變轉(zhuǎn)速運行靜調(diào)軸流引風(fēng)機(jī)葉片裂紋故障診斷分析研究

(神華福能發(fā)電有限責(zé)任公司，泉州 362712)

0 引 言

長期以來，變轉(zhuǎn)速運行軸流引風(fēng)機(jī)的葉片裂紋故障一直是發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域難點之一，由于軸流引風(fēng)機(jī)葉片的懸臂式固定方式，其在葉根部位承受更高的內(nèi)應(yīng)力；另一方面，變轉(zhuǎn)速運行過程中葉片的固有頻率和轉(zhuǎn)速頻率及葉片通過頻率發(fā)生重合而導(dǎo)致的共振現(xiàn)象，也是葉片根部裂紋的一個重要原因；此外，引風(fēng)機(jī)進(jìn)出口流道設(shè)計不合理及風(fēng)機(jī)失速等問題，也會對引風(fēng)機(jī)葉根裂紋產(chǎn)生負(fù)面影響。在該領(lǐng)域，已經(jīng)有眾多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究[1-15]。

經(jīng)過查閱資料可以發(fā)現(xiàn)，雖然變轉(zhuǎn)速運行軸流引風(fēng)機(jī)的裂紋問題取得了一定的進(jìn)展，然而目前的文獻(xiàn)多是在某個技術(shù)難點上進(jìn)行著重分析，并未形成系統(tǒng)的理論體系，本論文的目的在于通過對某變轉(zhuǎn)速運行軸流引風(fēng)機(jī)的裂紋問題進(jìn)行診斷治理，系統(tǒng)性的提出解決該故障的一般規(guī)律，供后續(xù)研究者或技術(shù)人員進(jìn)行參考。

1 背景

國內(nèi)某2×1 050 MW燃煤發(fā)電機(jī)組采用東方鍋爐廠生產(chǎn)的DG3130/27.46-Π2，每臺鍋爐配備兩臺2臺由中國電建集團(tuán)透平科技有限公司生產(chǎn)的HA47448-8Z型靜調(diào)軸流引風(fēng)機(jī)，引風(fēng)機(jī)由小汽機(jī)驅(qū)動，變轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)運行，引風(fēng)機(jī)及配套設(shè)備參數(shù)見表1。

表1 引風(fēng)機(jī)設(shè)備規(guī)范

該引風(fēng)機(jī)在長期運行過程中，多次出現(xiàn)了引風(fēng)機(jī)葉片根部裂紋現(xiàn)象，影響了引風(fēng)機(jī)及機(jī)組的運行安全，為此研究人員對該故障進(jìn)行現(xiàn)場測試及相關(guān)數(shù)據(jù)采集。

2 故障診斷分析

對于目前引風(fēng)機(jī)葉片裂紋問題而言，風(fēng)機(jī)失速、葉片共振、流體激振以及煙道布置不合理均有可能是故障原因，為此，本研究首先對以上各種原因進(jìn)行排查分析。

2.1 引風(fēng)機(jī)熱態(tài)試驗及失速排查

為排查引風(fēng)機(jī)是否存在失速風(fēng)險，工作人員對引風(fēng)機(jī)進(jìn)行了熱態(tài)測試，引風(fēng)機(jī)在100%、75%及50%負(fù)荷工況下工作點在性能曲線上的位置如圖1所示，同時將計算所得到的失速數(shù)據(jù)列于表2中。

圖1 引風(fēng)機(jī)實際運行點在其變轉(zhuǎn)速性能曲線上的位置

通過圖1及表2可以看出，目前引風(fēng)機(jī)小負(fù)荷下兩側(cè)引風(fēng)機(jī)的失速安全裕度均值僅為1.23，小于規(guī)范中要求的最小安全失速裕度1.30，因此目前引風(fēng)機(jī)在小負(fù)荷下存在一定程度的失速風(fēng)險。

表2 引風(fēng)機(jī)熱態(tài)試驗主要結(jié)果與性能曲線值比較

2.2 引風(fēng)機(jī)本體振動測試

為了探明引風(fēng)機(jī)本體振動的特征頻譜，研究人員對引風(fēng)機(jī)振動進(jìn)行了測試分析。圖2給出了引風(fēng)機(jī)在1 011 MW負(fù)荷下的振動頻譜圖。從中可以看出引風(fēng)機(jī)振動總體保持在較小水平，最大振動為3A引風(fēng)機(jī)軸向振動，振速為3.1 mm/s，未發(fā)生振動超標(biāo)。

