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锅炉引风机调试期间振动问题分析及处理

卢双龙 刘林波 王树深* / 湖北省电力公司电力科学研究院    

摘要:某电厂两台引风机在调试期间均出现了不同程度的振动问题,主要表现在风机水平方向振动偏大和高转速下振动不稳定两个方面。通过对DCS监测系统振动数据分析,指出动静摩擦是导致风机不稳定振动的主要原因,基础刚度不足是导致风机异常振动的根本原因。现场通过对风机基础进行加固处理后,从根本上解决了引风机振动问题。
关键词:引风机;振动;故障诊断
中图分类号:TH432 文献标志码:B
Vibration Analysis and Diagnosis Disposal for Boiler Induced Draught Fan during Debugging Process
Abstract: Vibration problems with different degree occurred in two boiler induced draught fans during the debugging process in a plant. Large vibration occurred in the horizontal direction and then turned to unstable in high rotating speed. Based on the vibration measured data on DCS monitoring system, we found that rub between stator and rotor is the major cause of the unstable vibration. Insufficient base stiffness is the fundamental cause of the abnormal vibration. By reinforcing the fan base in field, vibration faults were solved successfully.
Key words: induced draught fan; vibration; fault diagnosis
0 引言
  引风机是火电厂主要辅助设备之一,其运行情况的好坏直接关系到锅炉能否安全稳定运行。振动是影响引风机正常运行的重要因素,克服和解决引风机振动问题将有助于锅炉长期安全稳定运行。
  某电厂两台引风机在调试期间均出现了不同程度的振动问题,严重影响了机组安全稳定运行。本文对DCS监测系统振动数据进行了详细分析,总结出了机组振动规律,找出了机组故障原因,制定了振动治理方案,方案实施后彻底消除了引风机振动故障。
1 概述
  该厂引风机为上海鼓风机厂生产14144Z/1800型双吸离心式引风机,配以上海电机厂生产的YKK710-6型电动机,通过液力耦合器控制风机转速(200~950r/min)。该机组由电动机、耦合器、引风机及4个径向轴承组成,轴系结构示意图见图1。

  在调试期间,两台引风机均出现了不同程度的振动问题,主要表现在:引风机A在745r/min定速过程中出现了一定程度的波动,在转速提高至775r/min过程中,在短短30s内由4.0mm/s直线爬升至11.2mm/s,并导致振动保护动作停机;引风机B在745r/min定速过程中出现了一定程度的爬升,在10min内由定速初期的4.5mm/s增加至7.8mm/s,最后手动停机。
2 振动特征
  由于该厂两台引风机振动特征相似,本文仅以引风机A为例进行了详细分析。图2给出了引风机A在首次启动过程中的振动趋势图(注:图2取自DCS监测系统)。从图2可以看出,该厂引风机主要具有以下振动特征:
  1) 风机振动和转速有较大关联,转速变化振动立即变化;
  2) 风机两个方向振动差别较大,水平方向振动较大,垂直方向振动较小;
  3) 风机中速运行时振动存在一定程度的波动,高速定速过程中振动出现明显爬升;
  4) 在振动异常过程中,水平方向振动变化较大,垂直方向变化较小;
  5) 在停机过程中,风机振动明显高于升速过程中相同转速下的振动。

