雙級動葉調(diào)節(jié)軸流式一次風(fēng)機(jī)振動分析及處理

閃恒杰 張道瑞 李瑞華 馬向明 劉永勝 孫大偉

（1.華能沁北發(fā)電有限責(zé)任公司；2.神華國網(wǎng)能源電力檢修工程有限公司；3.西安熱工研究院有限公司）

雙級動葉調(diào)節(jié)軸流式一次風(fēng)機(jī)振動分析及處理

閃恒杰1張道瑞1李瑞華1馬向明2劉永勝1孫大偉3

（1.華能沁北發(fā)電有限責(zé)任公司；2.神華國網(wǎng)能源電力檢修工程有限公司；3.西安熱工研究院有限公司）

某電廠三期1 000MW機(jī)組一次風(fēng)機(jī)投產(chǎn)初期振動故障較為突出，風(fēng)機(jī)無法正常運(yùn)行。為徹底解決一次風(fēng)機(jī)振動問題，檢修人員使用PI系統(tǒng)及實(shí)時頻譜分析儀對風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)及振動頻譜進(jìn)行了綜合分析，并對風(fēng)機(jī)進(jìn)行了全面解體檢修，最終查明了導(dǎo)致風(fēng)機(jī)振動異常的原因是機(jī)殼結(jié)構(gòu)剛性不足，制定了改造方案，成功解決了風(fēng)機(jī)振動異常的問題。

動葉可調(diào)；軸流風(fēng)機(jī)；振動故障；剛性；蝸殼

0 引言

一次風(fēng)機(jī)作為重要的火電機(jī)組輔機(jī)設(shè)備，具有工作風(fēng)量小、風(fēng)壓高的特點(diǎn)。對于目前國內(nèi)600MW以上的機(jī)組而言，所配置的一次風(fēng)機(jī)絕大部分為高轉(zhuǎn)速（1 490r/min）雙級動葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)。由于雙級動調(diào)軸流風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，同時一次風(fēng)機(jī)系統(tǒng)長期處于高壓頭工作環(huán)境，目前國內(nèi)火電機(jī)組動調(diào)軸流一次風(fēng)機(jī)的振動及噪聲超標(biāo)問題比較突出，嚴(yán)重的影響了機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行[1]。

某電廠三期2×1 000MW機(jī)組配套一次風(fēng)機(jī)采用GU23836-22型動葉可調(diào)雙級軸流風(fēng)機(jī)。自投產(chǎn)以來，該風(fēng)機(jī)振動情況不理想，因振動大導(dǎo)致設(shè)備故障頻發(fā)，對機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行造成不利影響。檢修人員通過對5號機(jī)組B一次風(fēng)機(jī)振動原因進(jìn)行層層剖析，利用排除法查找到了導(dǎo)致振動異常的根本原因，制定了改造方案，進(jìn)行了現(xiàn)場實(shí)施，取得良好效果。經(jīng)改造后的風(fēng)機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定，振動處于正常水平，為機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行奠定了良好的基礎(chǔ)。

1 機(jī)組設(shè)備概述

1.1 機(jī)組設(shè)備參數(shù)

某電廠總裝機(jī)容量為4 400MW，一、二期為4× 600MW超臨界機(jī)組，三期為2×1 000MW超超臨界機(jī)組。三期5號、6號機(jī)組配套鍋爐為某鍋爐廠制造的超超臨界本生滑壓運(yùn)行直流鍋爐，每臺鍋爐配備兩臺雙級動葉可調(diào)軸流一次風(fēng)機(jī)。

5號、6號機(jī)組投產(chǎn)時配套設(shè)計安裝的GU23836-22型一次風(fēng)機(jī)，為采用德國KK&K技術(shù)的雙級動葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)（參數(shù)見表1）。

表1 某電廠三期1 000WM機(jī)組一次風(fēng)機(jī)特性參數(shù)圖Tab.1 The performance of 1000MW unit primary fan

