300 MW機(jī)組離心式一次風(fēng)機(jī)振動(dòng)分析及處理措施

吳佳偉

(中國石油集團(tuán)電能有限公司 熱電一公司，黑龍江 大慶163314)

0 引 言

某熱電廠4號(hào)機(jī)組長期存在一次風(fēng)機(jī)進(jìn)口風(fēng)道噪聲超標(biāo)、進(jìn)出口風(fēng)道振動(dòng)、風(fēng)機(jī)機(jī)殼破損等故障，電廠技術(shù)人員采用了一系列手段進(jìn)行治理，然而效果不佳，問題一直沒有解決。風(fēng)道因振動(dòng)產(chǎn)生裂紋，嚴(yán)重時(shí)造成一次風(fēng)壓下降，無法保證4臺(tái)中速磨煤機(jī)正常運(yùn)行。為查找4號(hào)機(jī)組一次風(fēng)機(jī)振動(dòng)及噪聲產(chǎn)生原因，2019年在4號(hào)機(jī)組停機(jī)檢修前，通過對(duì)振動(dòng)數(shù)據(jù)、熱態(tài)試驗(yàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，找到故障原因，制定解決措施。

1 設(shè)備概況

4號(hào)爐300 MW機(jī)組配備2臺(tái)SFG22F-C5A型單吸雙支撐離心式一次風(fēng)機(jī)。葉輪由葉片、前盤、后盤等組成，10片后向機(jī)翼型葉片焊接于弧形的前盤與平板行后盤間。一次風(fēng)機(jī)進(jìn)、出口為軟聯(lián)接，由法蘭及非金屬柔性膨脹節(jié)組成，風(fēng)機(jī)的設(shè)備性能與技術(shù)性能參數(shù)見表1、表2。

表1 一次風(fēng)機(jī)設(shè)備性能

表2 一次風(fēng)機(jī)技術(shù)性能

2 存在問題

針對(duì)4號(hào)機(jī)組一次風(fēng)機(jī)存在的進(jìn)口風(fēng)道噪聲超標(biāo)、進(jìn)出口風(fēng)道振動(dòng)以及風(fēng)機(jī)機(jī)殼破損等系列故障，該廠采用了一系列措施進(jìn)行治理。在處理風(fēng)道裂紋期間，4號(hào)爐B一次風(fēng)機(jī)在投入變頻運(yùn)行后，連續(xù)三次出現(xiàn)運(yùn)行中突然振動(dòng)加劇，風(fēng)機(jī)停止運(yùn)行。停運(yùn)后，檢修人員檢查沒有發(fā)現(xiàn)任何問題，風(fēng)機(jī)再次投入運(yùn)行一切參數(shù)正常，轉(zhuǎn)入工頻運(yùn)行后再?zèng)]有出現(xiàn)突停現(xiàn)象。2014年該廠對(duì)一次風(fēng)道外部及內(nèi)部進(jìn)行了加固工作(使用鋼材大約42 t)。經(jīng)過2015年運(yùn)行，風(fēng)道損壞問題得到緩解。風(fēng)道表面裂紋減少，一次風(fēng)機(jī)供風(fēng)量滿足中速磨煤機(jī)運(yùn)行需求。但在2015年檢修時(shí)發(fā)現(xiàn)，一次風(fēng)機(jī)內(nèi)部集流器及機(jī)殼風(fēng)箱損壞嚴(yán)重，沿集流器及機(jī)殼邊沿出現(xiàn)大面積裂紋，最嚴(yán)重狀況，出現(xiàn)了一次集流器損壞，停爐處理故障，且A、B一次風(fēng)機(jī)風(fēng)道入口側(cè)均出現(xiàn)長達(dá)1 000 mm的裂紋(入口沒有進(jìn)行二次加固)。以上現(xiàn)象表明，一次風(fēng)道內(nèi)振動(dòng)問題沒有真正解決，風(fēng)道振動(dòng)問題只是得到緩解，振動(dòng)由表面轉(zhuǎn)入到風(fēng)機(jī)內(nèi)部，振源依然存在。

