安如山郭瑞濤

(河北邯峰發(fā)電有限責(zé)任公司,河北 邯鄲 056200)

二倍頻是振動(dòng)頻譜中的常見(jiàn)現(xiàn)象,在振動(dòng)頻譜分析中,造成設(shè)備二倍頻振動(dòng)的主要原因有:聯(lián)軸器不對(duì)中、軸彎曲、軸承安裝問(wèn)題、機(jī)械松動(dòng)、階次共振等,而變頻器故障造成該類(lèi)振動(dòng)的研究較少。在一次凝結(jié)水泵振動(dòng)超標(biāo)故障診斷中,發(fā)現(xiàn)變頻器出現(xiàn)了問(wèn)題。

1 設(shè)備概況

河北邯峰發(fā)電有限責(zé)任公司(簡(jiǎn)稱(chēng)“邯峰電廠”)1號(hào)、2號(hào)汽輪發(fā)電機(jī)組為德國(guó)SIEMENS公司制造的660 MW 汽輪發(fā)電機(jī)組,一期工程安裝4臺(tái)凝結(jié)水泵。為進(jìn)一步降低凝結(jié)水泵的廠用電率,2006年對(duì)11號(hào)凝結(jié)水泵進(jìn)行了變頻改造。

凝結(jié)水泵變頻改造之后,通過(guò)調(diào)整凝結(jié)水泵轉(zhuǎn)速來(lái)控制流量,隨著凝結(jié)水泵轉(zhuǎn)速的降低,減小了節(jié)流損失的同時(shí),也降低了水泵的振動(dòng),凝結(jié)水泵的振動(dòng)長(zhǎng)期處在1 mm/s以下。根據(jù)《華能?chē)?guó)際電力股份有限公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/HPI-1-017-2014旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)檢測(cè)及診斷技術(shù)規(guī)范》中關(guān)于額定功率大于15 k W 多葉片葉輪并與原動(dòng)機(jī)分開(kāi)連接的泵/風(fēng)機(jī)(離心式、混流式或軸流式)的振動(dòng)判斷標(biāo)準(zhǔn),華能邯峰電廠凝結(jié)水泵的振動(dòng)遠(yuǎn)低于“剛性支撐類(lèi)型A/B 區(qū)域邊界標(biāo)準(zhǔn)”2.3 mm/s,長(zhǎng)期處于“A”(良好)區(qū)域。表1為該振動(dòng)判斷標(biāo)準(zhǔn)。

表1 分開(kāi)連接的泵/風(fēng)機(jī)(離心式、混流式或軸流式)的振動(dòng)判斷標(biāo)準(zhǔn)

2 故障情況及原因分析

2019年02月21 日,1號(hào)機(jī)組11號(hào)凝結(jié)水泵運(yùn)行中突然發(fā)生較大振動(dòng)和噪音,要求檢修人員立即到現(xiàn)場(chǎng)處理。通過(guò)對(duì)11號(hào)凝結(jié)水泵進(jìn)行了振動(dòng)測(cè)量發(fā)現(xiàn):11號(hào)凝結(jié)水泵軸瓦水平振動(dòng)值為8.872 mm/s,超過(guò)了“剛性支撐類(lèi)型C/D 區(qū)域邊界標(biāo)準(zhǔn)”(7.1 mm/s),處于“D”(振動(dòng)導(dǎo)致?lián)p壞)區(qū)域,需要立即停運(yùn)查找原因。隨即停運(yùn)11號(hào)凝結(jié)水泵,倒為12號(hào)凝結(jié)水泵工頻運(yùn)行。

2.1 振動(dòng)頻譜表現(xiàn)

