超超臨界鍋爐一次風(fēng)機軸承振動異常的診斷及處理

趙世偉，胡雪梅，李 燁，聶 濤

(國家電投集團河南電力有限公司平頂山發(fā)電分公司，河南 平頂山 467312)

0 引 言

某電廠鍋爐由東方鍋爐集團制造，采用超超臨界參數(shù)、變壓直流運行、單爐膛、一次再熱、平衡通風(fēng)、露天島式布置、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架、全懸吊結(jié)構(gòu)、前后墻對沖燃燒方式的Π型鍋爐，每臺鍋爐配置6臺軸流風(fēng)機，風(fēng)機運行可靠性是電廠鍋爐系統(tǒng)運行穩(wěn)定的保證[1]。該電廠2臺超超臨界鍋爐于2010年底先后投產(chǎn)，每臺鍋爐配置2臺雙級動葉可調(diào)軸流式一次風(fēng)機，額定轉(zhuǎn)速 1 490 r/min，風(fēng)機由轉(zhuǎn)子總成、軸承座、進氣箱、自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)等部件現(xiàn)場組裝而成[2]。

該機組自投產(chǎn)以來，一次風(fēng)機軸承抗擾動性較差、軸承振動周期性異常波動，據(jù)統(tǒng)計一次風(fēng)機被迫停運多達六十余次，風(fēng)機跳閘導(dǎo)致鍋爐MFT 1次，單側(cè)風(fēng)機停運搶修，鍋爐燃燒不穩(wěn)定，需投油穩(wěn)燃，嚴重影響機組的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行[3]。采用了多種運行手段、檢修措施及技術(shù)改造控制風(fēng)機軸承振動，該問題一直得不到徹底解決，目前通過定期更換風(fēng)機轉(zhuǎn)子，舊轉(zhuǎn)子返廠大修的措施維持運行，但一次風(fēng)機轉(zhuǎn)子的運行時間遠未達到大修周期，導(dǎo)致風(fēng)機檢修成本較高[4]。

1 一次風(fēng)機軸承振動異常分析

1.1 軸承振動異常情況

自機組投產(chǎn)以來，一次風(fēng)機軸承振動情況一直不穩(wěn)定，特別是2臺風(fēng)機并列時振動波動較大，正常運行中軸承振動值也偏高(大于報警值：4.6 mm/s)，運行中經(jīng)常出現(xiàn)一次風(fēng)機軸承振動異常而導(dǎo)致機組RB事故，一次風(fēng)機軸承異常振動給2臺機組穩(wěn)定運行帶來較大不穩(wěn)定因素。

1號機組A風(fēng)機X/Y向軸承振動整體較大，隨負荷變動呈周期性波動。2019年5月風(fēng)機軸承X向振動值在4.0～5.5 mm/s波動，6月風(fēng)機軸承振動值波動至跳閘值7.1 mm/s以上，風(fēng)機無法維持運行。待大修更換一次風(fēng)機轉(zhuǎn)子后，風(fēng)機運行正常，X向軸承振動值維持在4.0 mm/s,Y向軸承振動值維持在2.2 mm/s。

1號機組B一次風(fēng)機軸承振動值多次突變至跳閘值以上，導(dǎo)致2019年12月風(fēng)機跳閘3次，被迫停運3次。正常運行時X/Y向軸承振動值穩(wěn)定在3.5 mm/s運行，某一工況軸承振動值突變至10 mm/s以上導(dǎo)致風(fēng)機跳閘，軸承振動值隨負荷突變狀況如圖1所示。期間因機組負荷較高無法停運檢修，只能采用降低負荷及退并風(fēng)機的辦法勉強維持運行。

圖1 B風(fēng)機軸承振動值突變狀況Fig.1 Sudden change of bearing vibration value of B fan

2020年1月安排停運B一次風(fēng)機更換風(fēng)機轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子更換后風(fēng)機投運X向、Y向振動值穩(wěn)定在2.5 mm/s、1.5 mm/s，4月風(fēng)機X向、Y向振動值逐步增大至4.8 mm/s、5.7 mm/s，最高可突變至7.6 mm/s、11.2 mm/s。此次檢修更換一次風(fēng)機轉(zhuǎn)子后，穩(wěn)定運行時間僅有1 300 h左右。

