華電寧夏靈武發(fā)電公司 北京必可測科技股份有限公司 張文慎 周雷 王明生 沈亭 朱建華 何立榮 黃俊飛 曹鑫

引言

發(fā)電廠空冷技術(shù)作為一種最有效節(jié)水型火力發(fā)電技術(shù)，在水資源相對匱乏的國家和地區(qū)，大規(guī)模開發(fā)能源、發(fā)展電力工業(yè)中得到廣泛采用是大勢所趨。根據(jù)理論計算和實測結(jié)果，與同容量濕冷機(jī)組相比，空冷機(jī)組冷卻系統(tǒng)本身可節(jié)水97%以上。

華電寧夏靈武發(fā)電有限公司（以下簡稱靈武公司）位于寧夏銀川市靈武境內(nèi)，二期2×100萬千瓦機(jī)組分別在2010年12月28日和2011年04月25日投產(chǎn)發(fā)電，是世界首臺超超臨界燃煤空冷發(fā)電機(jī)組。

1 100萬千瓦空冷機(jī)組主要特點

靈武電廠2×100萬千瓦汽輪發(fā)電機(jī)組為直接空冷機(jī)組，每座空冷島采用10×8風(fēng)機(jī)冷卻單元，共計160臺風(fēng)機(jī)。每套空冷風(fēng)機(jī)組由減速機(jī)將不同軸的立式電機(jī)和大直徑風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)軸串聯(lián)而成。風(fēng)機(jī)組的減速機(jī)底板與風(fēng)機(jī)橋臺板采用螺栓連接。風(fēng)機(jī)直徑為9.754米，風(fēng)機(jī)葉片數(shù)為5個，風(fēng)機(jī)100%工況的流速：506立方米/秒，電機(jī)額定工況的轉(zhuǎn)速為990轉(zhuǎn)/分?？绽滹L(fēng)機(jī)橋采用鋼桁架結(jié)構(gòu)，風(fēng)機(jī)橋除端部支座處以外與空冷平臺桁架無其他連接。

自機(jī)組投產(chǎn)以來，空冷島一直存在風(fēng)機(jī)、電機(jī)、橋架振動大問題，振動速度達(dá)到30毫米/秒。由此造成了諸多問題，如：空冷島風(fēng)機(jī)和鋼架振動大、風(fēng)機(jī)齒輪箱故障率高、風(fēng)機(jī)變頻器故障率高、電機(jī)軸承及軸承座損壞、籠條斷裂、減速機(jī)各齒輪磨損及斷裂、油泵磨損及裂紋、聯(lián)軸器磨損等損壞故障。影響空冷島框架金屬疲勞，嚴(yán)重威脅空冷島安全運行及發(fā)電機(jī)組的正常生產(chǎn)。為此，專家針對這一問題開展檢測和整改，采用先進(jìn)的技術(shù)手段，對空冷島諸多問題進(jìn)行檢測、分析，形成完善的可行方案。

圖1 直接空冷系統(tǒng)原理圖

2 空冷島目前情況

2.1 目前的狀態(tài)

從2011年#3、4機(jī)組投運，二期空冷島已有80多臺空冷風(fēng)機(jī)齒輪箱齒軸損壞和多臺電機(jī)軸承、聯(lián)軸器損壞，已造成的直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)六百多萬元。而且今年新出現(xiàn)了空冷風(fēng)機(jī)風(fēng)筒固定螺栓松脫，通道格柵松動掉落等異常情況，嚴(yán)重影響空冷島的安全運行。

2.2 前期采取的措施

2.2.1 改變運行工況

通過改變風(fēng)機(jī)運行參數(shù)，調(diào)整風(fēng)機(jī)運行轉(zhuǎn)速及風(fēng)機(jī)葉片角度等方法，發(fā)現(xiàn)振動隨轉(zhuǎn)動頻率變化較明顯，頻率在45赫茲時振動最大。

2.2.2 對風(fēng)機(jī)橋架進(jìn)行加固

用鋼管對風(fēng)機(jī)橋架進(jìn)行加固，但振動幅度并未明顯改善。

2.2.3 更換風(fēng)機(jī)葉片數(shù)及形式

2013年7月26 日，某公司將新設(shè)計、生產(chǎn)的六葉片風(fēng)機(jī)，在#4機(jī)6排5進(jìn)行葉片更換。對6排3、6排6、6排5風(fēng)機(jī)振動進(jìn)行測試對比，6排5風(fēng)機(jī)、鋼架振動相對較小，振動的方向發(fā)生變化，但振動值仍然偏大，達(dá)到15毫米/秒。