3 振动原因分析
  由于风机振动始终处于较高水平,电机和液力耦合器振动较小,可以认为故障部位主要发生在风机上。对于引风机的振动问题,主要从测试、气流、电气、机械和基础等因素进行详细分析。
3.1 测试误差
  由于风机安装的4个相同型号加速度传感器中,仅有水平方向2个测点振动偏大,为此将现场振动数据和DCS监测系统数据进行了比较,结果表明两者相差不大,可以排除监测系统故障。
3.2 转子平衡
  由于风机振动和转速有较大关联,转速变化振动立即变化,说明风机转子存在一定的质量不平衡。由于风机垂直方向振动始终处于较低水平,说明风机转子原始不平衡量较小,表明风机振动和转子质量不平衡之间关联不大。
3.3 轴承缺陷
  如果轴承存在缺陷,将导致转子-轴承系统支撑刚度降低,在激振力不大时会产生较大的振动[1]。但当轴承存在缺陷时,轴承水平和垂直两个方向振动应同步变化,不应该仅仅在水平方向有十分明显的反应;另外,两台风机4个轴承同时存在缺陷的可能性较小,可以排除轴承存在缺陷的可能。
3.4 风道影响
  在引风机进、排气管道和风机壳体之间安装有膨胀节,可以有效地补偿管道受热膨胀等因素对风机壳体和振动的影响。另外,如果风机管道存在问题,那么壳体振动同样应处于较高水平,但现场测试数据显示风机壳体振动并不大,可以认为风机振动与管道无关。
3.5 气流因素
  当受气流因素影响较大时,风机轴承将出现较大程度的不稳定振动现象。在风机异常振动过程中,电机电流、挡板开度、风机出口压力等参数基本保持不变,现场也没有听到明显噪声,可以排除喘振和旋转失速等气流因素引起不稳定振动的可能。
3.6 电气故障
  在断电瞬间,风机振动大幅度降低,这似乎属于电磁振动的范畴。但如果存在电气故障,那么在电机启动瞬间,风机振动同样应处于较高水平。从现场测试情况来看,在电机启动瞬间,风机振动并不大,这与电磁振动特性不符,说明风机振动并不是由于电气故障引起的。
3.7 动静摩擦
  当转动部件和静止部件之间间隙消失后,动静部件将直接接触,产生摩擦振动,这种振动可以在任何转速下发生,和机组运行工况没有明显规律。从振动规律上看,风机不稳定振动很有可能是动静摩擦引起的。
  关于该厂引风机不稳定振动现象,可以作如下解释:风机中速运行时属于轻微的、不连续的局部摩擦,此时转动部件和静止部件处于时而接触、时而脱离的状态,表现为振动幅值时大时小,很不稳定。由于摩擦程度较轻,振动并没有出现明显恶化,风机高速运行时属于动静部分始终脱离不了接触的重度摩擦,由此导致振动变大,振动增大又加剧了摩擦,在振动与摩擦之间形成了恶性循环,表现为振动幅值持续上升,而且上升的速度越来越快。
  在停机过程中,振动明显高于升速过程中相同转速下的振动,说明风机转子存在一定程度的热弯曲,在引风机还未带热负荷的情况下,这种热变形只能是由摩擦引起的。由于风机垂直方向振动变化不大,说明风机转子热变形量较小,表明当时摩擦程度并不严重。由此可见,动静摩擦是导致引风机不稳定振动的主要原因,但却不是引起引风机异常振动的根本原因。
3.8 基础因素
  在通常情况下,轴承座等固定部件的振动与激振力成正比,与结构动刚度成反比。在激振力一定的情况下,振动幅值取决与动刚度的大小[2] 。由于风机侧水平方向振动较大,垂直方向振动较小,说明轴承座两个方向动刚度差别较大,在激振力相同的情况下,水平方向振动偏大只能是轴承座水平方向动刚度偏低引起的。从水平方向和垂直方向振动相差近15~20倍来看,说明风机轴承座横向支承刚度严重不足。
  在通常情况下,影响轴承座动刚度的因素主要有连接刚度、结构刚度和共振。连接刚度反映了两个部件之间的连接情况,大多数情况指轴承座与台板之间的连接刚度[3] 。轴承座外部特性试验数据表明,部件之间差别振动非常小,说明各部件之间连接情况很好,可以排除连接刚度不足引起风机振动的可能。
  在排除连接刚度不足后,分析认为基础刚度不足是导致引风机异常振动的根本原因。虽然风机基础本身不会引起任何振动,但任何转子系统都存在少量的质量不平衡,该不平衡会引起振动,在基础刚度不足的情况下,它会加剧该不平衡所引起的振动,从而导致引风机振动问题[4]
  从现场实际情况来看,风机基础由两根4 300mm×1 300mm×720mm钢筋混凝土立柱组成(图3),呈明显立高状,这种结构设计使支撑系统挠度大、刚度差及承载抗扰性能差。由于引风机转子较重(16t),在目前这种支撑系统较高且相对单薄的情况下,在运行过程中非常容易产生横向刚度不足的情况,并由此导致引风机振动问题。

