柳 磊，王新良，王 東，劉 成，馬國偉

(國電科學(xué)技術(shù)研究院有限公司銀川分公司，銀川 750011)

0 引 言

對于火電機(jī)組，除鍋爐、汽機(jī)、發(fā)電機(jī)以外，風(fēng)機(jī)、泵等輔機(jī)設(shè)備也是其重要組成部分。尤其作為鍋爐重要輔機(jī)設(shè)備的各類型風(fēng)機(jī)，對保證鍋爐的安全穩(wěn)定運(yùn)行起到至關(guān)重要的作用。電站風(fēng)機(jī)按其結(jié)構(gòu)形式可以分為軸流式風(fēng)機(jī)和離心式風(fēng)機(jī)[1]，前者又可以分為一級、兩級動葉可調(diào)軸流式風(fēng)機(jī)。按照功能可以分為：一次風(fēng)機(jī)、送風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)等。

電站風(fēng)機(jī)的故障種類很多，文章從旋轉(zhuǎn)設(shè)備的振動特性出發(fā)，研究電站風(fēng)機(jī)的振動故障特性及其診斷方法。研究表明，引起旋轉(zhuǎn)設(shè)備振動故障的主要原因有：不平衡、轉(zhuǎn)動部件松動、基礎(chǔ)連接剛度降低、軸承損壞等[2-4]。

依據(jù)電站風(fēng)機(jī)振動故障診斷的一般分析法，選取最為常見的不平衡、軸承損壞兩類振動故障[5]為研究對象，對電站風(fēng)機(jī)振動故障特征、診斷及解決措施進(jìn)行分析研究。

1 電站風(fēng)機(jī)振動故障的分析法

振動故障的一般診斷分析方法，主要是利用傳感器采集振動信號，傳輸至振動測試儀器進(jìn)行信號處理分析，最后輸出測試數(shù)據(jù)至計算機(jī)，振動測試分析原理如圖1所示。工程師依據(jù)測試經(jīng)驗(yàn)及測試數(shù)據(jù)，分析給出振動故障的原因及相應(yīng)的處理措施。值得關(guān)注的是，隨著FFT快速傅里葉算法的廣泛應(yīng)用，振動信號的頻譜分析在振動故障分析診斷中起到尤為重要的作用，使得測試精度及診斷準(zhǔn)確性得到提高。

圖1 電站風(fēng)機(jī)振動測試分析圖

風(fēng)機(jī)振動測試所用的傳感器有加速度傳感器、速度傳感器。其中靈敏度為20 mV/(mm·s-1)的速度傳感器應(yīng)用最為廣泛，該傳感器測量1 mm/s的振速對應(yīng)傳感器輸出20 mV的直流電壓，該信號經(jīng)過振動測試儀器的運(yùn)算輸出幅值(有效值、峰峰值，常見為峰峰值)、振速等數(shù)據(jù)，并可以依據(jù)測試數(shù)據(jù)，提供故障風(fēng)機(jī)的振動頻譜圖、伯德圖等。

2 振動故障的診斷

2.1 不平衡振動故障的診斷

由于早期國家環(huán)保要求低，電站鍋爐的電除塵、脫硫、脫硝設(shè)備存在煙氣旁路，為降低環(huán)保運(yùn)行成本，高塵、高腐蝕性煙氣不經(jīng)處理直接流經(jīng)風(fēng)機(jī)排到大氣，此時電站引風(fēng)機(jī)常常出現(xiàn)由于葉輪腐蝕、積灰造成的不平衡振動故障。近些年來，受國家環(huán)保政策影響，煙氣旁路被拆除，較少出現(xiàn)上述原因?qū)е碌牟黄胶庹駝庸收稀?/p>

除此之外，受設(shè)備安裝、檢修等因素影響，電站風(fēng)機(jī)常出現(xiàn)不平衡振動故障。如：某300 MW機(jī)組2號爐A送風(fēng)機(jī)(一級動葉可調(diào)軸流式風(fēng)機(jī))在檢修更換執(zhí)行機(jī)構(gòu)平衡錘后，出現(xiàn)不平衡振動故障，后經(jīng)稱重發(fā)現(xiàn)，新更換的平衡錘比舊平衡錘重30 g。

綜合分析不平衡振動故障，有以下3個故障特征：轉(zhuǎn)速一定時振動幅值及相位穩(wěn)定、一倍頻分量占通頻幅值70%以上、多次啟動振動再現(xiàn)性好。

