一起由變頻器故障引發(fā)的二倍頻振動案例分析

安如山郭瑞濤

(河北邯峰發(fā)電有限責(zé)任公司,河北 邯鄲 056200)

二倍頻是振動頻譜中的常見現(xiàn)象,在振動頻譜分析中,造成設(shè)備二倍頻振動的主要原因有:聯(lián)軸器不對中、軸彎曲、軸承安裝問題、機械松動、階次共振等,而變頻器故障造成該類振動的研究較少。在一次凝結(jié)水泵振動超標(biāo)故障診斷中,發(fā)現(xiàn)變頻器出現(xiàn)了問題。

1 設(shè)備概況

河北邯峰發(fā)電有限責(zé)任公司(簡稱“邯峰電廠”)1號、2號汽輪發(fā)電機組為德國SIEMENS公司制造的660 MW 汽輪發(fā)電機組,一期工程安裝4臺凝結(jié)水泵。為進(jìn)一步降低凝結(jié)水泵的廠用電率,2006年對11號凝結(jié)水泵進(jìn)行了變頻改造。

凝結(jié)水泵變頻改造之后,通過調(diào)整凝結(jié)水泵轉(zhuǎn)速來控制流量,隨著凝結(jié)水泵轉(zhuǎn)速的降低,減小了節(jié)流損失的同時,也降低了水泵的振動,凝結(jié)水泵的振動長期處在1 mm/s以下。根據(jù)《華能國際電力股份有限公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/HPI-1-017-2014旋轉(zhuǎn)機械振動檢測及診斷技術(shù)規(guī)范》中關(guān)于額定功率大于15 k W 多葉片葉輪并與原動機分開連接的泵/風(fēng)機(離心式、混流式或軸流式)的振動判斷標(biāo)準(zhǔn),華能邯峰電廠凝結(jié)水泵的振動遠(yuǎn)低于“剛性支撐類型A/B 區(qū)域邊界標(biāo)準(zhǔn)”2.3 mm/s,長期處于“A”(良好)區(qū)域。表1為該振動判斷標(biāo)準(zhǔn)。

表1 分開連接的泵/風(fēng)機(離心式、混流式或軸流式)的振動判斷標(biāo)準(zhǔn)

2 故障情況及原因分析

2019年02月21 日,1號機組11號凝結(jié)水泵運行中突然發(fā)生較大振動和噪音,要求檢修人員立即到現(xiàn)場處理。通過對11號凝結(jié)水泵進(jìn)行了振動測量發(fā)現(xiàn):11號凝結(jié)水泵軸瓦水平振動值為8.872 mm/s,超過了“剛性支撐類型C/D 區(qū)域邊界標(biāo)準(zhǔn)”(7.1 mm/s),處于“D”(振動導(dǎo)致?lián)p壞)區(qū)域,需要立即停運查找原因。隨即停運11號凝結(jié)水泵,倒為12號凝結(jié)水泵工頻運行。

2.1 振動頻譜表現(xiàn)

圖1為11號凝結(jié)水泵突發(fā)振動前后的頻譜圖對比,(實線為突發(fā)振動前頻譜,虛線為突發(fā)振動后頻譜)從圖中可以看出,11號凝結(jié)水泵正常運行期間,設(shè)備各振動成分的振動值都非常小,水平振動有效值只有0.653 mm/s,遠(yuǎn)低于振動警告值。振動故障發(fā)生后,11號凝結(jié)水泵水平振動有效值急劇增加,振動有效值從0.653 mm/s變化至8.872 mm/s,增幅達(dá)12.6倍。各倍頻振動成分均有一定增幅,其中二倍頻附近有一個明顯波峰,振動頻率38.672 Hz,單成分振幅7.494 mm/s,是引起11號凝結(jié)水泵振動的主要原因。如圖1所示。

