鍋爐引風機模塊振動高的原因與技術改造

鄧文武(中海殼牌石油化工有限公司，廣東 惠州 516028)

0 引言

某公司6臺鍋爐引風機在試運行階段均出現在永磁調速器加載到50%時電機出現強烈振動。振動值超過驗收規范，且由于高振動鍋爐無法達到滿負荷運行，引風機機組的可靠性于穩定性也無法把控。初始懷疑是由于永磁調速器的永磁體與導磁體的不對中，經建設方與業主在實踐中發現當永磁調速器的永磁筒與導磁筒處于某種不對中狀況時(無固定規律)，通過調整對中情況，前述故障能夠在2#爐A/B引風機系統得到緩解，并引風機系統能加載到100%負載，但是在加載過程中需要控制不能出現過快的加載速度，否則還會出現高振動現象[1]。而1#爐A/B與3#爐A/B引風機振動故障始終未能緩解，表明高振動的根本原因尚未解決。而且同一臺引風機系統在不同的操作窗口，其針對數字也無規律，為了找出故障原因，使鍋爐負荷可以達到設計負荷，進行了一系列分析與測試，問題也最終得以解決。

1 系統狀態

在鍋爐調試期間，三臺鍋爐的6臺引風機(0754-C-402A～F)在提速試驗中均發生電機高振動，其中A/B臺通過調整永磁調速器對中解決了振動問題(由對中狀態調整為不對中狀態，對中數據無規律)，但是C/D/E/F四臺無法通過調整對中減輕振動。在風機負荷快速提升，并達到某一負荷以上，通常是電機電流在14A以上，就會突然發生高振動，并且振動持續，只有大幅度降低負荷才能減緩振動。但是緩慢增加負荷過程中沒有發現振動發生。振動特征頻率范圍為49.3～52.1 Hz，電機非驅動端振動最大，調速器軸承也有振動但振幅顯著小于電機，風機與基礎沒有振動或振動微小。電機單試正常(未安裝永磁調速器)。調試過程中發現永磁調速器的永磁轉子與導體轉子處于某種不對中狀況時(無固定規律)，能減輕振動。由于振動影響，(0754-C-402B/F)這兩臺風機負荷只能限制在50%以下。機組傳動結構如圖1所示。

圖1 機組傳動結構

2 故障分析與測試

2.1 故障分析

基于現場現象以及測試數據，利用故障樹分析，發現鍋爐引風機系統高振動原因可能在以下八個方面：

(1)電機轉子固有頻率發生改變。因為現場測試時電機單轉振動值正常，在與磁力耦合器導體轉子裝配后，電機振動值明顯升高，故懷疑導體轉子的裝配使其重量加載于電機的驅動端改變了電機的固有頻率；(2)引風機模塊基礎剛度不足或者軟腳。鍋爐引風機系統基礎采用架空式鋼結構，電機四個地腳螺栓處通過紅丹粉進行接觸面測試，存在接觸面積不足；且電機與耦合器系統重量在10 T左右，運行時底座出現振動；(3)永磁調速器質量與功率損耗。磁耦質量問題會導致磁通量不均勻，繼而在高負載情況下放大了磁通量的不對稱性，增大運行振動，增加運行功耗；(4)電機、磁力耦合器軸承失效。狀態監測正常；(5)電機轉子不平衡。電機單試正常；(6)電機線電壓不穩。電機單試正常；(7)永磁調速器操作調節速度過快；(8)相鄰機組引起的共振。

2.2 測試驗證

(1)永磁調速器快速升速(本次測試的升速幅度均在20%以上)過程中、電機啟動瞬間出現的高振動現象(較高振動發生在電機兩側水平H方向，峰值振動達20 mm/s RMS以上，其他如電機V，電機A/PMG A，電機基礎H/PMG H)，是由扭振激勵，并誘發電動機H方向結構共振造成的。機組異常振動的發生，與永磁調速器(PMG)快速升調速有關，一般調速率在20%以上(比如：0～35%、35～60%、60%～80%等)調速過程中會出現較大振動(較高振動發生在電機兩側水平H方向，峰值振動達20 mm/s RMS以上，其他如：電機V、電機A/PMG A、電機基礎H/PMG H)，且調速閥一到位振動即開始回落[2]。穩定運行情況下，振動均在4 mm/s RMS以下。另外電機啟動瞬間也出現相似頻率成分的振動突變。根據 PMG 調速時輸出轉矩波動特性，以及主要頻率接近扭振測試頻率約25Hz的2倍的關系(足夠的頻率分辨率可以排除電源頻率50Hz的影響)，軸向方向呈現扭振頻率及其2倍頻，且PMG調速閥降至0%位過程中(輸出轉矩變小)，幅值降低小于1 mm/s RMS，綜合分析認為異常高振動的激振力來源于扭振。永磁轉子轉速趨勢如圖2所示。