對于振動相位穩(wěn)定，一倍頻分量占通頻幅值70%以上的振動，通?？梢圆捎矛F(xiàn)場高速動平衡的方法消除振動故障。電站風(fēng)機(jī)中，除個別小型離心式風(fēng)機(jī)(如：磨煤機(jī)密封風(fēng)機(jī)，轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，電機(jī)電壓為380 V)，其他大型電站風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速通常為1 500 r/min、1 000 r/min(電機(jī)電壓等級6 kV)。對于電站風(fēng)機(jī)，通常認(rèn)為其為剛性轉(zhuǎn)子，其動平衡試驗(yàn)方法也較汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)等柔性轉(zhuǎn)子動平衡簡單?？刹捎脝纹矫婕又氐膭悠胶庠囼?yàn)方法[6-9]，通常的步驟為：

1)測量出風(fēng)機(jī)軸承處的水平、垂直方向振動幅值及其相位角度。

2)加重位置的選擇。依據(jù)平衡加重方法，首先計算出加重位置，由于假定電站風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子為剛性轉(zhuǎn)子，其機(jī)械滯后角為0。

3)加重量的選擇。如果已知影響系數(shù)，可利用向量運(yùn)算計算出待加重量和加重位置,通常第一次加重為試加重。

4)第一次試加重后，啟動風(fēng)機(jī)再次測量振動數(shù)據(jù),依據(jù)加重后風(fēng)機(jī)振動情況，計算得出影響系數(shù)。

5)利用影響系數(shù)計算得出第二次加重量及加重方向。

6)第二次加重后，啟動風(fēng)機(jī)測量風(fēng)機(jī)振動情況。

7)通常進(jìn)行到這一步，風(fēng)機(jī)振動故障已經(jīng)得到消除，動平衡試驗(yàn)結(jié)束。

以某330 MW電站2號爐A送風(fēng)機(jī)(一級動葉可調(diào)軸流式風(fēng)機(jī))為例，該風(fēng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速1 490 r/min，為沈陽鼓風(fēng)機(jī)有限公司生產(chǎn)制造的ASNl950-1000一級動葉可調(diào)軸流式風(fēng)機(jī)，該風(fēng)機(jī)在更換動葉平衡錘后，由于旋轉(zhuǎn)部件質(zhì)量分布不均引起不平衡振動故障，其動平衡試驗(yàn)情況如下：檢修后首次啟動，風(fēng)機(jī)軸承水平方向振動同頻幅值為254.1 μm，一倍頻分量1X為252 μm∠184°，利用平衡原理，計算得出其試加位置為逆轉(zhuǎn)向4°，如圖2所示。

圖2 某送風(fēng)機(jī)動平衡試加位置計算圖

依據(jù)測試經(jīng)驗(yàn)，試加重量定為306 g，加重后啟動風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)水平方向振動通頻幅值下降至95.72 μm，一倍頻分量1X為93.86 μm∠258°，計算得出影響系數(shù)α為0.802∠342°。利用影響系數(shù)法計算得出，第二次加重量及加重位置為310 g∠20°(去掉第一次加重量)，具體如表1所示。

表1 某電站送風(fēng)機(jī)動平衡試驗(yàn)記錄表

2.2 軸承損壞的振動故障

受檢修周期及軸承運(yùn)行壽命影響，由軸承失效引起的電站風(fēng)機(jī)振動故障也呈日益增加趨勢。軸承失效一般可分為止動失效和精度失效兩種。其中，止動失效是指軸承因失去工作能力而終止轉(zhuǎn)動，通常是由于卡死、斷裂等因素引起；精度失效是指軸承因配合尺寸變化，失去了原設(shè)計要求的精度，雖然能轉(zhuǎn)動，但其狀態(tài)已屬異常，表現(xiàn)為振動和溫度變化，該類失效形式通常是由于疲勞剝落、銹蝕、磨損、膠合等因素引起。據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，電站風(fēng)機(jī)軸承的失效形式多為精度失效。

電站風(fēng)機(jī)軸承較多采用圓柱滾子軸承，隨著機(jī)組負(fù)荷頻繁調(diào)節(jié)，風(fēng)機(jī)的載荷也隨著負(fù)荷頻繁變化，從而導(dǎo)致軸承失效引起的風(fēng)機(jī)振動故障頻發(fā)。通常引起軸承故障的原因有：軸承接觸面過熱、點(diǎn)蝕、潤滑油質(zhì)污染、潤滑失效、較大的動載荷、轉(zhuǎn)配間隙過大等。軸承失效需要一定的過程，一般分為失效初級、失效中期、失效后期。該類故障較難監(jiān)控，一旦發(fā)現(xiàn)，軸承失效已經(jīng)發(fā)展到了中后期，此時振動故障特征較為明顯，即頻譜中出現(xiàn)軸承對應(yīng)的特征頻率[10-11]。風(fēng)機(jī)軸承包括四部分：滾動體、保持架、內(nèi)圈、外圈。四部分對應(yīng)的特征頻譜不同，如：某電站一次風(fēng)機(jī)采用N2206圓柱滾子軸承，其在額定轉(zhuǎn)速(1 495 r/min)下對應(yīng)的軸承內(nèi)圈特征頻率(BFI)為188.34 Hz，軸承外圈特征頻率(BFO)為135.58 Hz，保持架特征頻率(FTF)為14.49 Hz，滾動體特征頻率(BSF)為74.45 Hz。

