劉石楊建剛張楚高慶水鄧小文楊毅

（1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院；2.東南大學(xué)火電機(jī)組振動(dòng)國(guó)家工程研究中心）

變頻改造對(duì)電廠輔機(jī)安全性的影響分析?

劉石1楊建剛2張楚1高慶水1鄧小文1楊毅1

（1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院；2.東南大學(xué)火電機(jī)組振動(dòng)國(guó)家工程研究中心）

電廠輔機(jī)泵和風(fēng)機(jī)在進(jìn)行變頻改造后的進(jìn)行中，出現(xiàn)了一些設(shè)備故障，通過(guò)分析電廠變頻改造實(shí)例，發(fā)現(xiàn)變頻改造后的發(fā)電廠泵類設(shè)備容易出現(xiàn)一定區(qū)間內(nèi)彎曲振動(dòng)較大的現(xiàn)象，風(fēng)機(jī)類設(shè)備容易出現(xiàn)軸裂紋、聯(lián)軸器損壞和斷葉片現(xiàn)象，設(shè)備上的滾動(dòng)軸承還容易出現(xiàn)軸電流腐蝕現(xiàn)象。對(duì)上述現(xiàn)象的原因進(jìn)行了分析，研究了軸泵彎曲和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，并給出了相應(yīng)的預(yù)防和處理建議。

變頻調(diào)速；風(fēng)機(jī)；泵；扭轉(zhuǎn)振動(dòng)

0 引言

泵與風(fēng)機(jī)是發(fā)電廠的主要輔機(jī)設(shè)備。為了避免出現(xiàn)大馬拉小車(chē)以及由此引起的節(jié)流損失，很多電廠的輔機(jī)正在實(shí)施變頻改造，即通過(guò)變轉(zhuǎn)速運(yùn)行來(lái)滿足不同負(fù)荷工況的需求。這種方式因?yàn)槟芎牡?，?duì)負(fù)荷變化適應(yīng)能力強(qiáng)，也因此成為電廠輔機(jī)節(jié)能降耗改造的主要技術(shù)途徑。但是，變頻改造后的一些輔機(jī)在運(yùn)行一段時(shí)間后，出現(xiàn)了軸裂紋[1]、葉片損壞[2]、聯(lián)軸器損壞[3-6]、一定轉(zhuǎn)速區(qū)間運(yùn)行時(shí)振動(dòng)大以及軸承電流腐蝕等故障，對(duì)設(shè)備的安全運(yùn)行產(chǎn)生了較大影響。一些設(shè)備被迫縮小變頻運(yùn)行區(qū)間，無(wú)法實(shí)現(xiàn)變頻改造預(yù)期的節(jié)能效果。相比之下，這些故障在變頻改造前定速模式下運(yùn)行時(shí)并不突出。

本文結(jié)合電廠輔機(jī)變頻改造實(shí)例，針對(duì)泵和風(fēng)機(jī)，分析了變頻運(yùn)行對(duì)設(shè)備安全性的不同影響，指出變頻改造后的泵與風(fēng)機(jī)上發(fā)生的故障現(xiàn)象和性質(zhì)并不相同，彎曲振動(dòng)及其相關(guān)故障更容易發(fā)生在立式泵上，而扭轉(zhuǎn)振動(dòng)及其相關(guān)故障更容易發(fā)生在臥式布置的風(fēng)機(jī)上，電機(jī)兩端的滾動(dòng)軸承還容易出現(xiàn)軸電流腐蝕。

本文對(duì)上述現(xiàn)象進(jìn)行原因分析，并給出相應(yīng)的預(yù)防和處理建議。

1 凝泵變頻運(yùn)行

電廠凝泵主要采取如圖1所示的立式布置方式。電機(jī)位于最頂端，電機(jī)座通過(guò)螺栓與凝泵座相連，電機(jī)軸通過(guò)聯(lián)軸器與水泵相連，徑向力由電機(jī)上、下機(jī)架內(nèi)的滾動(dòng)軸承來(lái)承擔(dān)。