從頻譜來看，除引風(fēng)機(jī)本體有少量的1X倍轉(zhuǎn)速頻率外，其余頻譜均表現(xiàn)出明顯的葉片通過頻率及其倍頻。從測試所得的數(shù)據(jù)來看，引風(fēng)機(jī)設(shè)備存在機(jī)械故障的可能性較小。

圖2 3A引風(fēng)機(jī)機(jī)殼振動頻譜

2.3 進(jìn)出口煙道內(nèi)部壓力脈動測試

圖3給出了引風(fēng)機(jī)進(jìn)出口煙道煙氣壓力波動頻譜分析，可以看出，3A引風(fēng)機(jī)進(jìn)口煙道煙氣壓力波動值最大達(dá)到418 Pa，出口煙道煙氣壓力波動值最大達(dá)到635 Pa，并且煙氣壓力波動頻率明顯表現(xiàn)為葉片通過頻率及其倍頻占主導(dǎo)地位。由于引風(fēng)機(jī)在變轉(zhuǎn)速的運行過程中葉片通過頻率及其倍頻(每分鐘轉(zhuǎn)速/60*葉片數(shù)*n，其中n=1、2、3…)會發(fā)生連續(xù)的變化，當(dāng)葉片通過頻率或其倍頻(激振頻率)與引風(fēng)機(jī)葉片固有頻率(結(jié)構(gòu)頻率)接近甚至重合的時候，便有可能發(fā)生引風(fēng)機(jī)葉片的結(jié)構(gòu)共振現(xiàn)象，從而對引風(fēng)機(jī)葉片壽命產(chǎn)生負(fù)面影響。

圖3 3A引風(fēng)機(jī)進(jìn)出口流場壓力波動頻譜

2.4 引風(fēng)機(jī)葉片固有頻率敲擊測試

前面提到，當(dāng)葉片通過頻率及其倍頻(激振頻率)與引風(fēng)機(jī)葉片固有頻率(機(jī)構(gòu)頻率)接近甚至重合的時候，便有可能發(fā)生引風(fēng)機(jī)葉片的結(jié)構(gòu)共振現(xiàn)象，本小節(jié)對引風(fēng)機(jī)葉片的固有頻率進(jìn)行測試分析，排查是否存在引風(fēng)機(jī)葉片結(jié)構(gòu)共振現(xiàn)象，為此研究人員對兩臺機(jī)組引風(fēng)機(jī)固有頻率進(jìn)行了測試分析，表3中給出了引風(fēng)機(jī)靜頻率測試值。

表3 引風(fēng)機(jī)葉片靜頻率測試值

考慮到引風(fēng)機(jī)運行過程中，離心力、煙溫等因素均會對葉片固有頻率影響，因此需要對實際測得的靜頻率進(jìn)行換算，得到不同轉(zhuǎn)速下對應(yīng)的動頻率，經(jīng)過分析，當(dāng)引風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速在492 r/min及624 r/min時，激振頻率與葉片動頻率發(fā)生相交，此時葉片會發(fā)生共振現(xiàn)象，該葉片共振問題應(yīng)該是引風(fēng)機(jī)葉根裂紋產(chǎn)生的主要原因。

2.5 引風(fēng)機(jī)進(jìn)出口煙道優(yōu)化研究

圖4 入口煙道優(yōu)化前后流場對比示意圖

通過現(xiàn)場踏勘發(fā)現(xiàn)，引風(fēng)機(jī)原始入口煙道為非對稱布置方式，為此對引風(fēng)機(jī)入口煙道進(jìn)行數(shù)值模擬及優(yōu)化研究，圖4中給出了煙道優(yōu)化前、后流場布置情況，可以看出在優(yōu)化前，水平煙道內(nèi)存在大面積的氣流滯止區(qū)，豎井煙道內(nèi)存在強(qiáng)烈的流向漩渦，這些強(qiáng)烈的漩渦結(jié)構(gòu)會造成引風(fēng)機(jī)內(nèi)部氣流的強(qiáng)烈脈動，從而加劇葉片根部裂紋問題。

同時，圖4中也給出了優(yōu)化后的流場分布圖，可以看出優(yōu)化后流場變得非常均勻，同時煙道優(yōu)化后阻力也大幅降低，數(shù)值模擬及實地測試表明，煙道優(yōu)化后，引風(fēng)機(jī)運行更加穩(wěn)定。

