雙級(jí)動(dòng)葉可調(diào)一次風(fēng)機(jī)振動(dòng)分析與處理

劉雙白 吳 昕 謝昌亞 張春雷 趙瑞峰

（1.國(guó)網(wǎng)冀北電力有限公司電力科學(xué)研究院（華北電力科學(xué)研究院有限責(zé)任公司）；2.陜西德源府谷能源有限公司）

一次風(fēng)機(jī)是火力發(fā)電廠鍋爐風(fēng)煙系統(tǒng)的重要設(shè)備，主要為磨煤機(jī)干燥燃煤和輸送煤粉提供所需的熱風(fēng)、磨煤機(jī)調(diào)溫風(fēng)（冷風(fēng)），并供給燃料燃燒初期所需的空氣［1］。 火力發(fā)電機(jī)組通常配置有兩臺(tái)一次風(fēng)機(jī)，高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)兩臺(tái)風(fēng)機(jī)并列運(yùn)行，因此一次風(fēng)機(jī)故障將直接影響機(jī)組的正常生產(chǎn)。 近年來(lái)，火電機(jī)組頻繁調(diào)峰，輔機(jī)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)變動(dòng)迅速，風(fēng)機(jī)振動(dòng)故障也更為頻發(fā)，通常有不平衡振動(dòng)、通過(guò)頻率振動(dòng)、低頻振動(dòng)及轉(zhuǎn)子裂紋振動(dòng)等問(wèn)題。 雖然風(fēng)機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但其振動(dòng)問(wèn)題的處理卻很復(fù)雜。

某600MW 亞臨界機(jī)組一次風(fēng)機(jī)系統(tǒng)配套上海鼓風(fēng)機(jī)廠有限公司生產(chǎn)的PAF19-14-2 型雙級(jí)動(dòng)葉可調(diào)式軸流式風(fēng)機(jī)，設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速1 490r/min，單級(jí)葉片數(shù)量為24 片， 驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用上海電機(jī)廠有限公司生產(chǎn)的YKK710-4 型異步電動(dòng)機(jī)。 該風(fēng)機(jī)采用臥式布置，具有流量大、高效區(qū)域廣等特點(diǎn)。 DCS 遠(yuǎn)傳振動(dòng)測(cè)點(diǎn)為2 支振速傳感器，分別設(shè)置于4 號(hào)軸承的水平、垂直方向。

1 故障現(xiàn)象

一次風(fēng)機(jī)調(diào)停12 天后再次啟動(dòng)， 啟動(dòng)后遠(yuǎn)傳風(fēng)機(jī)振速略微增大，水平、垂直方向振速由調(diào)停前的1～2mm/s，增大到2～3mm/s，繼續(xù)運(yùn)行后，水平方向振速爬升至6mm/s，最大波動(dòng)至7mm/s。停機(jī)檢查發(fā)現(xiàn)二級(jí)動(dòng)葉液壓缸漏油。 清理后再次啟動(dòng)， 水平振速穩(wěn)定在3mm/s， 垂直振速保持2.5mm/s，運(yùn)行一段時(shí)間后，最大波動(dòng)至4.1mm/s，振動(dòng)數(shù)值依舊偏大， 接近振動(dòng)報(bào)警值（4.6mm/s），為保證機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行，需進(jìn)一步分析處理。

圖1 為機(jī)組并網(wǎng)后6～30h 內(nèi)相關(guān)參數(shù)變化曲線。 從圖1 中可以看出，該段時(shí)間前期振動(dòng)較為穩(wěn)定， 當(dāng)時(shí)垂直、 水平方向振速均在2～3mm/s區(qū)間內(nèi)波動(dòng)，隨后水平方向振動(dòng)開始惡化，振速在3～5mm/s 區(qū)間擺動(dòng)（報(bào)警值4.6mm/s），垂直方向振速微增至3mm/s。 擺動(dòng)現(xiàn)象出現(xiàn)2h 后，水平方向振速逐步穩(wěn)定在5mm/s，且保持上漲趨勢(shì)。經(jīng)就地檢查確認(rèn)了遠(yuǎn)傳振動(dòng)信號(hào)的真實(shí)性，檢查結(jié)果顯示風(fēng)機(jī)側(cè)振動(dòng)大，電機(jī)側(cè)振動(dòng)較小。

圖1 機(jī)組并網(wǎng)后6～30h 內(nèi)相關(guān)參數(shù)趨勢(shì)