圖1 凝泵立式布置方式Fig.1Vertical arrangement of condensate pump

1.1 振動(dòng)現(xiàn)象

大量實(shí)例表明，凝泵變頻運(yùn)行在一定轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)時(shí)，容易出現(xiàn)電機(jī)上端振動(dòng)大的故障。電機(jī)下端固定在凝泵座上，振動(dòng)較小，沿軸線方向形成典型的錐形渦動(dòng)現(xiàn)象。

某廠2×640MW燃煤機(jī)組配套兩臺(tái)凝泵。原設(shè)計(jì)凝泵電機(jī)是工頻運(yùn)行，考慮到節(jié)能，每臺(tái)機(jī)組增加一套變頻裝置，即一套變頻裝置帶兩臺(tái)電機(jī)運(yùn)行。投產(chǎn)以來(lái)，4臺(tái)凝泵電機(jī)變頻運(yùn)行在800～1 200r/min時(shí)振動(dòng)普遍較大。在電機(jī)頂端東西和南北方向各布置1個(gè)振動(dòng)速度傳感器，測(cè)試軸承處的殼振。如圖2所示，變頻區(qū)間內(nèi)最大振動(dòng)達(dá)到0.7mm，成為設(shè)備安全隱患。為了減小振動(dòng)，被迫縮小變頻調(diào)節(jié)區(qū)間，無(wú)法實(shí)現(xiàn)預(yù)期節(jié)能目標(biāo)。這類振動(dòng)現(xiàn)象不僅存在于該廠，也普遍存在于國(guó)內(nèi)各大電廠類似設(shè)備，成為影響設(shè)備運(yùn)行可靠性的關(guān)鍵共性技術(shù)問(wèn)題。

圖2 變頻運(yùn)行過(guò)程中振動(dòng)變化情況Fig.2Change of vibration during varying variable frequency operation

1.2 振動(dòng)原因分析

凝泵轉(zhuǎn)軸為如圖1所示的細(xì)長(zhǎng)型。從圖2試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可以看出，凝泵系統(tǒng)在600～1 200r/min內(nèi)存在多個(gè)共振頻率點(diǎn)，這些頻率點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的臨界轉(zhuǎn)速低于泵最高工作轉(zhuǎn)速1 500r/min。按轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)理論，應(yīng)該被視作柔性轉(zhuǎn)子。25Hz定速運(yùn)行時(shí)可以避開(kāi)這些模態(tài)，變頻在一定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)實(shí)際上處于共振區(qū)，這些模態(tài)就可能會(huì)被激發(fā)出來(lái)，從而導(dǎo)致進(jìn)、出水管及泵體產(chǎn)生較大振動(dòng)。因此，凝泵電機(jī)變頻運(yùn)行大幅振動(dòng)實(shí)際上是由于轉(zhuǎn)子-軸承-支撐系統(tǒng)共振所引起的。立式泵電機(jī)位于凝泵最上部，相對(duì)于泵體而言電機(jī)質(zhì)量較大（約10t），并且支撐底座上開(kāi)有大孔，支撐剛度較弱。電機(jī)“頭重腳輕”結(jié)構(gòu)對(duì)外加激振力較為敏感。

1.3 故障治理方案

常見(jiàn)的處理方案包括：筒體加固（軸向和周向加筋、在電機(jī)頂端或筒體等部位加約束支撐）；調(diào)整軸系對(duì)中（降低立式軸系垂直傾斜度，減少泵-電機(jī)軸系錐形渦動(dòng)）；改變管道布置方向；加固基礎(chǔ)（增加凝結(jié)水泵基礎(chǔ)厚度、提高基礎(chǔ)剛性）等。這類措施是電廠最容易和首先想到的，但減振效果有限。對(duì)于由質(zhì)量、彈簧和阻尼所組成的單自由度振動(dòng)系統(tǒng)而言，系統(tǒng)響應(yīng)可以表示為：