圖1 11號凝結(jié)水泵故障發(fā)生前后振動頻譜對比

2.2 振動頻譜分析

2.2.1 故障可能原因分析

設(shè)備停運后,根據(jù)設(shè)備頻譜表現(xiàn),總結(jié)出可能出現(xiàn)的幾種原因,加以一一排除。總結(jié)可能原因如下:

a.凝結(jié)水泵泵組中心不正或聯(lián)軸器損壞。

b.凝結(jié)水泵推力瓦或?qū)吣p。

c.凝結(jié)水泵的階次共振。

d.電機軸承故障。

e.電氣原因,變頻器輸出故障。

2.2.2 故障可能原因排查

a.凝結(jié)水泵泵組中心不正或聯(lián)軸器損壞。設(shè)備停運后分別對電機座螺栓、聯(lián)軸器及其螺栓進(jìn)行檢查,均未發(fā)現(xiàn)異常。重新復(fù)查中心,各項數(shù)值均在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi),因此排除凝結(jié)水泵泵組中心不正或聯(lián)軸器損壞造成水泵振動超標(biāo)原因。

b.推力瓦或?qū)吣p。設(shè)備運行期間,一旦瓦塊出現(xiàn)磨損,將影響軸承室潤滑油品質(zhì),使得潤滑油變黑。通過11號凝結(jié)水泵軸承箱放油觀察,發(fā)現(xiàn)11號凝結(jié)水泵放出的潤滑油顏色正常,油中無磨損的鎢金碎屑出現(xiàn),因此可以排除推力瓦磨損原因。

c.階次共振。在11號凝結(jié)水泵試運過程中,發(fā)現(xiàn)凝結(jié)水泵在1 100～1 200 r/min期間的振動較大,懷疑可能會有階次共振的現(xiàn)象產(chǎn)生。通過對11號凝結(jié)水泵進(jìn)行了錘擊實驗發(fā)現(xiàn),11號凝結(jié)水泵的固有頻率為174.141 Hz,與發(fā)生振動的頻率無關(guān),所以階次共振原因可以排除。

d.電機軸承故障。圖2為凝結(jié)水泵電機驅(qū)動端水平加速度頻譜圖,從圖中可以看出,11號凝結(jié)水泵電機驅(qū)動端水平加速度峰值只有9.263 m/s2,即0.945 g(1 g=9.8 m/s2),且振動加速度與突發(fā)振動前無較大變化。說明電機驅(qū)動端軸承雖然有輕微損傷,但不是造成振動的主要原因。

圖2 電機軸承振動加速度頻譜

e.電氣故障。在對頻譜的分析過程中,發(fā)現(xiàn)圖中一倍頻頻率為19.219 Hz,其振動主要成分的頻率為38.672 Hz,并不是一倍頻的整數(shù)倍成分。即在頻譜中看到的二倍頻,只能稱之為“疑似兩倍頻成分”。因此懷疑是由于電氣原因也就是變頻器的頻率混亂,或者和電機的轉(zhuǎn)速構(gòu)成諧振頻率關(guān)系,造成水泵振動超標(biāo)。為徹底排除變頻器故障原因,通過在隔離變頻器的條件下試運11號凝結(jié)水泵,其頻譜如圖3所示。

從圖3中可以看出,11號凝結(jié)水泵的振動成分主要是一倍頻和七倍頻及其低噪。各項振動成分振幅最大均未超過1.2 mm/s,通頻振動有效值為4.197 mm/s,未超過4.5 mm/s的“B/C”區(qū)域邊界標(biāo)準(zhǔn),處于“B”(合格)范圍內(nèi)。最重要的是,二倍頻附近的波峰幾乎消失。

圖3 隔離變頻器后11號凝結(jié)水泵振動頻譜

分析認(rèn)為,一倍頻的原因是轉(zhuǎn)子的輕微不平衡,七倍頻及其低噪產(chǎn)生的原因是水泵汽蝕和出口節(jié)流引發(fā)的“氣穴現(xiàn)象”,造成振動的主要成分“疑似兩倍頻”消失了。