繼續(xù)運(yùn)行數(shù)小時(shí)后，水平方向振速已爬升至6mm/s，最大波動(dòng)至7mm/s。 考慮到設(shè)備的安全，決定緊急停機(jī)檢查。 檢修人員揭蓋檢查后發(fā)現(xiàn)，設(shè)置于二級(jí)動(dòng)葉后端的液壓缸大面積漏油。 漏油流出滲至輪轂和葉片， 風(fēng)機(jī)葉片沾有大量油泥。同時(shí)檢查了液壓推桿是否正常、兩級(jí)動(dòng)葉執(zhí)行動(dòng)作是否保持同步性。 最終更換液壓缸并清理了輪轂和葉片周邊的油污和積灰。

檢查后再次啟動(dòng)一次風(fēng)機(jī)， 振動(dòng)有所好轉(zhuǎn)，水平振速穩(wěn)定在3mm/s，垂直振速保持2.5mm/s。圖2 為機(jī)組檢查后運(yùn)行5 日相關(guān)參數(shù)的變化曲線，從圖2 中可以看出，此次檢修后，水平、垂直方向振動(dòng)均有所減小，并且水平方向振動(dòng)波動(dòng)略有好轉(zhuǎn)，最大波動(dòng)至4.1mm/s。 觀察發(fā)現(xiàn)，水平振動(dòng)不穩(wěn)定現(xiàn)象均出現(xiàn)在入口風(fēng)溫較低的時(shí)間段。調(diào)取數(shù)據(jù)做進(jìn)一步分析，當(dāng)一次風(fēng)機(jī)滾動(dòng)軸承溫度高于59℃，推力軸承溫度高于52℃時(shí)，水平方向振動(dòng)穩(wěn)定，未發(fā)生振速波動(dòng)，此時(shí)風(fēng)機(jī)入口風(fēng)溫均大于0℃，而不滿足上述條件時(shí)，水平方向振動(dòng)出現(xiàn)波動(dòng)。

圖2 機(jī)組經(jīng)檢查后運(yùn)行5 日相關(guān)參數(shù)趨勢(shì)

2 測(cè)試分析

在一次風(fēng)機(jī)第1 級(jí)葉輪（3 號(hào)軸承）、第2 級(jí)葉輪（4 號(hào)軸承）處對(duì)應(yīng)的風(fēng)機(jī)罩殼水平結(jié)合面上布置水平、垂直振動(dòng)傳感器（圖3），測(cè)量記錄了一次風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)情況，而此時(shí)動(dòng)葉開度僅有56%。

圖3 一次風(fēng)機(jī)振動(dòng)測(cè)點(diǎn)示意圖

圖4 為水平方向振動(dòng)穩(wěn)定期間各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)頻譜圖，觀察發(fā)現(xiàn)：水平方向振動(dòng)較為穩(wěn)定，垂直方向振動(dòng)波動(dòng)明顯，存在明顯的一倍頻以下的振動(dòng)分量，而且波動(dòng)劇烈；振動(dòng)頻譜顯示存在諸多不同倍頻分量的振動(dòng)雜波。 其中，一倍頻振動(dòng)分量較為穩(wěn)定，雜波分量波動(dòng)明顯。 表1 為穩(wěn)定時(shí)期主要振動(dòng)參數(shù)。

圖4 振動(dòng)頻譜圖

表1 穩(wěn)定時(shí)期振動(dòng)參數(shù)

此次振動(dòng)測(cè)量記錄捕捉到了一次振動(dòng)波動(dòng)現(xiàn)象，測(cè)量結(jié)果顯示此次波動(dòng)主要是軸承兩側(cè)水平方向的振動(dòng)波動(dòng)。 波動(dòng)時(shí)期的振動(dòng)參數(shù)見表2。

表2 波動(dòng)時(shí)期振動(dòng)參數(shù)

對(duì)比分析兩種狀態(tài)的振動(dòng)參數(shù)，振動(dòng)波動(dòng)期間的主要特征有：

a. 兩側(cè)水平振幅的波動(dòng)源于一倍頻振動(dòng)分量的變化，3 號(hào)軸承水平方向工頻振動(dòng)分量由44μm 增至最大103μm，4 號(hào)軸承水平方向工頻振動(dòng)分量由35μm 增至最大89μm；

b. 工頻振動(dòng)相位未發(fā)生大的變化，3 號(hào)軸承水平方向由穩(wěn)定時(shí)的325°變?yōu)?13°，4 號(hào)軸承水平方向由穩(wěn)定時(shí)的303°變?yōu)?00°，并且待波動(dòng)消失，振動(dòng)穩(wěn)定后，相位恢復(fù)；