式中，A為響應(yīng)幅值；mr為不平衡質(zhì)量和半徑的乘積；k為支撐剛度；ω,ωn為工作頻率和固有頻率；ξ為阻尼系數(shù)；α為靈敏度系數(shù)。

從式（1）可以看出，不平衡力mr確定后，振動(dòng)響應(yīng)A是靈敏度系數(shù)α的線性函數(shù)，α是轉(zhuǎn)動(dòng)頻率的函數(shù)。變頻運(yùn)行到ω≈ωn時(shí)，α很大，振動(dòng)響應(yīng)對(duì)不平衡力敏感，導(dǎo)致振動(dòng)很大。

傳統(tǒng)電機(jī)采取工頻運(yùn)行模式，只要考慮工作轉(zhuǎn)速附近系統(tǒng)沒(méi)有共振頻率點(diǎn)即可。電機(jī)變頻運(yùn)行改造后，則需要考慮整個(gè)變頻運(yùn)行區(qū)間內(nèi)是否存在共振點(diǎn)，對(duì)軸系動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)提出了更高要求。設(shè)計(jì)時(shí)將系統(tǒng)共振頻率點(diǎn)提高到工頻以外是解決這類問(wèn)題最本質(zhì)的處理方法。但是，現(xiàn)場(chǎng)大多不具備這類徹底治理的條件。在這種情況下，為了滿足現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行需求，可以考慮減小作用在轉(zhuǎn)軸上的激振力。

系統(tǒng)確定后，減小振動(dòng)對(duì)激振力的靈敏度很困難，但減小激振力比較容易。激振力主要來(lái)自轉(zhuǎn)子上的不平衡力，因此提高這類設(shè)備動(dòng)平衡精度是很有效的處理方法。實(shí)踐表明，工頻運(yùn)行時(shí)的動(dòng)平衡精度往往不能滿足變頻運(yùn)行對(duì)動(dòng)平衡精度的要求。盡管如此，凝泵變頻運(yùn)行時(shí)還是應(yīng)該盡量避開(kāi)共振區(qū)。

圖3給出了上述凝泵動(dòng)平衡前后變頻區(qū)間內(nèi)振動(dòng)比較，圖中實(shí)線和虛線分別對(duì)應(yīng)于平衡前和平衡后。動(dòng)平衡后，變頻區(qū)間內(nèi)的振動(dòng)大幅度減小。

圖3 動(dòng)平衡前后變頻區(qū)間內(nèi)振動(dòng)比較Fig.3Comparison of vibration in the variable frequency zone before and after the balance

2 風(fēng)機(jī)變頻運(yùn)行

2.1 彎曲振動(dòng)

與立式凝泵不同的是，風(fēng)機(jī)軸系的彎曲固有頻率一般較高。圖4給出了某臺(tái)風(fēng)機(jī)實(shí)測(cè)彎曲振動(dòng)隨轉(zhuǎn)速變化曲線。從圖中可以看出，隨著轉(zhuǎn)速的升高，振動(dòng)增長(zhǎng)很快，500～1 500r/min范圍內(nèi)沒(méi)有共振峰值。因此，這類風(fēng)機(jī)具有典型的剛性轉(zhuǎn)子特點(diǎn)。變頻在低負(fù)荷下運(yùn)行時(shí)，振動(dòng)隨著轉(zhuǎn)速的降低而減小，對(duì)減小彎曲振動(dòng)來(lái)說(shuō)是有益的。

圖4 某臺(tái)風(fēng)機(jī)彎曲振動(dòng)隨轉(zhuǎn)速變化情況Fig.4Changeofbendingvibrationwithrotatingspeedoffan

2.2 扭轉(zhuǎn)振動(dòng)