由此推斷,造成11號凝泵振動的主要原因是變頻器故障造成的輸出信號紊亂或者與電機的轉(zhuǎn)速構(gòu)成諧振頻率關(guān)系。

2.2.3 故障原因確認(rèn)

為確認(rèn)排查結(jié)果,經(jīng)查閱資料發(fā)現(xiàn):變頻器的三相輸出不平衡,一般表現(xiàn)為馬達(dá)抖動,轉(zhuǎn)速不穩(wěn);變頻器帶電機抖動的具體表現(xiàn)為,電機轉(zhuǎn)速快半圈慢半圈[1]。所以,在變頻器故障的條件下,電機每轉(zhuǎn)一圈,在一個方向上就會產(chǎn)生兩次激勵,從而引發(fā)較高幅值的“二倍頻”。又因為其轉(zhuǎn)速在一個旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)快半圈慢半圈的原因,振動頻率與普通的二倍頻有微小的差異,造成“疑似兩倍頻”現(xiàn)象。

根據(jù)上述推斷,加之此次振動為突發(fā)性振動,并非凝結(jié)水泵的長期缺陷,可以確認(rèn)振動的原因就是變頻器故障導(dǎo)致。

3 處理措施及效果

根據(jù)缺陷分析結(jié)論對變頻器實施檢修,檢修中發(fā)現(xiàn)11號凝結(jié)水泵變頻器C2模塊與B2、A2模塊電壓不平衡,A4、A6模塊光纖頭有不平整現(xiàn)象,于是更換變頻器C2模塊和所有模塊光纖頭。變頻器檢修后,開泵一次成功,現(xiàn)場測試振動恢復(fù)正常。

圖4為消除變頻器故障前后11號凝結(jié)水泵振動頻譜對比圖。圖中虛線部分為2019.02.21突發(fā)振動時的頻譜,實線部分為消除變頻器故障后的頻譜。從圖中可以看出,各振動成分均大幅下降,其中“疑似二倍頻”成分完全消失。水平振動的通頻值由8.872 mm/s降為0.839 mm/s,11號凝結(jié)水泵重新回歸至“A”(良好)區(qū)域內(nèi)。

圖4 消除變頻器故障后11號凝結(jié)水泵 振動頻譜對比

4 結(jié)論

a.振動頻譜分析是設(shè)備故障判斷的主要手段,頻譜分析的難點在于振動成分與設(shè)備故障并非一一對應(yīng)的關(guān)系。機械設(shè)備只有受到激勵,才能產(chǎn)生響應(yīng)。激勵是因,響應(yīng)是果。振動產(chǎn)生的根源是激勵,振動頻譜產(chǎn)生的類型與設(shè)備受到激勵的方式息息相關(guān)。

b.從振動機理分析設(shè)備故障,分為2個推理方向:首先是反向,根據(jù)頻譜判斷受力;其次是正向,根據(jù)受力判斷頻譜。當(dāng)這2個過程的前后特征符合時,就可以確認(rèn)設(shè)備的故障類型。在上述案例中,從“非標(biāo)準(zhǔn)二倍頻”推算出設(shè)備的旋轉(zhuǎn)周期異常,而變頻器故障可以引起電機出現(xiàn)“快半圈,慢半圈”的現(xiàn)象,兩者均推算出相同的特征,以此確認(rèn)了設(shè)備振動原因為變頻器故障。

c.迫于環(huán)保節(jié)能壓力,現(xiàn)代電廠的很多大型用電設(shè)備,廣泛使用變頻裝置。做為一個電子產(chǎn)品,不可避免的會出現(xiàn)許多缺陷和故障,為設(shè)備維護(hù)帶來新的課題。文中通過發(fā)現(xiàn)疑似二倍頻的振動成分,逐步排查故障原因,最終發(fā)現(xiàn)此振動成分為變頻器三相輸出電壓不平衡造成,從而引起11號凝結(jié)水泵振動超標(biāo)。為以后的發(fā)現(xiàn)類似振動成分的故障分析,提供了新的研究方向。