1.2 一次風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)

GU23836-22型軸流一次風(fēng)機(jī)采用雙級葉片配置，利用液壓油系統(tǒng)通過液壓缸對兩級工作葉片進(jìn)行同步調(diào)節(jié)，改變風(fēng)機(jī)出力。與離心風(fēng)機(jī)和靜葉調(diào)節(jié)軸流風(fēng)機(jī)相比，結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜。

風(fēng)機(jī)主要由定子部件、轉(zhuǎn)子部件以及稀油站構(gòu)成。稀油站包括油箱、油泵裝置、雙筒過濾器、冷卻器、電加熱器、儀表、管道和閥門等，稀油站的結(jié)構(gòu)為整體式；轉(zhuǎn)子部件包括葉輪轂裝配、主軸承裝配、聯(lián)軸器、傳扭軸、伺服控制裝置等；定子部件包括進(jìn)氣箱、帶整流罩和后導(dǎo)葉的風(fēng)機(jī)殼、擴(kuò)壓器、膨脹節(jié)以及管路系統(tǒng)等，結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

圖1 動葉可調(diào)雙級軸流一次風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 The structure of two stage adjustable blade axial primary fan

2 一次風(fēng)機(jī)振動故障情況說明

將5號機(jī)組B一次風(fēng)機(jī)機(jī)殼及轉(zhuǎn)子進(jìn)行了返廠檢修，一次風(fēng)機(jī)返回現(xiàn)場回裝完成后，對其進(jìn)行試運(yùn)行時，發(fā)現(xiàn)一次風(fēng)機(jī)振動值明顯偏高，其中X向（水平）振動4.4mm/s，Y向（垂直）振動5.7mm/s，垂直振動值已經(jīng)超過了4.6mm/s的國家標(biāo)準(zhǔn)最大值。

隨后，先后對5號機(jī)組B一次風(fēng)機(jī)進(jìn)行了本體解體檢查、動平衡試驗(yàn)以及主軸承箱解體檢查，發(fā)現(xiàn)一些問題：1）風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子存在動不平衡；2）中間軸半聯(lián)軸器止口部分損壞脫落，導(dǎo)致軸系中心出現(xiàn)偏移；3）風(fēng)機(jī)軸承箱支座與外殼體之間支撐筋板存在微小裂紋；4）軸承箱內(nèi)部伺服端軸承滾動體及軸承內(nèi)圈存在明顯劃痕以及多個微小凹痕，部分凹痕已經(jīng)出現(xiàn)輕微剝落現(xiàn)象，其余兩套軸承滾動體及軸承內(nèi)圈均有明顯劃痕；5）軸承箱軸套磨損嚴(yán)重，表面光潔度差。

在對上述缺陷進(jìn)行處理并更換軸承箱內(nèi)部三套軸承、兩件軸套以及軸端密封件后，5號機(jī)組B一次風(fēng)機(jī)X向振動降低到2.8mm/s，Y向振動降低到3.9mm/s，振動值降低至標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，但仍偏高。

3 振動原因排除分析

對于風(fēng)機(jī)振動問題，由于其影響因素比較多，在實(shí)際解決問題時，多采用排除法，依據(jù)影響振動的因素進(jìn)行分類排除，直至找到最終原因。目前影響風(fēng)機(jī)振動的主要因素有如下幾個[2]。

1）由于風(fēng)機(jī)本身設(shè)備問題，造成風(fēng)機(jī)高速旋轉(zhuǎn)時局部部件振動或產(chǎn)生不穩(wěn)定的偏心力破壞風(fēng)機(jī)動平衡[3～4]。

2）風(fēng)機(jī)氣動性能與系統(tǒng)不匹配，風(fēng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行中發(fā)生失速問題，引發(fā)搶風(fēng)或喘振等不穩(wěn)定工作狀態(tài)[5～6]；