c. 3、4 號(hào)軸承水平方向振速也主要表現(xiàn)為一倍頻振動(dòng)分量的波動(dòng)。

采用手持式振動(dòng)傳感器測(cè)量了一次風(fēng)機(jī)兩側(cè)地腳螺栓的振動(dòng)情況，結(jié)果顯示南側(cè)螺栓振動(dòng)均為12μm，北側(cè)螺栓振動(dòng)均為3μm?；谏鲜鰷y(cè)量數(shù)據(jù)，分析認(rèn)為：

a. 液壓缸存在輕微漏油，伴隨著機(jī)組的持續(xù)運(yùn)行，在機(jī)組調(diào)停前，漏油較為均勻地分布在葉輪輪轂和葉片上。 停機(jī)后，風(fēng)機(jī)靜止，在重力作用下，輪轂和葉片上的漏油流至底部，相當(dāng)于在底部位置增加了不平衡量，打破了原先的平衡。 結(jié)合同型風(fēng)機(jī)振動(dòng)敏感度和現(xiàn)場(chǎng)漏油情況，停機(jī)后的漏油匯集極大可能導(dǎo)致了再次啟動(dòng)后振動(dòng)的惡化。

b. 停機(jī)揭蓋處理液壓缸并清理漏油后，風(fēng)機(jī)的平衡較調(diào)停前存在差異，振動(dòng)無(wú)法回到調(diào)停前的運(yùn)行數(shù)值。

c. 持續(xù)的雜波分量可能源于支撐間的剛性不足。

d. 歷史數(shù)據(jù)顯示，調(diào)停前，也存在風(fēng)機(jī)振動(dòng)與軸承溫度的相關(guān)規(guī)律，波動(dòng)幅度隨振動(dòng)基數(shù)的增大而增大。 此現(xiàn)象重復(fù)性較好，說(shuō)明較高的潤(rùn)滑油溫度對(duì)轉(zhuǎn)子保持穩(wěn)定運(yùn)行具有積極作用。

基于上述分析，建議采用如下措施：

a. 提高潤(rùn)滑油和軸承溫度，保持風(fēng)機(jī)在穩(wěn)定區(qū)間運(yùn)行；

b. 檢修期間， 檢查軸承與軸承座間支撐情況，復(fù)查聯(lián)軸器對(duì)中情況，擰緊南側(cè)螺栓；

c. 若檢查后，振動(dòng)未有明顯改善，考慮進(jìn)行動(dòng)平衡，減小激振力，降低振動(dòng)基數(shù)。

3 檢修處理

考慮到振動(dòng)基數(shù)較大， 為了保證設(shè)備的安全可靠，再次停機(jī)，進(jìn)行了處理。 主要檢查情況如下：

a. 液壓缸下部仍有少量滲油，檢查后確定此次液壓缸并無(wú)漏油， 滲油是上次處理的遺留，再次清理了油污和葉片積灰；

b. 用塞尺測(cè)量了軸承與凹窩間隙，未有明顯的過(guò)大間隙，但兩者結(jié)合面中油污較多，由于停機(jī)時(shí)間緊迫，并未吊出軸承做進(jìn)一步檢查清理；

c. 復(fù)查了聯(lián)軸器對(duì)中情況，重新調(diào)整至合格范圍；

d. 人工擰緊南側(cè)螺栓。

現(xiàn)場(chǎng)觀察發(fā)現(xiàn)，軸承座兩側(cè)與罩殼連接存在差異。 圖5 顯示軸承座靠近一級(jí)葉輪側(cè)與罩殼間焊接了一圈導(dǎo)葉剛性連接，另一側(cè)并未采用此種設(shè)計(jì)，而在下方焊接了兩片導(dǎo)葉。 由于此前將振動(dòng)傳感器布置于風(fēng)機(jī)罩殼上對(duì)應(yīng)位置，這種連接結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)4 號(hào)軸承振動(dòng)數(shù)據(jù)的測(cè)量產(chǎn)生干擾。 因此，分別在4 號(hào)軸承上設(shè)置水平、垂直方向振動(dòng)傳感器，3 號(hào)軸承的振動(dòng)測(cè)量則仍靠外部風(fēng)機(jī)罩殼上布置的振動(dòng)傳感器。 扣蓋后啟動(dòng)風(fēng)機(jī)，再次監(jiān)測(cè)風(fēng)機(jī)振動(dòng)狀態(tài)。

