某機(jī)組風(fēng)道異常振動(dòng)故障分析診斷研究

劉振琦,劉振明

(1.北京國(guó)電電力有限公司上灣熱電廠,內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017209;2.國(guó)能億利能源有限責(zé)任公司電廠,內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017209)

0 引言

國(guó)內(nèi)燃煤電廠設(shè)備復(fù)雜,由于實(shí)際運(yùn)行工況與設(shè)計(jì)工況相差甚遠(yuǎn),加上設(shè)備老化和選型不合理,導(dǎo)致設(shè)備振動(dòng)問(wèn)題頻發(fā)。研究人員[1 -5]進(jìn)行了大量研究工作。對(duì)此,謝永輝[5]等人研究了汽輪機(jī)帶有減振護(hù)罩的葉輪葉片和長(zhǎng)葉輪的振動(dòng)特性,王彥博[6]、楊麗芳等[8]等進(jìn)行了相應(yīng)的計(jì)算分析相關(guān)參數(shù)的影響。薛翔[2]等研究了某300 MW機(jī)組感應(yīng)積分升壓后風(fēng)機(jī)誘發(fā)振動(dòng)的原因通過(guò)熱測(cè)試、現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)和振動(dòng)測(cè)試。沈力等[11]通過(guò)增加回風(fēng)旁通管解決了密封風(fēng)機(jī)和出風(fēng)管振動(dòng)的問(wèn)題。某熱電站1、2號(hào)機(jī)組為循環(huán)流化床機(jī)組,每臺(tái)機(jī)組配置兩臺(tái)豪頓華工程有限公司生產(chǎn)的L2N 2344.02.93 SBL6T型單進(jìn)風(fēng)離心風(fēng)機(jī)。機(jī)組技改后,減少四臺(tái)風(fēng)機(jī)的一次風(fēng)量,存在一次風(fēng)機(jī)進(jìn)口處消音管振動(dòng)強(qiáng)烈的問(wèn)題。

本文采用多種方法和思路對(duì)電廠振動(dòng)問(wèn)題進(jìn)行測(cè)試、分析和討論,找出其原因。

1 研究背景及初始數(shù)據(jù)

1.1 研究背景

(1)消音器元器件在風(fēng)道內(nèi)部矩陣式布置,通過(guò)振動(dòng)測(cè)試和理論計(jì)算探究是否發(fā)生卡門渦街振動(dòng);

(2)根據(jù)風(fēng)道圖紙和現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)可知,消音器布置在風(fēng)道進(jìn)口位置,上游無(wú)任何直管段或過(guò)渡段。通過(guò)數(shù)值計(jì)算,探究進(jìn)口消音器所在風(fēng)道系統(tǒng)流場(chǎng)分布均勻性;

(3)消音器設(shè)備與一次風(fēng)機(jī)處在同一風(fēng)道系統(tǒng)且距離較近,機(jī)組經(jīng)過(guò)技術(shù)改造后機(jī)組一次風(fēng)機(jī)風(fēng)量減少明顯,風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)發(fā)生明顯改變,因此需要探究其對(duì)風(fēng)道運(yùn)行系統(tǒng)的影響。

1.2 振動(dòng)初始測(cè)試數(shù)據(jù)

當(dāng)機(jī)組實(shí)際負(fù)荷為76 MW時(shí),通過(guò)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)開度激活風(fēng)道振動(dòng)并進(jìn)行試驗(yàn)。調(diào)節(jié)過(guò)程如下:調(diào)節(jié)期間,兩側(cè)逆變器頻率保持在70%左右,風(fēng)機(jī)開度由36%增大到39%,A側(cè)加熱一次,風(fēng)量小幅增大,B側(cè)一次熱風(fēng)量小幅減小,此時(shí),B側(cè)一次風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)風(fēng)道有較為明顯的振動(dòng),A側(cè)風(fēng)道無(wú)明顯振動(dòng)。