3 空冷島設(shè)備概況

3.1 空冷凝汽器技術(shù)參數(shù)

3.2 風(fēng)機(jī)技術(shù)參數(shù)

表1 空冷島風(fēng)機(jī)基本數(shù)據(jù)

3.3 減速機(jī)技術(shù)參數(shù)

表2 空冷島減速機(jī)基本數(shù)據(jù)

4 空冷島振動問題的綜合分析

4.1 基礎(chǔ)橋架測試分析

如圖2，根據(jù)風(fēng)機(jī)框架結(jié)構(gòu)，對9排4列風(fēng)機(jī)桁架選定了18個點進(jìn)行三向振動測試，1～9號測點分布在過道南側(cè)，10～18在北側(cè)。圖6是橋架各方向振動監(jiān)測值。

通過圖3可以看出，桁架H、V向振動較大，且中間部分大于兩端，證明振動來源于風(fēng)機(jī)。H向振動主要是來源于風(fēng)機(jī)運行過程中的橫風(fēng)作用及風(fēng)機(jī)不平衡力。

圖2 橋架振動監(jiān)測點

圖3 橋架各方向振動監(jiān)測值

在風(fēng)機(jī)運行不同工況、不同頻率下，桁架振動測試結(jié)果如圖4。圖中光標(biāo)指示的頻率是指電機(jī)的工作頻率。圖中可以看出，風(fēng)機(jī)在不同運行頻率下時桁架的振動變化明顯。通過測試及試驗證明，在電源頻率55赫茲時，振動主要在V方向；在運行到45赫茲時，V方向振動減小，而H方向增大很大。原因是頻率越高風(fēng)機(jī)所帶負(fù)荷就高，承受的垂直力明顯高于水平力；而在45赫茲時風(fēng)機(jī)自身振動處于最大值，振動主要成分是風(fēng)機(jī)的徑向和切向，軸向力較小，支架受風(fēng)機(jī)振動影響加之H方向支撐不足，導(dǎo)致振動激增。

對風(fēng)機(jī)桁架特定點進(jìn)行振動頻譜分析，通過峰值保持測試的在不同工況下桁架振動情況如圖5、圖6、圖7所示。

在55赫茲頻率下運行，A方向主要振動成分是轉(zhuǎn)頻振動（18.2赫茲），框架振動14.5赫茲，并有豐富諧波，鋼架支撐剛度不足，電機(jī)低轉(zhuǎn)速（45赫茲）變頻運行時會激起共振頻率，導(dǎo)致設(shè)備振動超標(biāo)。

圖5 9排4列A方向振動頻譜圖

根據(jù)圖譜顯示，H方向主要振動成分在10赫茲、14.4赫茲、18赫茲上，根據(jù)分析10赫茲、14赫茲共振頻率振動，18赫茲是工頻振動(電機(jī)轉(zhuǎn)頻)。

圖6 9排4列H方向峰值測試頻譜

圖7 9排4列V方向電機(jī)測試頻譜

根據(jù)圖譜顯示，V方向主要振動成分在6.1赫茲、10.5赫茲、14.7赫茲、18.2赫茲上，根據(jù)分析6.1赫茲為是葉片通過頻率振動，10赫茲、14赫茲主要是框架共振頻率，18赫茲是工頻振動（電機(jī)轉(zhuǎn)頻），風(fēng)機(jī)葉片也需要調(diào)整，查找葉片通過頻率大的原因。

綜合以上分析，V向?qū)θ~片通過頻率反應(yīng)比較明顯，10赫茲和14赫茲附近的共振頻率為電機(jī)徑向和切向振動產(chǎn)生的，根據(jù)判斷10赫茲為垂直于過道方向，14赫茲為平行于過道方向。

4.2 電機(jī)及減速機(jī)測試分析

對9排4列風(fēng)機(jī)電機(jī)、減速機(jī)進(jìn)行了振動測試，如圖8、圖9、圖10和圖11所示，該風(fēng)機(jī)在45赫茲和55赫茲下，電機(jī)、減速機(jī)振動譜圖。