圖1為11號(hào)凝結(jié)水泵突發(fā)振動(dòng)前后的頻譜圖對(duì)比,(實(shí)線(xiàn)為突發(fā)振動(dòng)前頻譜,虛線(xiàn)為突發(fā)振動(dòng)后頻譜)從圖中可以看出,11號(hào)凝結(jié)水泵正常運(yùn)行期間,設(shè)備各振動(dòng)成分的振動(dòng)值都非常小,水平振動(dòng)有效值只有0.653 mm/s,遠(yuǎn)低于振動(dòng)警告值。振動(dòng)故障發(fā)生后,11號(hào)凝結(jié)水泵水平振動(dòng)有效值急劇增加,振動(dòng)有效值從0.653 mm/s變化至8.872 mm/s,增幅達(dá)12.6倍。各倍頻振動(dòng)成分均有一定增幅,其中二倍頻附近有一個(gè)明顯波峰,振動(dòng)頻率38.672 Hz,單成分振幅7.494 mm/s,是引起11號(hào)凝結(jié)水泵振動(dòng)的主要原因。如圖1所示。

圖1 11號(hào)凝結(jié)水泵故障發(fā)生前后振動(dòng)頻譜對(duì)比

2.2 振動(dòng)頻譜分析

2.2.1 故障可能原因分析

設(shè)備停運(yùn)后,根據(jù)設(shè)備頻譜表現(xiàn),總結(jié)出可能出現(xiàn)的幾種原因,加以一一排除?？偨Y(jié)可能原因如下:

a.凝結(jié)水泵泵組中心不正或聯(lián)軸器損壞。

b.凝結(jié)水泵推力瓦或?qū)吣p。

c.凝結(jié)水泵的階次共振。

d.電機(jī)軸承故障。

e.電氣原因,變頻器輸出故障。

2.2.2 故障可能原因排查

a.凝結(jié)水泵泵組中心不正或聯(lián)軸器損壞。設(shè)備停運(yùn)后分別對(duì)電機(jī)座螺栓、聯(lián)軸器及其螺栓進(jìn)行檢查,均未發(fā)現(xiàn)異常。重新復(fù)查中心,各項(xiàng)數(shù)值均在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi),因此排除凝結(jié)水泵泵組中心不正或聯(lián)軸器損壞造成水泵振動(dòng)超標(biāo)原因。

b.推力瓦或?qū)吣p。設(shè)備運(yùn)行期間,一旦瓦塊出現(xiàn)磨損,將影響軸承室潤(rùn)滑油品質(zhì),使得潤(rùn)滑油變黑。通過(guò)11號(hào)凝結(jié)水泵軸承箱放油觀察,發(fā)現(xiàn)11號(hào)凝結(jié)水泵放出的潤(rùn)滑油顏色正常,油中無(wú)磨損的鎢金碎屑出現(xiàn),因此可以排除推力瓦磨損原因。

c.階次共振。在11號(hào)凝結(jié)水泵試運(yùn)過(guò)程中,發(fā)現(xiàn)凝結(jié)水泵在1 100～1 200 r/min期間的振動(dòng)較大,懷疑可能會(huì)有階次共振的現(xiàn)象產(chǎn)生。通過(guò)對(duì)11號(hào)凝結(jié)水泵進(jìn)行了錘擊實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),11號(hào)凝結(jié)水泵的固有頻率為174.141 Hz,與發(fā)生振動(dòng)的頻率無(wú)關(guān),所以階次共振原因可以排除。

d.電機(jī)軸承故障。圖2為凝結(jié)水泵電機(jī)驅(qū)動(dòng)端水平加速度頻譜圖,從圖中可以看出,11號(hào)凝結(jié)水泵電機(jī)驅(qū)動(dòng)端水平加速度峰值只有9.263 m/s2,即0.945 g(1 g=9.8 m/s2),且振動(dòng)加速度與突發(fā)振動(dòng)前無(wú)較大變化。說(shuō)明電機(jī)驅(qū)動(dòng)端軸承雖然有輕微損傷,但不是造成振動(dòng)的主要原因。

圖2 電機(jī)軸承振動(dòng)加速度頻譜

e.電氣故障。在對(duì)頻譜的分析過(guò)程中,發(fā)現(xiàn)圖中一倍頻頻率為19.219 Hz,其振動(dòng)主要成分的頻率為38.672 Hz,并不是一倍頻的整數(shù)倍成分。即在頻譜中看到的二倍頻,只能稱(chēng)之為“疑似兩倍頻成分”。因此懷疑是由于電氣原因也就是變頻器的頻率混亂,或者和電機(jī)的轉(zhuǎn)速構(gòu)成諧振頻率關(guān)系,造成水泵振動(dòng)超標(biāo)。為徹底排除變頻器故障原因,通過(guò)在隔離變頻器的條件下試運(yùn)11號(hào)凝結(jié)水泵,其頻譜如圖3所示。