1.2 軸承振動頻譜分析

通過一次風(fēng)機軸承振動頻譜分析顯示，振動幅度在較高值工況時，4倍頻以下頻段呈現(xiàn)高密度、低幅度的線性和非線性諧波，大量低幅度的振動成分導(dǎo)致振動通頻幅值上升，1倍頻振動成分幅度及其諧波幅值均較小。依據(jù)一次風(fēng)機檢修經(jīng)驗分析，排除了風(fēng)機軸承振動異常是因轉(zhuǎn)子葉片磨損、積灰及轉(zhuǎn)子附著異物導(dǎo)致的不平衡因素所致，同時風(fēng)機軸承運行狀態(tài)良好，也可以排除是軸承支承、滾動軸承缺陷及其他機械缺陷導(dǎo)致風(fēng)機軸承振動異常的可能性，僅通過轉(zhuǎn)子配重?zé)o法解決一次風(fēng)機軸承振動異常問題[5-6]。

根據(jù)一次風(fēng)機軸承振動異常的頻譜結(jié)構(gòu)參數(shù)，結(jié)合軸承振動突變與風(fēng)機動葉開度及動葉調(diào)節(jié)過程結(jié)構(gòu)特點分析，風(fēng)機振動突變故障可能是受到某種突發(fā)性、間歇性的激勵所致，當干擾激勵力產(chǎn)生或加強時，風(fēng)機軸承振動值就發(fā)生突變，當干擾源消失或干擾力減小時，風(fēng)機振動值就回復(fù)到較小值。由于一次風(fēng)機都是振動突變導(dǎo)致無法維持運行，考慮一次風(fēng)機葉片局運行失穩(wěn)導(dǎo)致的運行不平衡，運行平衡被打破導(dǎo)致軸承振動突變[7-8]。

2 振動異常的診斷及處理

2.1 風(fēng)機葉片流場模擬

對一次風(fēng)機葉片重建模型，采用三維流體分析軟件CFX進行氣動仿真計算，模擬出一次風(fēng)機的性能曲線，結(jié)合一次風(fēng)機葉片運行工況，通過流體分析軟件進行氣動仿真計算發(fā)現(xiàn)，在葉根截面動葉尾緣吸力面處出現(xiàn)了渦流現(xiàn)象，吸力面中部位置出現(xiàn)了邊界層分離，如圖2(a)所示；葉頂截面在動葉的壓力面出現(xiàn)了分離流動，在風(fēng)機導(dǎo)葉壓力面靠前緣位置出現(xiàn)了較大的渦流現(xiàn)象，說明此位置動葉與導(dǎo)葉的相對角度不匹配，影響了流動狀況，如圖2(b)所示。分析認為，風(fēng)機葉片流場存在局部渦流及邊界層流動的較早分離共同導(dǎo)致風(fēng)機葉片流場質(zhì)量不佳，風(fēng)機葉片在運行中出現(xiàn)局部失速的工況[9]。

圖2 風(fēng)機葉片流場模擬圖Fig.2 Flow field simulation diagram of fan blade

2.2 風(fēng)機風(fēng)道流場模擬

結(jié)合一次風(fēng)機風(fēng)道結(jié)構(gòu)建立數(shù)學(xué)模型(如圖3所示)，通過對風(fēng)道流場進行模擬分析，風(fēng)機氣流經(jīng)葉輪組升壓后進入擴壓器及圓節(jié)方風(fēng)道的流場分析顯示，氣流從葉輪組流出后在擴壓器內(nèi)流動較平穩(wěn)，流出擴壓器之后進入圓節(jié)方風(fēng)道處局部流動損失較大，氣流平均速度從24.2 m/s減少到10.4 m/s，在圓節(jié)方風(fēng)道出口附近形成渦流(如圖4所示)，渦流現(xiàn)象造成風(fēng)道內(nèi)流動損失、流場品質(zhì)出現(xiàn)下降[10-12]。

圖3 一次風(fēng)機風(fēng)道結(jié)構(gòu)模型Fig.3 Air duct structure model of primary fan

圖4 圓節(jié)方風(fēng)道速度流線圖Fig.4 Velocity streamline of square duct with circular section