由以上圖中分析可以得出：

圖8 55赫茲電源頻率下，減速機(jī)測點頻譜

圖9 55赫茲電源頻率下，電機(jī)測點頻譜

圖10 45赫茲電源頻率下，電機(jī)測點頻譜

圖11 55赫茲電源頻率下，電機(jī)測點解調(diào)頻譜

（1）風(fēng)機(jī)在55赫茲運行時，出現(xiàn)較高葉片通過頻率及電機(jī)轉(zhuǎn)頻。風(fēng)機(jī)在45赫茲及50赫茲運行時，葉片通過頻率明顯下降，但電機(jī)轉(zhuǎn)頻有顯著上升。判斷為支撐薄弱，通過測試發(fā)現(xiàn)設(shè)備在45赫茲時達(dá)到結(jié)構(gòu)共振點。

（2）減速機(jī)在高頻下，有較高齒輪嚙合頻率及諧波并伴有邊頻帶。判斷為齒輪存在磨損或嚙合不良。

通過對風(fēng)機(jī)桁架的測試發(fā)現(xiàn)，水平H方向和垂直V方向支撐強(qiáng)度不足，需要強(qiáng)化剛度。而且在10赫茲和14.5赫茲附近會出現(xiàn)自振，風(fēng)機(jī)運行時尤其需要避免變頻在此頻譜的整數(shù)倍頻下運行；另外是風(fēng)機(jī)葉片通過頻率較高，需要檢查靜平衡和葉片角度；電機(jī)振動明顯高與減速機(jī)，電機(jī)存在支撐剛度弱的問題，需要優(yōu)化支撐結(jié)構(gòu)。

4.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計分析

通過分析歷史振動測試數(shù)據(jù)，桁架振動的主要來源為風(fēng)機(jī)葉片通過頻率的振動及桁架的共振。桁架結(jié)構(gòu)在滿足強(qiáng)度的前提下，整體剛度偏弱，造成固有頻率下降，共振區(qū)與風(fēng)機(jī)運行工況下葉片固有頻率發(fā)生重疊，造成振動激勵。

對減速機(jī)進(jìn)行強(qiáng)度校核，結(jié)果顯示“在電機(jī)額定功率下，齒輪箱兩級齒輪副齒根彎曲應(yīng)力和齒面接觸應(yīng)力均存在安全系數(shù)小于1的齒輪，其強(qiáng)度未能達(dá)到設(shè)計規(guī)范，存在齒輪點蝕、斷齒風(fēng)險。”因此，減速機(jī)在選型過程，電機(jī)與減速機(jī)、減速機(jī)與風(fēng)機(jī)的匹配性不佳。

風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)為立式懸臂結(jié)構(gòu)，電機(jī)、減速機(jī)（風(fēng)機(jī)）依靠減速機(jī)地腳安裝于桁架上。自減速機(jī)安裝平面至電機(jī)頂部，軸系較長（＞1800毫米），并且在H向減速機(jī)地腳跨度小于電機(jī)機(jī)體直徑，結(jié)構(gòu)為“頭重腳輕”結(jié)構(gòu)，對振動激勵的敏感，在一定程度上放大了風(fēng)機(jī)作用在減速機(jī)上的振動。

減速機(jī)輸出軸軸伸為582毫米，風(fēng)機(jī)輪轂安裝后與減速機(jī)機(jī)殼距離約為360毫米，這造成了減速機(jī)軸伸過長，風(fēng)機(jī)運行中的激振力（橫風(fēng)阻力和不平衡力）產(chǎn)生的作用力矩較大，與桁架剛度弱等因素疊加后，減速機(jī)及電機(jī)整體形成了以減速機(jī)地腳支撐為支點的擺動，這是造成電機(jī)自由端極高的原因。另外，重達(dá)1.5噸的電機(jī)位于整個擺動軸系的最上方，在振動的往復(fù)擺動下產(chǎn)生了巨大的慣性力，反作用于支撐桁架，造成了桁架的振動增大。