3 振源查找與分析

為查找4號(hào)機(jī)組一次風(fēng)機(jī)振動(dòng)及噪聲產(chǎn)生原因，2019年4月該廠在4號(hào)機(jī)組停機(jī)檢修前，技術(shù)人員對(duì)一次風(fēng)機(jī)本體、進(jìn)出口風(fēng)道及暖風(fēng)器本體進(jìn)行了振動(dòng)測(cè)試。數(shù)據(jù)表明，隨著鍋爐蒸發(fā)量的增大，一次風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速及進(jìn)出口流速也隨之增大，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)本體和風(fēng)道的振動(dòng)隨著負(fù)荷的增大呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，在發(fā)電負(fù)荷高于282 MW時(shí)，一次風(fēng)機(jī)暖風(fēng)器發(fā)出強(qiáng)烈的噪聲，因此在大負(fù)荷下對(duì)一次風(fēng)機(jī)本體、進(jìn)出口風(fēng)道及暖風(fēng)器本體的振動(dòng)進(jìn)行了分析。

3.1 風(fēng)機(jī)本體振動(dòng)測(cè)試及原因分析

表3、表4中給出了大負(fù)荷(282 MW)試驗(yàn)期間，一次風(fēng)機(jī)本體的振動(dòng)值，從中可以看出4B一次風(fēng)機(jī)及電機(jī)振動(dòng)均保持在較小水平，而4A一次風(fēng)機(jī)則表現(xiàn)為軸向振動(dòng)偏大，尤其是驅(qū)動(dòng)端軸承軸向振動(dòng)超標(biāo)。

圖1至圖3中給出了4A一次風(fēng)機(jī)本體水平、垂直、軸向的振動(dòng)頻譜，可以看出，4A一次風(fēng)機(jī)的振動(dòng)峰值主要表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速1倍頻(圖3)，其軸向振動(dòng)在頻率f=23.33 Hz時(shí)，振速v=5.456 mm/s達(dá)到峰值。確定振源來自機(jī)械傳動(dòng)部分，主要排查4A一次風(fēng)機(jī)聯(lián)軸器對(duì)中程度及其兩端軸承的地腳螺栓緊固程度。

表3 4A一次風(fēng)機(jī)各點(diǎn)振速對(duì)比分析

表4 4B一次風(fēng)機(jī)各點(diǎn)振速對(duì)比分析

圖1 水平方向振動(dòng)頻譜

圖2 垂直方向振動(dòng)頻譜

圖3 軸向方向振動(dòng)頻譜

3.2 一次風(fēng)機(jī)進(jìn)、出口風(fēng)道振動(dòng)測(cè)試及原因分析

通過測(cè)試一次風(fēng)機(jī)進(jìn)出口風(fēng)道內(nèi)氣流的壓力波動(dòng)值(見表5)，可知一次風(fēng)機(jī)進(jìn)出口風(fēng)道內(nèi)壓力波動(dòng)頻譜非常雜亂，特征頻率從4.2 Hz到477 Hz不等，同時(shí)風(fēng)道內(nèi)壓力波動(dòng)偏大，進(jìn)口壓力波動(dòng)值最高達(dá)389 Pa，而出口壓力波動(dòng)值最高達(dá)914 Pa。從以上數(shù)據(jù)可以看出，目前一次風(fēng)機(jī)進(jìn)出口風(fēng)道內(nèi)氣流非常紊亂，需要對(duì)一次風(fēng)機(jī)進(jìn)出口風(fēng)道優(yōu)化，降低進(jìn)出口風(fēng)道壓力波動(dòng)值[1]。

表5 一次風(fēng)機(jī)進(jìn)出口風(fēng)道氣壓波動(dòng)數(shù)據(jù)

對(duì)于一次風(fēng)機(jī)進(jìn)出口風(fēng)道優(yōu)化原則，總體上進(jìn)口風(fēng)道的優(yōu)化目的主要以均流為主，即提高一次風(fēng)機(jī)入口氣流分布均勻度，因?yàn)橐淮物L(fēng)機(jī)入口氣流分布會(huì)對(duì)一次風(fēng)機(jī)本體設(shè)備氣動(dòng)性能產(chǎn)生非常大的影響。出口風(fēng)道優(yōu)化主要以降阻為主，因?yàn)槌隹跉饬骶鶆蚨炔粫?huì)對(duì)一次風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能產(chǎn)生較大影響，但是阻力大小會(huì)影響一次風(fēng)機(jī)出口氣流壓頭以及一次風(fēng)機(jī)能耗[2]。通過對(duì)一次風(fēng)機(jī)本體及風(fēng)箱測(cè)試發(fā)現(xiàn)，引起風(fēng)道振動(dòng)的主要頻率成份并非風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)頻25 Hz，而多是3倍轉(zhuǎn)頻75 Hz及其諧頻、10倍轉(zhuǎn)頻250 Hz等成份。該設(shè)備為離心風(fēng)機(jī)，極少會(huì)出現(xiàn)葉片通過頻率的現(xiàn)象，只有在軸流風(fēng)機(jī)因?yàn)槿~頂與風(fēng)筒間隙不均勻才會(huì)引起該頻率的出現(xiàn)[3]，而離心風(fēng)機(jī)風(fēng)箱內(nèi)空間很大，沒有葉頂間隙的要求。在風(fēng)機(jī)本體及風(fēng)道測(cè)試過程中發(fā)現(xiàn)，振動(dòng)最大處在風(fēng)道的轉(zhuǎn)彎附近，根據(jù)觀察在風(fēng)道轉(zhuǎn)彎之前就是出口風(fēng)門。彎頭本身就會(huì)引起氣流渦動(dòng)，在彎頭前后形成局部渦流區(qū)，如果在彎頭前再增加一個(gè)調(diào)節(jié)風(fēng)門，風(fēng)門產(chǎn)生的氣流渦動(dòng)與彎頭產(chǎn)生的氣流渦動(dòng)區(qū)相疊加，必然會(huì)引起氣流的嚴(yán)重渦動(dòng)，激發(fā)起葉片通過頻率，導(dǎo)致風(fēng)道劇烈振動(dòng)。