3 數(shù)據(jù)分析及建議

從前面的分析可以看出，為了排查現(xiàn)有引風(fēng)機(jī)葉根裂紋問題，研究人員分別從熱態(tài)試驗、風(fēng)機(jī)振動測試、風(fēng)機(jī)進(jìn)出口壓力測試、葉片共振頻率分析以及煙道優(yōu)化等進(jìn)行了分析，得到結(jié)論如下：

(1)通過引風(fēng)機(jī)進(jìn)行熱態(tài)試驗及失速排查可知，小負(fù)荷下引風(fēng)機(jī)失速安全裕度為僅為1.23，小于規(guī)范中要求的最小失速安全裕度1.30，因此目前引風(fēng)機(jī)在小負(fù)荷下存在一定程度的失速風(fēng)險，該失速風(fēng)險會對葉片裂紋帶來一定程度的負(fù)面影響。

(2)通過對引風(fēng)機(jī)進(jìn)、出口煙道內(nèi)部進(jìn)行壓力波動測試表明，引風(fēng)機(jī)進(jìn)、出口煙道內(nèi)部存在一定程度的煙氣壓力波動；在大負(fù)荷時引風(fēng)機(jī)進(jìn)口煙道煙氣壓力波動值最大達(dá)到418 Pa，而出口煙道煙氣壓力波動值最大達(dá)到635 Pa。該煙氣壓力波動以葉片通過頻率及其倍頻占主導(dǎo)地位，該葉片激振力交變作用在引風(fēng)機(jī)葉片上，會造成引風(fēng)機(jī)葉片的材料疲勞。

(3)通過對4臺引風(fēng)機(jī)葉片進(jìn)行固有頻率測試并進(jìn)行動頻率換算，分析發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有引風(fēng)機(jī)在492 r/min及624 r/min轉(zhuǎn)速下會產(chǎn)生因其葉片結(jié)構(gòu)固有頻率與葉片通過頻率重合而導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)共振現(xiàn)象，這兩個轉(zhuǎn)速下的共振問題應(yīng)該是葉片裂紋產(chǎn)生的主要原因。

(4)通過引風(fēng)機(jī)進(jìn)出口煙道數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有引風(fēng)機(jī)進(jìn)口煙道由三個分支煙道匯合后，在引風(fēng)機(jī)進(jìn)口豎井煙道段存在很強(qiáng)烈的漩渦結(jié)構(gòu)，煙道內(nèi)流場非?；靵y，導(dǎo)致引風(fēng)機(jī)入口氣流均勻性及穩(wěn)定性較差，從而在引風(fēng)機(jī)設(shè)備及煙道內(nèi)部產(chǎn)生了一定程度的煙氣壓力波動(表現(xiàn)為葉片通過頻率及其倍頻)，進(jìn)而在引風(fēng)機(jī)葉片上產(chǎn)生交變的氣流作用力，對引風(fēng)機(jī)的安全平穩(wěn)運行產(chǎn)生不利影響，引風(fēng)機(jī)入口煙道布置不合理應(yīng)該是葉片裂紋產(chǎn)生的次要原因。

綜合分析后可以得出：引風(fēng)機(jī)葉片裂紋應(yīng)該與特定轉(zhuǎn)速下葉片結(jié)構(gòu)共振及其進(jìn)出口煙道布置方式存在較大的影響關(guān)系，同時小負(fù)荷工況下引風(fēng)機(jī)存在的失速風(fēng)險對葉片也存在負(fù)面影響，因此提出避免葉片裂紋的解決方案：

(1)在運行過程中要避開492 r/min及624 r/min兩個轉(zhuǎn)速，并保持一定的避開率。

(2)對引風(fēng)機(jī)入口煙道進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化方案示意圖見圖4。

(3)建議加強(qiáng)空預(yù)器及煙冷器吹掃，降低風(fēng)煙系統(tǒng)阻力及失速隱患。

4 結(jié)束語

本研究為了分析變轉(zhuǎn)速引風(fēng)機(jī)葉片裂紋故障問題，依次從引風(fēng)機(jī)熱態(tài)試驗及失速排查、引風(fēng)機(jī)振動測試、引風(fēng)機(jī)進(jìn)出口壓力測試、葉片共振頻率測試分析以及引風(fēng)機(jī)入口煙道優(yōu)化等五個方面入手，最終成功分析出引風(fēng)機(jī)葉片根部裂紋的根本原因，并提出了解決了該故障可行性方案。本文中所采用的分析過程可用于引風(fēng)機(jī)葉片裂紋故障診斷，并為引風(fēng)機(jī)故障診斷領(lǐng)域提供了一條普適性的理論分析方法。