4.4 減速機(jī)部件損壞原因分析

對減速機(jī)進(jìn)行的強(qiáng)度校核結(jié)果顯示齒輪設(shè)計的安全系數(shù)小于1，齒輪有點蝕、斷齒風(fēng)險。通過前述振動機(jī)理，最終造成齒輪損壞或失效的原因在于：電機(jī)在往復(fù)振動下產(chǎn)生的巨大慣性力，與風(fēng)機(jī)激振力同時作用，造成減速機(jī)軸承、齒輪動載荷增大。設(shè)計與外界因素的共同影響下，減速機(jī)斷齒、軸承損壞等故障頻發(fā)。

4.5 空冷島振動原因及作用機(jī)理分析

通過現(xiàn)場測試，空冷島桁架的振動來源于單臺風(fēng)機(jī)的振動，結(jié)合目前各方面的研究結(jié)果，造成空冷島橋架振動和風(fēng)機(jī)振動的原因有：

激振力方面：葉片不對稱振動和通過氣流是引起風(fēng)機(jī)橋架振動的主要擾力源。風(fēng)機(jī)運行過程中對橋架的擾力有三種成分：第一種為風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子的重心與風(fēng)機(jī)軸的幾何中心不重合，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動過程中產(chǎn)生水平方向的離心力；第二種為風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動過程中風(fēng)機(jī)扇葉在水平面外產(chǎn)生的振動，這種振動的結(jié)果產(chǎn)生對風(fēng)機(jī)橋架作用的動彎矩；第三種成分是風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動過程中產(chǎn)生的對橋架的扭矩作用。經(jīng)過試驗研究表明，風(fēng)機(jī)扇葉水平面外振動產(chǎn)生的擾力影響最大；其次是扭矩的影響；由轉(zhuǎn)子的偏心產(chǎn)生的水平擾力相對較小?，F(xiàn)場測試及分析也表明，風(fēng)機(jī)運行過程中的橫風(fēng)作用及風(fēng)機(jī)不平衡力是造成風(fēng)機(jī)單體和整體橋架產(chǎn)生振動的主要激振力。

橋架剛度方面：竇瑞杰、屈鐵軍在《電廠直接空冷系統(tǒng)風(fēng)機(jī)橋強(qiáng)迫振動響應(yīng)測試研究》[1]中得出結(jié)論：“風(fēng)機(jī)橋z方向的加速度響應(yīng)值比x方向大而比y方向小，且分布規(guī)律同樣是呈中間大兩邊小的趨勢……風(fēng)機(jī)橋z向剛度大于y向剛度”，此與現(xiàn)場測試得出的結(jié)論一致。且“風(fēng)機(jī)橋振動主要以低頻為主，振動頻率主要表現(xiàn)為風(fēng)機(jī)系統(tǒng)運行頻率的倍頻”，此結(jié)論也與現(xiàn)場測試結(jié)構(gòu)相符。因此空冷島橋架在剛度方面存在的主要問題是桁架結(jié)構(gòu)在滿足強(qiáng)度的前提下，固有頻率與風(fēng)機(jī)運行工況下葉片頻率發(fā)生重疊，造成振動增大。

單臺風(fēng)機(jī)支撐剛度方面：風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)為立式懸臂結(jié)構(gòu)，電機(jī)、減速機(jī)依靠減速機(jī)地腳安裝于桁架上。自減速機(jī)安裝平面至電機(jī)頂部，軸系較長，并且在水平向減速機(jī)地腳跨度小于電機(jī)機(jī)體直徑，造成電機(jī)——減速機(jī)系統(tǒng)剛度減弱，致使風(fēng)機(jī)作用在減速機(jī)上的振動被放大。

通過以上分析，空冷島振動是由風(fēng)機(jī)系統(tǒng)運行產(chǎn)生的擾力引起，振動源在風(fēng)機(jī)橋中部，即風(fēng)機(jī)驅(qū)動裝置安裝位置。風(fēng)機(jī)系統(tǒng)運行時會產(chǎn)生擾力，擾力先傳到風(fēng)機(jī)橋，再由風(fēng)機(jī)橋傳給空冷支撐鋼析架；由于擾力的作用風(fēng)機(jī)橋架會產(chǎn)生振動，對安裝在上面的風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的產(chǎn)生影響，同時風(fēng)機(jī)橋振動會引起空冷平臺鋼橋架的振動。