通過以上的分析，在排除安裝質(zhì)量因素的前提下，總結(jié)4號(hào)爐一次風(fēng)道振動(dòng)原因有以下幾點(diǎn)：

1)規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)，由于過多考慮場(chǎng)地空間因素，使出口風(fēng)道布置較為緊湊，風(fēng)道彎頭與出口風(fēng)門距離太近，風(fēng)道流體特性明顯受到出口風(fēng)門和彎頭的雙重影響，風(fēng)阻較大而激發(fā)起風(fēng)機(jī)葉片通過頻率(250 Hz)和彎頭或者出口風(fēng)門頻率(75 Hz)及其諧頻的振動(dòng)，使得風(fēng)機(jī)、風(fēng)道劇烈振動(dòng)導(dǎo)致撕裂。

2)結(jié)合一次風(fēng)機(jī)及風(fēng)道的位置布置狀況，風(fēng)機(jī)風(fēng)箱變徑節(jié)出口距離彎頭尺寸太小，并且彎頭只能位于此處，若想拉開出口風(fēng)門和彎頭的距離，只有將后風(fēng)門挪至彎頭后的水平風(fēng)道部位。

3)風(fēng)機(jī)風(fēng)道彎頭處的導(dǎo)流板與出口風(fēng)門的距離太近，最近處只有1 m，并且風(fēng)門擋板處于水平位置開關(guān)，而導(dǎo)流板是垂直安裝的，高速通過的氣流會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的擾動(dòng)。風(fēng)道拉筋全部采用對(duì)角斜支撐，會(huì)對(duì)氣流再次切割產(chǎn)生振動(dòng)。

3.3 暖風(fēng)器振動(dòng)測(cè)試

在實(shí)際運(yùn)行中，當(dāng)一次風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速超過1 400 r/min時(shí)，一次風(fēng)機(jī)入口暖風(fēng)器會(huì)發(fā)出巨大的噪聲，因此在大負(fù)荷(282 MW)試驗(yàn)過程中，通過將兩側(cè)風(fēng)機(jī)調(diào)偏運(yùn)行，分別將單側(cè)一次風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)高至1 400 r/min以上來進(jìn)行暖風(fēng)器振動(dòng)測(cè)試。測(cè)試過程中，一次風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、暖風(fēng)器腔體振動(dòng)、內(nèi)部壓力波動(dòng)數(shù)據(jù)見表 6。

表6 一次風(fēng)機(jī)調(diào)偏運(yùn)行期間兩側(cè)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速及頻率

從表 6中可知，在一次風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速較高時(shí)，暖風(fēng)器煙道腔體壁面振動(dòng)最大值達(dá)247.5 mm/s，暖風(fēng)器墻體內(nèi)壓力波動(dòng)值最高達(dá)5.811 kPa，同時(shí)煙道壁面振動(dòng)和內(nèi)部壓力波動(dòng)頻率基本一致，均為167.6 Hz。為了探尋該振動(dòng)原因，表 7中給出了暖風(fēng)器內(nèi)部腔體寬度及高度方向上各階聲學(xué)頻率，可以看出暖風(fēng)器內(nèi)部腔體在寬度方向上的二階聲學(xué)頻率為168.3 Hz，與振動(dòng)實(shí)測(cè)頻率非常接近，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)巨大的噪聲來判斷，可以確定是發(fā)生了管式暖風(fēng)器圓柱繞流漩渦脫落頻率與煙道腔體空氣柱固有頻率重合而導(dǎo)致的聲學(xué)共振現(xiàn)象[4]。