  为了进一步验证振动与基础之间的关系,现场对风机基础进行了振动测试,测试结果显示风机基础振动确实较大,从轴承座至风机基础呈逐渐增大的趋势,这说明风机支撑系统存在较大问题,并由此引起引风机振动问题,这也与前面分析得到的结论一致。
  由于基础刚度不足会导致转子-支承系统共振频率降低,不能排除风机在高转速运行时发生共振的可能。从振动测试情况来看,当引风机A转速由745r/min提高到775r/min后,水平方向振动由4mm/s增至7.8mm/s;由775r/min降低至745r/min后,水平方向振动由12.4mm/s迅速减小至5.6mm/s。风机转速在如此小的范围内变化,振动却出现如此大的变化,说明风机在高速运行时(775r/min附近)很有可能处于共振区域附近。
  综上所述,由于基础结构设计不合理,使风机支撑系统承载抗扰性能降低,在运行过程中出现了横向刚度严重不足的情况,导致风机水平方向振动始终处于较高水平。在高转速运行时,由于水平方向振动幅值超过了转动部件和静止部件之间的间隙,产生了摩擦振动。虽然摩擦程度并不严重,但由于处于共振区附近,导致振动对激振力变化十分敏感,使得任何微小平衡状态的改变在轴承座水平方向上都得到了明显反应;由此可见,导致引风机异常振动的根本原因为基础刚度严重不足所致。
4 振动处理措施
  在处理因基础刚度不足导致的振动问题时,理论上可以从减小激振力和提高支承系统刚度两个方面着手。在实际处理时,受现场条件、工期等多方面因素的限制,大多是从减小激振力的角度来解决这类振动问题[5] 。但对于该厂引风机的振动问题,仅通过减小激振力的方法并不能从根本上解决,这是因为引风机工作环境的特殊性,在运行过程中经常出现叶轮磨损和叶片积灰等情况,这使风机转子非常容易产生一定的质量不平衡,在目前这种水平刚度严重不足的情况下,会经常导致引风机振动问题,为锅炉安全稳定运行留下隐患;由此可见,动平衡只能是一种临时缓解该厂引风机振动问题的办法,并不能从根本上解决该厂引风机的振动问题;因此,要彻底解决该厂引风机目前所存在的振动问题,必须对风机基础进行现场加固(图4)。

5 振动治理效果
  通过对风机基础进行加固处理后,两台风机均可以平稳升至最高工作转速。表1给出了两台风机在基础加固前后的振动数据。

  从表中数据可以看出,在对风机基础进行加固处理后,两台风机振动均大幅度降低;在最高转速下,两台引风机振动均小于1.5mm/s,说明在对风机基础进行加固处理后,使得风机基础稳定性大幅度提高,从根本上解决了引风机异常振动问题。在试运过程中,风机振动始终处于较低水平,表明该厂两台引风机异常振动治理工作取得了圆满成功。
6 结论
  根据DCS监测系统振动数据,对某电厂两台引风机在调试期间所存在的振动问题进行了详细分析,指出基础刚度不足是导致引风机异常振动的根本原因。现场通过对风机基础进行加固处理后,从根本上解决了该厂引风机的振动问题。
  从这两台引风机振动处理结果来看,基础结构设计非常重要,即使在各部件安装较好的情况下,如果基础结构设计不合理,那么同样会引起较大的振动。由于这种情况属于设计缺陷,在现场从根本上解决有较大难度,希望相关单位对基础结构设计能给予足够重视。

参 考 文 献

[1] 杨建刚,陈余平.南昌钢铁厂轴流压缩机振动故障分析.流体机械[J].2002,30(6):30-33.
[2] 张学延.汽轮发电机组振动诊断[M].北京:中国电力出版社,2008.
[3] 杨建刚.旋转机械振动分析与工程应用[M].北京:中国电力出版社,2007.
[4] 郜立焕,万畅,杨玮.风机基础刚度差的振动机理和诊断方法[J].风机技术,2007(4):69-71.
[5] 寇胜利.汽轮发电机组振动及现场平衡[M].北京:中国电力出版社,2007.

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  评论人:rmrbauh   打分:85 分  发表时间:2015-6-30 12:56:42
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  评论人:カルチェ   打分:0 分  发表时间:2013-11-9 10:21:55
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