一次風(fēng)機風(fēng)道轉(zhuǎn)彎處流場模擬顯示，風(fēng)道內(nèi)彎處因流體聚集作用，該區(qū)域流速急劇上升，外彎處出現(xiàn)渦旋現(xiàn)象，流速分布在3.4～27.6 m/s之間，流速分布不均勻，流場品質(zhì)較差。

3 振動異常的處理及效果

3.1 處理方案

根據(jù)對一次風(fēng)機流場的模擬分析，提出以下處理方案。

1)更換葉片、機殼。整套風(fēng)機葉片全部更換為高效葉型葉片，解決一次風(fēng)機動葉與后導(dǎo)葉相對角度匹配性不佳及原使用風(fēng)機葉片底截面角度偏小的問題；風(fēng)機機殼在長期使用過程中變形致使軸承箱偏離設(shè)計位置，不能保證風(fēng)機長期安全穩(wěn)定運行，采用加強型機殼，增強風(fēng)機軸承對負荷波動的適應(yīng)性[13]。

2)風(fēng)道優(yōu)化。如圖5所示，根據(jù)風(fēng)道的數(shù)值模擬計算結(jié)果，優(yōu)化一次風(fēng)機出口圓節(jié)方風(fēng)道，將該部分適當延長至5.4 m，中心夾角由14°降低至10°，優(yōu)化后圓節(jié)方風(fēng)道內(nèi)的氣流“發(fā)散”程度較原風(fēng)道有所降低，風(fēng)道內(nèi)壁渦流的范圍和強度均大幅下降, 降低渦流造成的局部流動損失，經(jīng)計算局部阻力系數(shù)可由0.3降低至0.16，同時可優(yōu)化風(fēng)機運行環(huán)境并降低風(fēng)機氣動噪聲。

圖5 圓節(jié)方風(fēng)道優(yōu)化Fig.5 Optimization of square duct with circular section

在一次風(fēng)機出口風(fēng)道90°轉(zhuǎn)彎處加裝導(dǎo)流板，提高風(fēng)道內(nèi)部流動均勻性。改型前，風(fēng)道內(nèi)彎處因流體聚集作用，該區(qū)域氣流速度急劇上升，外彎處則出現(xiàn)渦旋現(xiàn)象，流速分布不均勻，改型后，導(dǎo)流板提前分流使轉(zhuǎn)彎處的高速區(qū)和旋渦消失，大幅提升該區(qū)域流速分布的均勻性，提高流場品質(zhì)。

3)風(fēng)機基礎(chǔ)二次灌處理。鑒于一次風(fēng)機軸承存在長期異常振動，雖沒有充足證據(jù)證明二次灌漿和安裝存在問題，為排除所有可能潛在隱患，更換機殼時一并拆除二次灌漿層，風(fēng)機基礎(chǔ)找正以后重新灌漿處理。

3.2 處理效果

按照一次風(fēng)機軸承振動異常的處理方案，在機組B級檢修中對2臺一次風(fēng)機進行了改造。檢修后投入運行，一次風(fēng)機軸承振動穩(wěn)定。改造后經(jīng)過三個多月的運行，機組正常運行、啟動及變負荷工況時，A一次風(fēng)機軸承振動值保持在 1.0～1.5 mm/s，B一次風(fēng)機軸承振動值保持在 1.5～2.0 mm/s，與修前振動值(4.0～6.0 mm/s)相比，振動情況明顯改善，而且振動值隨負荷波動情況比較穩(wěn)定，改造后一次風(fēng)機運行經(jīng)濟性也得到了一定提升。

4 結(jié) 語

一次風(fēng)機風(fēng)壓較高，普遍采用雙級動調(diào)葉輪組，雙級動調(diào)葉輪結(jié)構(gòu)本身較復(fù)雜，影響風(fēng)機軸承振動的原因較多，鍋爐運行時一次風(fēng)機軸承振動異常時有發(fā)生。一次風(fēng)機發(fā)生軸承振動異常時，除通過運行數(shù)據(jù)分析，查找振動原因，采取針對性日常維護及檢修措施外，還應(yīng)從風(fēng)機葉片及風(fēng)道運行工況對風(fēng)機軸承振動的影響方面著手，將一次風(fēng)機放在鍋爐運行系統(tǒng)中分析，找到引起風(fēng)機軸承振動異常的振動源，消除振動源，才能解決一次風(fēng)機軸承振動異常問題，保證一次風(fēng)機的穩(wěn)定運行。