3）由于系統(tǒng)變化或者風(fēng)機(jī)設(shè)備設(shè)計不合理，造成的風(fēng)機(jī)本身固有頻率與系統(tǒng)氣流脈動頻率產(chǎn)生共振，增加風(fēng)機(jī)設(shè)備的氣流沖擊產(chǎn)生額外受力[7～8]。

1）如前節(jié)所述5號機(jī)組B一次風(fēng)機(jī)機(jī)殼及轉(zhuǎn)子已經(jīng)進(jìn)行了返廠檢修，并在現(xiàn)場進(jìn)行了本體及主軸承箱的解體檢修和動平衡試驗(yàn)調(diào)整。經(jīng)過以上檢修工作后，一次風(fēng)機(jī)振動值有一定下降，但仍偏高，這說明對于5號機(jī)組B一次風(fēng)機(jī)而言，動不平衡和風(fēng)機(jī)軸承故障是導(dǎo)致風(fēng)機(jī)振動超標(biāo)的原因之一，但一次風(fēng)機(jī)振動還有其他問題有待解決[9]。

2）5號機(jī)組B一次風(fēng)機(jī)檢修期間，為保證風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)牢固，檢修中對風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)二次灌漿進(jìn)行破除，更換了基礎(chǔ)底板及下部墊鐵。風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的制作與安裝過程嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)定進(jìn)行施工與驗(yàn)收。機(jī)組啟動后，測量風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)振動小于10μm，基本可以排除基礎(chǔ)問題[10]。

3）通過PI系統(tǒng)對風(fēng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，5號機(jī)組運(yùn)行中兩側(cè)一次風(fēng)機(jī)電流基本一致，電流與壓力沒有出現(xiàn)大幅度脈動情況，同時就地觀察風(fēng)機(jī)進(jìn)、出口管道也沒有出現(xiàn)劇烈振動現(xiàn)象，且風(fēng)機(jī)失速報警裝置未動作，說明一次風(fēng)機(jī)運(yùn)行中未發(fā)生失速問題[11]。

通過對風(fēng)機(jī)進(jìn)行全面的解體檢修及細(xì)致的動平衡工作，振動情況有所改善，能維持運(yùn)行但仍未達(dá)到良好的振動水平，這說明通過常規(guī)的分析及處理，不能徹底解決該型風(fēng)機(jī)的振動問題，必須查找深層原因。

為了進(jìn)一步深入分析振動原因，風(fēng)機(jī)運(yùn)行期間使用實(shí)時頻譜分析儀對風(fēng)機(jī)進(jìn)行了振動頻譜測試（見圖2），由圖2可以看出，風(fēng)機(jī)的振動除1倍頻分量外，22倍頻分量也較高。對22倍頻分量進(jìn)行分析，22倍頻為該風(fēng)機(jī)的葉片通過頻率，造成其分量較高的原因主要有：葉片角度不一致或葉片損傷；轉(zhuǎn)子支撐剛度不足產(chǎn)生擾動、氣流引起的葉片共振；管網(wǎng)特性曲線與風(fēng)機(jī)工作特性曲線不匹配等[12]。

圖2 5號機(jī)組B一次風(fēng)機(jī)振動頻譜Fig.2 Vibration frequency spectrum of No.5 B primary fan

結(jié)合5號機(jī)組B一次風(fēng)機(jī)前期整改情況以及本次頻譜分析數(shù)據(jù)，可確定目前風(fēng)機(jī)振動值較高的原因?yàn)闄C(jī)殼結(jié)構(gòu)剛性不足，尤其是軸承箱支撐厚法蘭處剛性差，導(dǎo)致運(yùn)行中轉(zhuǎn)子擾動，將振動傳遞至葉輪處，振動被放大引起葉片通過頻率分量較大。