(2)通過結構敲擊測試，發現電動機殼體支承部位(靠近兩端剛性支承處)水平方向存在47到55Hz左右的共振帶，分析認為電機水平方向發生的高振動，與較大的扭轉激振力引起電機H方向結構共振有關。另外，高振動時，電機驅動端(DE)左側地腳V方向與電機非驅動端(NDE)右側地腳V方向是對角反相，表現出一種橫扭的振型特征，由于各地腳V方向振動幅值呈現對角不對稱，不排除這種振型與一定程度的軟腳有關。但當PMG調速閥降至0%位時，雖然電機轉子依然在全速運行，電機所有地腳振動幅值卻很小且均勻，這一點可以基本排除軟腳問題。因此推測橫扭耦合振動使得電機地腳呈現橫扭振型[3]。結構敲擊測試數據如圖3所示。

圖3 結構敲擊測試數據

(3)機組固定運行在調速器一定開度下(本次測試到了35%和100%左右)一段時間后，較高振動的測點幅值正常，但出現長周期波動現象(平均10s左右周期)，分析認為可能存在與相鄰機組的拍振現象，或扭振波動。

基于所測數據的詳細評估，結論如下：①永磁調速器重量190 kg，裝在電機軸端，從而會影響電機的幾何中心和質心，造成固有頻率改變；②磁耦質量問題會導致磁通量不均勻；③永磁調速器快速升速(本次測試的升速幅度均在20%以上)過程中、電機啟動瞬間出現的高振動現象(較高振動發生在電機兩側水平H方向，峰值振動達20 mm/s RMS以上，其他如電機V，電機A/PMG A，電機基礎H/PMG H)，是由扭振激勵，并誘發電動機H方向結構共振造成的；④機組固定運行在調速器一定開度下(本次測試到了35%和100%左右)一段時間后，較高振動的測點幅值正常，但出現長周期波動現象(平均10 s左右周期)，分析認為可能存在與相鄰機組的拍振現象，或扭振波動。

3 改造方案

永磁調速器改造前后對比圖如圖4所示。

圖4 永磁調速器改造前后對比圖

(1)根據測振頻譜分析，永磁調速器的安裝位置向電機側移動了4 cm，即永磁調速器和電機的軸向距離減小了4 cm。特有頻率較之前有所增大，從50 Hz左右變為61 Hz左右，推測可能與新電機轉子與導體轉子配合后整體剛度的提升有一定關系；

(2)永磁調速器結構改造，考慮改變電機連接導體盤轉子的扭振頻率，改變轉子參數時要確保扭振頻率及其倍頻與有關結構體固有頻率20%左右的間隔；

(3)考慮改變電動機結構固有頻率，將400 kV電機更換500 kW電機。新換5輻板導體轉子在與新電機轉子裝配條件下，電機驅動端伸出端/導體轉子V/H/A三方向的固有頻率均表現為50.5 Hz，較此前舊3輻板導體轉子與舊電機的配合下的固有頻率(接近38 Hz)更高，說明新換電機轉子與導體轉子配合的整體剛度升高，由于此時PMG的特有頻率為61 Hz，避開了相關固有頻率，從而避免了高振動[4]；

(4)安裝時注意對放大振動因素的調整，對基座進行焊接鋼板加固處理；

(5)由于永磁調速閥在小幅開度升速時振幅雖有增加但相對較小，平穩運行時振動幅值基本正常，運行時避免大幅設置升速調速閥開度。

4 改造效果

通過上訴改造措施(如圖5所示)，6臺風機振動都達到設計驗收標準，且在運行操作過程中不在出現高振動現象，現場故障得以完美解決[5]。

圖5 改造前后振動數值對比