表7 暖風(fēng)器內(nèi)部腔體寬度及高度方向上各階聲學(xué)頻率計(jì)算值

4 處理措施

通過4號(hào)爐一次風(fēng)機(jī)、風(fēng)道振動(dòng)原因及相關(guān)現(xiàn)象的分析，在保證設(shè)備結(jié)構(gòu)強(qiáng)度狀況下，對(duì)風(fēng)機(jī)、風(fēng)道振動(dòng)可能產(chǎn)生影響的部位予以改進(jìn)，具體處理措施如下：

1)對(duì)一次風(fēng)機(jī)進(jìn)、出口彎頭處的氣流進(jìn)行導(dǎo)流、穩(wěn)流措施。導(dǎo)流板采用等距分布，將導(dǎo)流板半徑從內(nèi)角轉(zhuǎn)移到外角，進(jìn)而優(yōu)化進(jìn)、出口氣流，降低氣流振動(dòng)及切割噪聲波[5]。

2)對(duì)一次風(fēng)機(jī)高、低壓隔板進(jìn)行加固。在一次風(fēng)機(jī)機(jī)殼側(cè)面開孔，使用16 mm A3鋼板局部下料，焊接后形成一個(gè)整體隔板，內(nèi)部支撐不變。這樣既保證了風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)、提高風(fēng)機(jī)隔板強(qiáng)度，又防止一次風(fēng)機(jī)內(nèi)部諧振的發(fā)生。

3) 對(duì)于目前一次風(fēng)機(jī)入口暖風(fēng)器在高負(fù)荷下噪聲超標(biāo)的問題，經(jīng)過測(cè)量確定是發(fā)生了管式暖風(fēng)器圓柱繞流漩渦脫落頻率與煙道腔體空氣固有頻率重合而導(dǎo)致的聲學(xué)共振現(xiàn)象，需要在暖風(fēng)器內(nèi)進(jìn)行間隔加固，防止氣流脫離暖風(fēng)器管束時(shí)產(chǎn)生聲學(xué)共振。

5 實(shí)施效果

2019年10月，4號(hào)爐大修中，按照風(fēng)機(jī)風(fēng)道振動(dòng)處理措施，全部整改后投入運(yùn)行，通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)狀況觀察、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：

1 )用振動(dòng)分析儀多次采集現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)3倍轉(zhuǎn)頻、10倍轉(zhuǎn)頻及調(diào)節(jié)門后諧振數(shù)據(jù)峰值大幅減小、甚至消失，風(fēng)機(jī)、風(fēng)道內(nèi)渦流現(xiàn)象得到控制。

2) 對(duì)一次風(fēng)機(jī)在高、低負(fù)荷區(qū)的振值進(jìn)行監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)原高負(fù)荷區(qū)的振值(3～4 mm/s)降低，與低負(fù)荷區(qū)幾近相同(1～2 mm/s)，一次風(fēng)機(jī)的振動(dòng)問題得到有效控制。

3) 通過使用噪聲測(cè)試儀測(cè)試，一次風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的噪聲與改進(jìn)前變化不大。

6 結(jié) 語

風(fēng)機(jī)振動(dòng)是電廠煙風(fēng)系統(tǒng)中經(jīng)常出現(xiàn)的問題，也是最復(fù)雜的問題，此次處理一次風(fēng)機(jī)振動(dòng)經(jīng)歷了許多波折。在出現(xiàn)問題之初，一直圍繞著設(shè)備安裝質(zhì)量及基礎(chǔ)材料的使用上，沒有認(rèn)真思考風(fēng)機(jī)本體及風(fēng)道振動(dòng)產(chǎn)生的根源。最后經(jīng)過一系列的科學(xué)診斷找到了故障原因，并針對(duì)性地制定改造方案，改造后風(fēng)機(jī)、風(fēng)道振動(dòng)峰值大幅減小，一次風(fēng)機(jī)高負(fù)荷區(qū)振值由原來的3～4 mm/s降低到1～2 mm/s，一次風(fēng)機(jī)的振動(dòng)問題得到有效控制。此次改進(jìn)處理，徹底解決了風(fēng)機(jī)本體和風(fēng)道振動(dòng)的問題，但噪聲問題沒有得到徹底解決，這也是下一步繼續(xù)攻關(guān)的方向。