借鑒本次5號機(jī)組B一次風(fēng)機(jī)振動故障的處理經(jīng)驗(yàn)，使用實(shí)時頻譜分析儀對三期其余三臺一次風(fēng)機(jī)振動頻譜進(jìn)行了采集，發(fā)現(xiàn)22倍頻振動分量較高是一個共性問題。由此，可確定該型風(fēng)機(jī)存在設(shè)計缺陷，其機(jī)殼結(jié)構(gòu)剛性不足是導(dǎo)致振動異常的根源。

4 處理方案及改善效果

4.1 處理方案

對目前一次風(fēng)機(jī)的機(jī)殼進(jìn)行改進(jìn)，主要增加軸承箱支撐厚法蘭的剛性，同時對殼體其他部位進(jìn)行適度加強(qiáng)，提高殼體整體的結(jié)構(gòu)剛性，同時改變機(jī)殼本身固有頻率。通過與設(shè)備廠家的多次溝通，最終確定了機(jī)殼的改進(jìn)方案（見圖3）。結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際，將新型機(jī)殼配裝在6號機(jī)組B一次風(fēng)機(jī)。

圖3 一次風(fēng)機(jī)新機(jī)殼改進(jìn)示意圖Fig.3 Improved volute of primary fan

4.2 改善效果

6號機(jī)組B一次風(fēng)機(jī)機(jī)殼更換后，運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定。風(fēng)機(jī)在正常運(yùn)行、啟動以及負(fù)荷調(diào)峰時，其振動值基本保持在1.0～1.5mm/s之間。與修前振動值（X向振動2.7、Y向振動4.0）相比，振動情況明顯改善，為三期同類型風(fēng)機(jī)最優(yōu)，處于國內(nèi)同類風(fēng)機(jī)正常水平。

5 經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

1）雙級動調(diào)一次風(fēng)機(jī)由于其風(fēng)機(jī)本身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，風(fēng)機(jī)局部設(shè)備的損壞會對風(fēng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行特別是振動產(chǎn)生很大的負(fù)面影響，建議做好風(fēng)機(jī)的日常維護(hù)工作，同時針對風(fēng)機(jī)異常情況及時進(jìn)行相關(guān)檢修工作。

2）由于一次風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)壓較大，一次風(fēng)機(jī)在設(shè)計制作時，不僅應(yīng)注意風(fēng)機(jī)本體轉(zhuǎn)動部分（如葉片輪轂）的頻率共振問題，而且還要注意靜子部分（如機(jī)殼、支腿、進(jìn)氣箱等）的剛性強(qiáng)度，避免在氣流脈動的作用下，產(chǎn)生額外的擾動，影響風(fēng)機(jī)振動。

3）一次風(fēng)機(jī)振動問題是影響火電機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行的主要因素之一，雙級動葉可調(diào)軸流一次風(fēng)機(jī)由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可能會有多種因素共同作用，因此在實(shí)際解決問題過程中，應(yīng)對振動原因進(jìn)行逐一排查，最終找到導(dǎo)致振動的根源，方能徹底解決。

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Analysis and Treatment of Vibration for an Adjustable Primary Axial Fan

Heng-Jie Shan1Dao-rui Zhang1Rui-hua Li1Xiang-ming Ma2Yong-sheng Liu1Da-wei Sun3
（1.Hua Neng Qin Bei Power Generation Co.,Ltd.;2.Shen hua Guo neng Electric Maintenance Engineering Co.,Ltd.；3.Xi’an Thermal Power Research Institute）

A primary fan can experience vibration faults during operation in a thermal power plant.API system and frequency spectrum analysis instrument have been used to identify the reason for the vibration.After analyzing the operating status,vibration frequency spectrum and after the disassembly of the fan,the reason of vibration was found to be that the volute stiffness is too low.After changing the volute,the vibration amplitude of the axial fan was kept between 1.0mm/s～1.5mm/s.

adjustable vane，axial fan，vibration fault，stiffness，volute

TH432.1；TK05

1006-8155（2017）02-0083-04

A

10.16492/j.fjjs.2017.02.0015

2016-11-11 河南 濟(jì)源 459012