2 相關(guān)振動(dòng)因素分析與探究

2.1 卡門渦街問(wèn)題分析

卡門渦街是指在特定條件下定常流體繞過(guò)物體時(shí),在兩側(cè)周期性地脫落出有規(guī)則的、旋轉(zhuǎn)方向剛好相反的雙列線渦。脫落后的卡門渦流在管子的后方形成了垂直于氣流方向與管子方向的氣流脈動(dòng)。當(dāng)煙道的固有頻率、氣流聲學(xué)駐波的頻率或者卡門渦街脫落頻率中的兩個(gè)或者三個(gè)頻率都相近,會(huì)引發(fā)強(qiáng)烈的振動(dòng)。火力發(fā)電廠中,卡門渦街現(xiàn)象多出現(xiàn)在風(fēng)道暖風(fēng)器、低溫省煤器、管式空預(yù)器等管排式布置的設(shè)備上,當(dāng)介質(zhì)流速、管束尺寸等參數(shù)設(shè)計(jì)不當(dāng),極易發(fā)生共振。可采用以下公式計(jì)算旋渦脫落的頻率

fs=St×v/d

(1)

式中v——流體速度;

fs——卡門渦流脫落頻率;

d——圓柱體外徑;

St——斯特羅哈爾數(shù),與雷諾數(shù)相關(guān)的無(wú)因次量。

本文研究對(duì)象消音器為矩陣式布置,消音器元件截面尺寸300 mm×300 mm,長(zhǎng)3 000 mm,5×5陣列式布置,設(shè)計(jì)圖紙如圖1所示。根據(jù)公式(1)計(jì)算可得,旋渦脫落頻率為2.5 Hz,與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的13.13 Hz頻率差別較大。同時(shí),通過(guò)相關(guān)研究可知,卡門渦街引起的聲學(xué)共振問(wèn)題伴隨有異常聲音,而振動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)并無(wú)類似異常聲音。因此,通過(guò)理論計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)特征,排除卡門渦街引起振動(dòng)的可能性。

圖1 消音器設(shè)計(jì)圖紙

2.2 風(fēng)道流場(chǎng)分布及風(fēng)道剛性問(wèn)題分析

根據(jù)風(fēng)道設(shè)計(jì)圖紙建立消音器風(fēng)道模型,一次風(fēng)機(jī)進(jìn)口風(fēng)道及消音器的布置情況如圖2和圖3所示。由圖可知,消音器布置在一次風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口,上游未有直管段。

圖2 一次風(fēng)機(jī)進(jìn)口風(fēng)道示意圖

圖3 一次風(fēng)機(jī)進(jìn)口消音器示意圖

風(fēng)道內(nèi)部為復(fù)雜三維的湍流流場(chǎng),在進(jìn)行數(shù)值計(jì)算過(guò)程中,假定流體不可以壓縮、等溫定常,采用標(biāo)準(zhǔn)κ-ε模型,壁面設(shè)置為無(wú)滑移壁面,出口給定壓力邊界條件,進(jìn)口給定速度邊界條件;對(duì)稱中分面給定對(duì)稱邊界條件。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知:

(1)消音器進(jìn)口風(fēng)道壁面存在明顯的低速擾流區(qū);

(2)消音器元件尾部存在尾跡低速渦流區(qū);

因此,現(xiàn)有一次風(fēng)機(jī)進(jìn)口風(fēng)道存在一定的優(yōu)化空間。

同時(shí),消音器現(xiàn)場(chǎng)示意見圖4所示,現(xiàn)有消音器已運(yùn)行8年以上,未進(jìn)行過(guò)維修或者更換。消音器框架、壁面孔板、玻纖布等老化嚴(yán)重,甚至出現(xiàn)破損,鋼框架焊縫存在開裂現(xiàn)象,整體剛性較差。

圖4 現(xiàn)場(chǎng)消音器壁面示意圖

2.3 風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能分析

為探究現(xiàn)有一次風(fēng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行狀態(tài),對(duì)其進(jìn)行熱態(tài)性能試驗(yàn)。根據(jù)機(jī)組的運(yùn)行情況,將試驗(yàn)期間機(jī)組負(fù)荷分別安排在77 MW、112 MW及147 MW工況下進(jìn)行。一次風(fēng)機(jī)實(shí)測(cè)運(yùn)行點(diǎn)在風(fēng)機(jī)性能曲線上的位置如圖5所示。