如圖5所示的風(fēng)機(jī)軸系可以簡(jiǎn)化為雙質(zhì)量塊模型，兩個(gè)質(zhì)量塊用短軸相連。這樣的動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，呈現(xiàn)“兩頭大、中間細(xì)”特征，扭振固有頻率一般較低。變頻運(yùn)行時(shí)，如果出現(xiàn)與扭轉(zhuǎn)固有頻率相重合的激勵(lì)頻率，就容易形成扭轉(zhuǎn)共振，導(dǎo)致軸系疲勞損壞。

2.3 扭轉(zhuǎn)振動(dòng)實(shí)例分析

以圖5所示風(fēng)機(jī)為例進(jìn)行分析。驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)的電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為596r/min，電機(jī)和風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量分別為1 519kgm2和12 300kgm2，連接軸扭轉(zhuǎn)剛度為1.6×107Nm/rad，計(jì)算所得機(jī)械系統(tǒng)一階扭轉(zhuǎn)振動(dòng)固有頻率為17.4Hz。

應(yīng)用應(yīng)變法測(cè)試了該風(fēng)機(jī)升降速過(guò)程中傳動(dòng)軸扭矩脈動(dòng)情況。圖6給出了三次實(shí)驗(yàn)結(jié)果。第1次實(shí)驗(yàn)為空載升降速，最高轉(zhuǎn)速367r/min，第2次實(shí)驗(yàn)為加載升降速，最高轉(zhuǎn)速545r/min，第3次實(shí)驗(yàn)最高轉(zhuǎn)速到600r/min。

圖5 風(fēng)機(jī)雙質(zhì)量塊模型Fig.5The two-mass model of fan

圖6 升降速過(guò)程中傳動(dòng)軸扭矩脈動(dòng)情況Fig.6Shaft torque pulsation during run up and run down process

從圖中可以看出：1）隨著轉(zhuǎn)速的升高，扭矩脈動(dòng)幅度越來(lái)越大；2）轉(zhuǎn)速升高到425r/min時(shí)，扭矩脈動(dòng)幅度突然增加。轉(zhuǎn)速越高，脈動(dòng)幅度越大；3）3次開(kāi)機(jī)實(shí)驗(yàn)，扭矩隨轉(zhuǎn)速脈動(dòng)情況具有很好的重復(fù)性。圖7給出了扭矩大幅脈動(dòng)時(shí)的波形和頻譜。扭矩出現(xiàn)大幅脈動(dòng)時(shí)，扭矩頻譜中出現(xiàn)了非常明顯的17.6Hz頻率分量，這正是轉(zhuǎn)軸扭轉(zhuǎn)固有頻率，說(shuō)明軸系發(fā)生了非常明顯的扭轉(zhuǎn)共振現(xiàn)象。

采用變頻調(diào)節(jié)的電機(jī)，氣隙扭矩中諧波豐富，包含整數(shù)階和非整數(shù)階分量[4]，輸出扭矩脈動(dòng)頻率有可能高于工作頻率，激發(fā)高頻扭轉(zhuǎn)共振。

2.4 電機(jī)變頻運(yùn)行扭振風(fēng)險(xiǎn)分析

變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的工作原理是先把50Hz的交變工頻整流到直流電源，再?gòu)闹绷麟娫崔D(zhuǎn)換成變頻的交流電源。這種交-直-交（AC-DC-AC）方式將會(huì)導(dǎo)致脈寬調(diào)制脈沖信號(hào)的頻率成分比較復(fù)雜，在轉(zhuǎn)子與定子間的相互作用下，導(dǎo)致氣隙扭矩中包含若干整數(shù)階和非整數(shù)階諧波，增加扭轉(zhuǎn)激勵(lì)風(fēng)險(xiǎn)。