圖5 風(fēng)機(jī)實(shí)物圖

風(fēng)機(jī)啟動(dòng)后，逐步開啟動(dòng)葉，測(cè)量記錄各動(dòng)葉開度下的振動(dòng)情況，如圖6 所示。 對(duì)比此前數(shù)據(jù)，證實(shí)了風(fēng)機(jī)內(nèi)部連接設(shè)計(jì)確實(shí)造成了測(cè)量數(shù)據(jù)失真。 從圖6 中可以看出：對(duì)比兩側(cè)軸承振動(dòng)表現(xiàn)，4 號(hào)軸承的振動(dòng)情況更為惡劣，其振動(dòng)主要表現(xiàn)在水平方向振動(dòng)，在100μm 附近波動(dòng)，最大至140μm；4 號(hào)軸承水平方向一倍頻振動(dòng)占比相對(duì)較小，其他頻率分量波動(dòng)。

圖6 各動(dòng)葉開度下振動(dòng)參數(shù)

記錄了一次風(fēng)機(jī)停機(jī)過(guò)程振動(dòng)數(shù)據(jù)，由此繪制了一次風(fēng)機(jī)降速過(guò)程波德圖。 圖7 為3、4 號(hào)軸承水平方向振動(dòng)波德圖。 從圖7 中可以看出，兩側(cè)軸承水平方向在1 459r/min 附近振動(dòng)出現(xiàn)了明顯的振動(dòng)峰值。 同時(shí)，在該區(qū)域附近，兩側(cè)相位角存在較大變化。 考慮到4 號(hào)軸承垂直方向振動(dòng)并無(wú)明顯變化，由此認(rèn)定該轉(zhuǎn)速近似為風(fēng)機(jī)軸承水平方向的共振轉(zhuǎn)速。

圖7 3、4 號(hào)軸承水平方向振動(dòng)波德圖

由于工作轉(zhuǎn)速與共振轉(zhuǎn)速極為接近，一次風(fēng)機(jī)運(yùn)行落入共振區(qū)，風(fēng)機(jī)系統(tǒng)對(duì)于環(huán)境參數(shù)極為敏感， 參數(shù)的微小變化極易引起振動(dòng)的不穩(wěn)定，激發(fā)一倍頻振動(dòng)分量的突增， 引起振動(dòng)的波動(dòng)。考慮到啟機(jī)的緊迫性和增加支撐提高共振頻率的不確定性，最終決定進(jìn)行精細(xì)平衡試驗(yàn)，盡量降低擾動(dòng)力，削弱共振的放大效應(yīng)［2］。

4 動(dòng)平衡

根據(jù)測(cè)量參數(shù)，3、4 號(hào)軸承一倍頻振動(dòng)同向，因此采用對(duì)稱加重法， 結(jié)合經(jīng)驗(yàn)參數(shù)和現(xiàn)場(chǎng)振幅，決定試加重量408g∠100°。 考慮到4 號(hào)軸承水平振動(dòng)的波動(dòng)程度和1 級(jí)葉輪施工的便利性，將重量全部加至1 級(jí)葉輪處。 重新啟動(dòng)后，通頻振動(dòng)數(shù)據(jù)如圖8 所示。

圖8 各動(dòng)葉開度下振動(dòng)參數(shù)

從圖8 中可以看出：3 號(hào)軸承水平方向和4號(hào)軸承水平、垂直方向振幅均出現(xiàn)降低，尤其在60%動(dòng)葉開度以下，各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)最大僅為35μm；4 號(hào)軸承水平方向雜波分量被大幅抑制； 當(dāng)動(dòng)葉開至60%以上，軸承振動(dòng)開始爬升，尤其是4 號(hào)軸承低頻分量小幅度波動(dòng)。 由于啟機(jī)時(shí)間緊迫，考慮到滿負(fù)荷動(dòng)葉開度僅為56%，此時(shí)振幅最大35μm，振速最大1.5mm/s。 因此，此次動(dòng)平衡結(jié)果較為滿意，不再繼續(xù)加重。

5 結(jié)束語(yǔ)

分析處理了某600MW 亞臨界機(jī)組一次風(fēng)機(jī)振動(dòng)異常問(wèn)題，得知機(jī)組調(diào)停期間，一次風(fēng)機(jī)液壓缸漏油的匯集極大可能導(dǎo)致了啟動(dòng)后振動(dòng)的惡化。 一次風(fēng)機(jī)工作轉(zhuǎn)速與共振轉(zhuǎn)速極為接近，是導(dǎo)致振動(dòng)不穩(wěn)定的主要原因。 通過(guò)動(dòng)平衡的方法，有效降低了不平衡擾動(dòng)，大幅削弱了共振的影響，為機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行提供有力的保障。