5 改善方案

改善的總體思路是：減小軸伸、降低力矩、振動隔離、單獨落地。

1）減小減速機(jī)輸出軸軸伸，在不影響安裝葉輪輪轂的前提下，縮短輸出軸軸伸，降低葉輪運行過程中激振力產(chǎn)生的力矩。

2）為提高因電機(jī)——減速機(jī)軸系長度過大造成的剛度降低，采用電機(jī)單獨落地方案，即：將電機(jī)與減速機(jī)支架的直連支架改造為電機(jī)與桁架連接的支架，提高了電機(jī)——減速機(jī)軸系剛度。

3）采用非接觸式傳動方案。將彈性聯(lián)軸器（接觸式傳動）改變?yōu)橛来篷詈掀鳎ǚ墙佑|式傳動），電機(jī)與減速機(jī)軸之間徹底分離，電機(jī)單獨落地后出現(xiàn)的電機(jī)軸與減速機(jī)軸振動不同步現(xiàn)象通過非接觸式傳動方案予以補(bǔ)償，避免兩軸接觸連接處的沖擊振動產(chǎn)生，降低了減速機(jī)齒輪動載荷。

6 試驗性改造驗證

針對目前存在的問題及分析論證結(jié)構(gòu)，利用現(xiàn)有條件（不改變桁架結(jié)構(gòu)、不更換減速機(jī)）對#3機(jī)組9排3列、9排4列風(fēng)機(jī)進(jìn)行了試驗性改造。

第一臺風(fēng)機(jī)改造后開機(jī)試運，振動值從原來的33毫米/秒下降到2.87毫米/秒，遠(yuǎn)低于國家標(biāo)準(zhǔn)11.2毫米/秒。第二臺風(fēng)機(jī)改造后，振動值為4.1毫米/秒（MAX），均取得了預(yù)期效果，達(dá)到了方案的技術(shù)指標(biāo)要求。

圖12～圖15是改造實施前后的振動對比。

在總結(jié)試驗性改造經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，提出整體解決方案，并對方案進(jìn)行優(yōu)化，主要包括：

（1）對試驗方案中的“落地式電機(jī)支架”進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，在滿足剛度、強(qiáng)度的前提下減輕構(gòu)件重量；

（2）對桁架結(jié)構(gòu)進(jìn)行校核，采用科學(xué)的方案對桁架進(jìn)行加固，解決桁架共振問題及多向振動問題。

（3）改造部件實現(xiàn)模塊化。減速機(jī)安裝平臺設(shè)計為箱式結(jié)構(gòu)，在實現(xiàn)在工廠內(nèi)完成減速機(jī)安裝找正、永磁渦流耦合器調(diào)試、電機(jī)及支架安裝等工序，降低現(xiàn)場安裝調(diào)整工作量，縮短工期。并對箱體進(jìn)行優(yōu)化。

通過加裝磁力耦合器、固定支撐件等的改造，最終電機(jī)最大振動值由32.18毫米/秒降為2.81毫米/秒，減速機(jī)最大振動值由9.76毫米/秒降為4.24毫米/秒，支撐橋架最大振動值由7.12毫米/秒降為2.12毫米/秒，減振效果優(yōu)于國際標(biāo)準(zhǔn)ISO10816。

圖12 改善前頻譜圖

圖13 改善前通頻值

圖14 改善后頻譜圖

圖15 改善后通頻值

7 結(jié)束語

從風(fēng)機(jī)改造效果來看，該整體解決方案完全能夠達(dá)到預(yù)期值。因此有理由相信，整體改造后單臺風(fēng)機(jī)振動值≤4.5毫米/秒的預(yù)期能夠達(dá)到。此項整體解決方案增加了空冷島系統(tǒng)的安全性、可靠性，減少了日常的維護(hù)量，取得了較好的效果。這對老機(jī)組空冷島系統(tǒng)的改造和新機(jī)組的設(shè)計有著非常重要的參考意義，將為空冷型發(fā)電機(jī)組創(chuàng)立科學(xué)管控標(biāo)準(zhǔn)，使安全生產(chǎn)有據(jù)可依，滿足空冷機(jī)組的可靠度提升及壽命延長的需要，也為空冷島制造企業(yè)提供了科學(xué)的設(shè)計依據(jù)。

[1]竇瑞杰，屈鐵軍.電廠直接空冷系統(tǒng)風(fēng)機(jī)橋強(qiáng)迫振動響應(yīng)測試研究[J].北方工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2011.3月第23卷第1期．