圖7扭矩大幅脈動(dòng)時(shí)的波形和頻譜Fig.7Torque waveform and spectrum with large pulsation

圖8 給出了采用變頻調(diào)節(jié)的電機(jī)典型諧波頻率分布圖。其中，斜線1～4為機(jī)組轉(zhuǎn)速的前4階諧波激勵(lì)（1×～4×），斜線5和6為變頻電機(jī)產(chǎn)生的前兩階整數(shù)階諧波激勵(lì)（6×和12×），斜線7～10反映了前2階間諧波激勵(lì)，分別為1倍和6倍的電機(jī)工頻與電機(jī)輸出頻率之差。變頻運(yùn)行時(shí)當(dāng)其中任意一個(gè)諧波頻率與軸系扭振固有頻率重合時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)共振。

圖8 變頻運(yùn)行電機(jī)諧波頻率分布圖Fig.8The harmonic frequency distribution of motor with varying speed driven

軸系出現(xiàn)彎曲振動(dòng)共振時(shí)，設(shè)備轉(zhuǎn)動(dòng)頻率大多與共振頻率相等，而當(dāng)變頻運(yùn)行的設(shè)備軸系出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)共振時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)頻率與扭轉(zhuǎn)共振頻率大多不相等。

出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)共振后，傳動(dòng)軸和聯(lián)軸器因?yàn)樾枰惺茌^大的脈動(dòng)扭矩而容易出現(xiàn)裂紋和疲勞損壞。葉輪的葉根部位因?yàn)樾枰挚古まD(zhuǎn)變形，也容易出現(xiàn)開(kāi)裂并導(dǎo)致葉片損壞等現(xiàn)象。

3 軸電流腐蝕

3.1 軸電流現(xiàn)象

典型的三相正弦電源是平衡的。變頻電動(dòng)機(jī)是由逆變器提供電源，逆變器大多采用脈寬調(diào)制技術(shù)（PWM）。電機(jī)變頻運(yùn)行時(shí)，三相電壓矢量和不為零，容易形成軸電壓。滾柱（滾珠）在軸承圈跑道上滾動(dòng)和輾壓跑道時(shí)，滾珠（滾柱）與滾道之間的接觸面僅為一條線，在輾壓接觸地方接觸電阻很小。當(dāng)滾動(dòng)體將要離開(kāi)原位置時(shí)，產(chǎn)生小間隙。軸電流放電在轉(zhuǎn)軸和軸承內(nèi)圈的表面，產(chǎn)生很多蝕點(diǎn)，將跑道表面燒成如圖9所示“搓衣板”式的凹槽條紋或麻點(diǎn)、傷痕，甚至還有裂紋出現(xiàn)。此時(shí)，電機(jī)軸承溫度上升很快，并伴有潤(rùn)滑油脂的流出。線條的個(gè)數(shù)與軸電流頻率、電機(jī)轉(zhuǎn)速和軸承內(nèi)狀況有關(guān)。

圖9 軸電流腐蝕Fig.9Corrosion caused by shaft current

實(shí)踐表明，軸電流對(duì)滾動(dòng)軸承損傷的影響很大。軸電流＞2A時(shí)，軸承只能運(yùn)行幾小時(shí)；軸電流在1～1.4A時(shí)，軸承也只能運(yùn)行200～700h。按照IEEE112標(biāo)準(zhǔn)，軸電壓峰值大于300mV時(shí)，就需對(duì)電機(jī)軸承采取絕緣保護(hù)等措施。

3.2 軸電流預(yù)防

軸電壓以及閉合回路是軸電流產(chǎn)生的兩個(gè)必要條件。電機(jī)變頻運(yùn)行時(shí)軸電壓肯定存在，因此就需要采取絕緣措施，隔斷閉合回路。變頻改造后的電機(jī)應(yīng)優(yōu)先選用帶有絕緣的滾動(dòng)軸承，可以考慮在電機(jī)軸承座與軸承支架處增加絕緣隔板和墊圈、在緊固內(nèi)外蓋的螺栓上加絕緣套管和絕緣墊等，也可在軸承內(nèi)圈內(nèi)、外圈表面和端面用等離子噴涂法均勻噴涂50～100μm高性能絕緣層，或在電機(jī)軸承外蓋上安裝接地電刷，將電荷導(dǎo)入大地。