圖5 一次風(fēng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行點(diǎn)在其性能曲線上的位置

根據(jù)風(fēng)機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)及以上數(shù)據(jù)可知,三個(gè)工況下風(fēng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行工況點(diǎn)處于高效區(qū),但基本位于風(fēng)機(jī)出力極限,低負(fù)荷工況運(yùn)行點(diǎn)距離失速線較近。風(fēng)機(jī)失速裕度見表1所示,由表中數(shù)據(jù)可知,風(fēng)機(jī)低負(fù)荷工況下的失速裕度小于規(guī)范中要求的1.35,具有較大的失速風(fēng)險(xiǎn)。

表1 風(fēng)機(jī)失速裕度

3 機(jī)組振動(dòng)優(yōu)化改造

分析可知,目前一次風(fēng)機(jī)及其進(jìn)口消音器管道系統(tǒng)存在兩個(gè)方面的問(wèn)題:消音器風(fēng)道流場(chǎng)分布較差、一次風(fēng)機(jī)存在失速風(fēng)險(xiǎn),需對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)分析,探究與風(fēng)道振動(dòng)之間的關(guān)系。

3.1 風(fēng)道優(yōu)化改造

根據(jù)分析可知,消音器所在進(jìn)口風(fēng)道流場(chǎng)存在一定的優(yōu)化空間,同時(shí)鋼框架剛性需要進(jìn)一步加強(qiáng)。首先計(jì)劃通過(guò)以上兩種途徑緩解振動(dòng)問(wèn)題,具體措施如下:一次風(fēng)機(jī)進(jìn)口風(fēng)道增加進(jìn)口弧板+消音器尾部增加破渦板+消音器鋼框架修補(bǔ)加固。幾何模型示意圖和內(nèi)部流場(chǎng)圖分別如圖6所示:由計(jì)算結(jié)果可知,兩種優(yōu)化措施均對(duì)消音器所在風(fēng)道附近流場(chǎng)存在一定的改善作用。

圖6 優(yōu)化措施幾何模型和流場(chǎng)示意圖

3.2 改造效果

經(jīng)過(guò)上述改造,消聲器框架的剛性得到了加強(qiáng),改善了因空氣進(jìn)入而導(dǎo)致消聲器本體流場(chǎng)不均勻的問(wèn)題。同時(shí),對(duì)管網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化,減少了阻力一次風(fēng)機(jī)所在市電系統(tǒng),使風(fēng)機(jī)工況點(diǎn)遠(yuǎn)離不穩(wěn)定工況區(qū)域,工況變化時(shí)阻尼效果大大提高,兼顧安全性和經(jīng)濟(jì)性。

4 結(jié)論

結(jié)合一次風(fēng)機(jī)性能試驗(yàn)數(shù)據(jù),對(duì)振動(dòng)頻譜及歷史SIS數(shù)據(jù)進(jìn)行了詳細(xì)分析。一次風(fēng)機(jī)的進(jìn)口管道振動(dòng)前均發(fā)生了一次風(fēng)機(jī)落入不穩(wěn)定區(qū)的現(xiàn)象,即一次風(fēng)機(jī)落入不穩(wěn)定區(qū)是一次風(fēng)機(jī)進(jìn)口風(fēng)道振動(dòng)的誘因。

同時(shí)對(duì)于機(jī)組進(jìn)行振動(dòng)優(yōu)化改造,經(jīng)過(guò)改造之后,加強(qiáng)了消音器框架剛性,改善了由于進(jìn)風(fēng)口導(dǎo)致的消音器本體流場(chǎng)不均問(wèn)題。同時(shí)優(yōu)化了管網(wǎng)系統(tǒng),降低了一次風(fēng)機(jī)所在網(wǎng)系統(tǒng)阻力。