

［2］胡佰龍，周一卉.鍋爐多級(jí)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.自動(dòng)化儀表，2012，33（1）：32-34.

［3］秦虎，劉志紅，黃宋魏.燃煤鍋爐燃燒過(guò)程自動(dòng)控制的應(yīng)用研究［J］.自動(dòng)化儀表，2011，32（9）：64-67.

［4］沈安文，趙方亮.基于DSP的風(fēng)機(jī)振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)［J］.自動(dòng)化儀表，2006，27（4）：36-38.

［5］米江，紀(jì)國(guó)宜.改進(jìn)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在風(fēng)機(jī)故障診斷中的應(yīng)用［J］.噪聲與振動(dòng)控制，2011，31（2）：94-98.

［6］梁勇.大型增壓風(fēng)機(jī)振動(dòng)的頻譜特性及處理［J］.中國(guó)電力，2012，45（8）：45-48.

［7］陳宜振，尹民權(quán).動(dòng)葉可調(diào)軸流通風(fēng)機(jī)機(jī)械故障原因分析［J］.風(fēng)機(jī)技術(shù)，2008，（4）：68-73.

［8］趙云龍，車馳東.采用流場(chǎng)分析對(duì)離心風(fēng)機(jī)的噪聲控制［J］.噪聲與振動(dòng)控制，2015，35（1）：104-109.

［9］郭平英，梁軍林，劉寶林.大型電站鍋爐風(fēng)機(jī)故障分析及對(duì)策［J］.風(fēng)機(jī)技術(shù)，2010，（6）：69-72.

［10］余紅明.電站風(fēng)機(jī)振動(dòng)故障簡(jiǎn)易診斷［J］.四川電力技術(shù)，2004，27（2）：49-51.

Measurement andAnalysis of the Low-frequency Vibration Amplitude Modulation in Flue-gas Desulfurization Fans

PAN Zuo-wei1，2，LIANG Shuang-yin1，AN Hong-wen1，2，LIU Yi-bing1
（1.School of Energy，Power and Mechanical Engineering，North China Electric Power University，Beijing 102206，China；2.Beijing Energy Investment Holding Co.Ltd.，Beijing 100022，China）

Two desulfurization fans in the flue-gas desulfurization system of an 800 MW thermal power plant had abnormal vibration.Condition monitoring data showed that there was a periodic low-frequency amplitude fluctuation phenomenon in the fan's vibration.Then，the vibration of the two desulfurization fans was measured，and the characteristics of the vibration signals were analyzed in both time-domain and frequency domain.Results of analysis show that periodic variation of the amplitude of the rotating frequency components is the main reason of the low-frequency fluctuation.And the abnormal vibrations of the two desulfurization fans have the same characteristics.

vibration and wave；power plant；flue gas desulfurization fan；low-frequency amplitude modulation

TH432.1

ADOI編碼：10.3969/j.issn.1006-1335.2015.05.042

1006-1355（2015）05-0198-04

2015－01－05

潘作為（1981－），男，博士研究生。遼寧省遼中縣人。研究方向：能源及火力發(fā)電領(lǐng)域運(yùn)行及檢修維護(hù)研究。

E-mail:714394173@qq.com

柳亦兵，男，博士生導(dǎo)師。

E-mail:lyb@ncepu.edu.cn