4 結(jié)論

發(fā)電廠變頻改造后的風(fēng)機(jī)和泵具有節(jié)能效果明顯、調(diào)節(jié)靈活等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也會(huì)帶來(lái)一定轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)彎曲和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)共振故障，對(duì)設(shè)備安全運(yùn)行產(chǎn)生危害。變頻改造后，軸電壓現(xiàn)象加強(qiáng)，滾動(dòng)軸承容易出現(xiàn)電腐蝕。

在變頻改造前，應(yīng)對(duì)軸系彎曲和扭轉(zhuǎn)動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行研究，分析和評(píng)估軸系抗扭強(qiáng)度、葉片和聯(lián)軸器強(qiáng)度，對(duì)電機(jī)軸承采取絕緣措施。軸系動(dòng)平衡試驗(yàn)不僅僅是在定速工頻下進(jìn)行，還必須在低速變頻工況下進(jìn)行。變頻運(yùn)行在共振區(qū)時(shí)，振動(dòng)對(duì)激振力比較敏感。相應(yīng)地，動(dòng)平衡精度也要提高一個(gè)等級(jí)。

[1]唐忠順.一次風(fēng)機(jī)主軸斷裂原因分析及處理[J].風(fēng)機(jī)技術(shù),2011(4)：73-75.

[2]KEITH A,BRIAN D and T.FEESE.Failure analysis of an MVR(mechanical vapor recompressor)Impeller[J].Engineering Failure Analysis,2010,17(6)：1345-1358.

[3]KOCUR,J.A.,JR.,，CORCORAN,J.P.VFD induced coupling failure[C].Proceedings of the 37th Turbomachinery Symposium,Turbomachinery Laboratory,Texas A&M University.2008.

[4]WANG,Q.,FEESE,T.D.,，PETTINATO,B.C.Torsional Natural Frequencies：Measurement vs.Prediction.Proceedings of the 41st Turbomachinery Symposium,Turbomachinery Laboratory,Texas A&M University.2012.

[5]HUTTEN,V.,BEER,C.,KRAUSE,T.,and DEMMIG,S.VSDS MotorInverterDesignforCompressorTrainsAvoiding Interharmonics in Operating Speed Range.Proceedings of the 41st Turbomachinery Symposium,Turbomachinery Laboratory,Texas A&M University.2012.

[6]肖忠會(huì)，王學(xué)軍，胡永，等.離心壓縮機(jī)組軸系扭振分析技術(shù)與應(yīng)用[J].風(fēng)機(jī)技術(shù),2013(3)：30-37.

Influence of Frequency Conversion Renovation on the Security of Auxiliary Equipments in Power Plant

Shi Liu1Jian-Gang Yang2Chu Zhang1Qing-Shui Gao1Xiao-Wen Deng1Yi Yang1
（1.Electric Power Research Institute of Guangdong Power Grid Co.,Ltd;2.National Engineering Research Center of Turbo Generator Vibration,Southeast University）

Pump and fan as auxiliary equipment in a power plant showed a fault during the operation after a frequency conversion renovation.According to the analysis of such cases in power plants,faults such as large bending vibration in pumps,shaft cracks,coupling damage and blade breakage frequently occur for fans.Galvanic corrosion is often observed for rolling bearings in variable frequency motors.Reasons for these faults are identified by the analysis of shaft bending and torsional vibration.Suggestions for the treatment and prevention of such faults are given in this paper.

frequency conversion renovation,fan,pump,torsional vibration

TH43；TK05

1006-8155-(2017)03-0065-05

A

10.16492/j.fjjs.2017.03.0012

中國(guó)南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司科技項(xiàng)目（大型變頻輔機(jī)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)故障機(jī)理分析與抑制技術(shù)研究（K-GD2014-203））

2016-11-12廣東廣州510080