因此，通過振動測試儀器采集電站風(fēng)機(jī)的振動故障信號，通過FFT傅里葉變換等一系列數(shù)據(jù)處理，輸出振動信號的頻譜數(shù)據(jù)。通過分析頻譜，查找故障特征頻譜，基本可以定性分析診斷出故障原因，這就是頻譜分析在電站風(fēng)機(jī)振動故障診斷中最為關(guān)鍵的一點(diǎn)。

以某電廠2號爐A一次風(fēng)機(jī)振動故障為例，該風(fēng)機(jī)為國產(chǎn)某公司生產(chǎn)的離心式送風(fēng)機(jī)。該風(fēng)機(jī)由一臺異步電動機(jī)驅(qū)動，額定轉(zhuǎn)速為1 485 r/min，結(jié)構(gòu)簡圖如圖3所示(1號、2號軸承均采用圓柱滾子軸承，型號為NU220E)。

圖3 某一次風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖

該風(fēng)機(jī)自投產(chǎn)以來，振動情況良好，2017年8月經(jīng)過B級檢修后，初次啟動過程中，該風(fēng)機(jī)振動值突然增大，后停機(jī)復(fù)查中心、軸承間隙及地腳螺栓等，均未發(fā)現(xiàn)問題。再次啟動后，1號軸承水平、垂直方向振動增大，約6.7 mm/s，且大于報警值(4.5 mm/s)，此時振動值一直在6.7 mm/s左右，且具有增加趨勢，嚴(yán)重威脅到機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

通過對該風(fēng)機(jī)進(jìn)行振動測試，對所得振動數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合頻譜分析，發(fā)現(xiàn)測試中，1號軸承水平方向振動數(shù)據(jù)的頻譜圖中有高頻(5.83X，170.87 Hz)分量出現(xiàn)。根據(jù)軸承手冊，查得1號軸承NU220E為加強(qiáng)型圓柱滾子軸承，其在1 485 r/min額定轉(zhuǎn)速下對應(yīng)的軸承內(nèi)圈特征頻率(BFI)為170.87 Hz，軸承外圈特征頻率(BFO)為227.80 Hz，保持架特征頻率(FTF)為14.24 Hz，滾動體特征頻率(BSF)為85.46 Hz。據(jù)此，認(rèn)為該軸承存在失效，此為振動增大的主要原因。

由于此時振動已經(jīng)較大，接近保護(hù)動作值(7.1 mm/s)，故建議立即停機(jī)處理，后解體檢查發(fā)現(xiàn)，1號軸承1、2、3點(diǎn)方向有不同程度磨損，且1處磨損痕跡較為明顯，詳見圖4、圖5。

圖4 軸承磨損示意圖

如圖5箭頭所示，1號軸承內(nèi)圈接觸面磨損嚴(yán)重。更換新軸承后，風(fēng)機(jī)振動值較小，風(fēng)機(jī)帶負(fù)荷過程中，振動情況良好。其中，1號、2號軸承水平、垂直方向振動值均在2 mm/s以內(nèi)，具體如表2所示。

圖5 1號軸承磨損位置圖

表2 一次風(fēng)機(jī)軸承更換前后振動測試數(shù)據(jù)表

1號軸承內(nèi)圈接觸面有明顯的磨損凹痕。風(fēng)機(jī)小修后啟動過程中，1號軸承在水平和垂直方向突發(fā)激振力的作用下，使軸承內(nèi)圈頂壓圓柱滾子軸承，對軸承外圈接觸面造成如圖5所示的壓痕，使得軸承出現(xiàn)精度失效。軸承的精度失效，是造成該風(fēng)機(jī)振動增大的主要原因。

3 結(jié) 語

造成當(dāng)前電站風(fēng)機(jī)振動故障的兩個主要原因?yàn)椴黄胶饧拜S承失效。結(jié)合振動故障案例，給出了診斷分析過程及解決措施。為此，利用頻譜分析法，總結(jié)得出電站風(fēng)機(jī)振動故障的一般診斷分析法：

1)通過振動測試，測得故障風(fēng)機(jī)的振動數(shù)據(jù)；

2)利用頻譜分析，查找振動故障原因?qū)?yīng)的特征頻譜；

3)依據(jù)特征頻譜，確定電站風(fēng)機(jī)的振動故障原因及處理措施。