從圖3中可以看出,11號(hào)凝結(jié)水泵的振動(dòng)成分主要是一倍頻和七倍頻及其低噪。各項(xiàng)振動(dòng)成分振幅最大均未超過(guò)1.2 mm/s,通頻振動(dòng)有效值為4.197 mm/s,未超過(guò)4.5 mm/s的“B/C”區(qū)域邊界標(biāo)準(zhǔn),處于“B”(合格)范圍內(nèi)。最重要的是,二倍頻附近的波峰幾乎消失。

圖3 隔離變頻器后11號(hào)凝結(jié)水泵振動(dòng)頻譜

分析認(rèn)為,一倍頻的原因是轉(zhuǎn)子的輕微不平衡,七倍頻及其低噪產(chǎn)生的原因是水泵汽蝕和出口節(jié)流引發(fā)的“氣穴現(xiàn)象”,造成振動(dòng)的主要成分“疑似兩倍頻”消失了。

由此推斷,造成11號(hào)凝泵振動(dòng)的主要原因是變頻器故障造成的輸出信號(hào)紊亂或者與電機(jī)的轉(zhuǎn)速構(gòu)成諧振頻率關(guān)系。

2.2.3 故障原因確認(rèn)

為確認(rèn)排查結(jié)果,經(jīng)查閱資料發(fā)現(xiàn):變頻器的三相輸出不平衡,一般表現(xiàn)為馬達(dá)抖動(dòng),轉(zhuǎn)速不穩(wěn);變頻器帶電機(jī)抖動(dòng)的具體表現(xiàn)為,電機(jī)轉(zhuǎn)速快半圈慢半圈[1]。所以,在變頻器故障的條件下,電機(jī)每轉(zhuǎn)一圈,在一個(gè)方向上就會(huì)產(chǎn)生兩次激勵(lì),從而引發(fā)較高幅值的“二倍頻”。又因?yàn)槠滢D(zhuǎn)速在一個(gè)旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)快半圈慢半圈的原因,振動(dòng)頻率與普通的二倍頻有微小的差異,造成“疑似兩倍頻”現(xiàn)象。

根據(jù)上述推斷,加之此次振動(dòng)為突發(fā)性振動(dòng),并非凝結(jié)水泵的長(zhǎng)期缺陷,可以確認(rèn)振動(dòng)的原因就是變頻器故障導(dǎo)致。

3 處理措施及效果

根據(jù)缺陷分析結(jié)論對(duì)變頻器實(shí)施檢修,檢修中發(fā)現(xiàn)11號(hào)凝結(jié)水泵變頻器C2模塊與B2、A2模塊電壓不平衡,A4、A6模塊光纖頭有不平整現(xiàn)象,于是更換變頻器C2模塊和所有模塊光纖頭。變頻器檢修后,開(kāi)泵一次成功,現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試振動(dòng)恢復(fù)正常。

圖4為消除變頻器故障前后11號(hào)凝結(jié)水泵振動(dòng)頻譜對(duì)比圖。圖中虛線(xiàn)部分為2019.02.21突發(fā)振動(dòng)時(shí)的頻譜,實(shí)線(xiàn)部分為消除變頻器故障后的頻譜。從圖中可以看出,各振動(dòng)成分均大幅下降,其中“疑似二倍頻”成分完全消失。水平振動(dòng)的通頻值由8.872 mm/s降為0.839 mm/s,11號(hào)凝結(jié)水泵重新回歸至“A”(良好)區(qū)域內(nèi)。

圖4 消除變頻器故障后11號(hào)凝結(jié)水泵 振動(dòng)頻譜對(duì)比

4 結(jié)論

a.振動(dòng)頻譜分析是設(shè)備故障判斷的主要手段,頻譜分析的難點(diǎn)在于振動(dòng)成分與設(shè)備故障并非一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。機(jī)械設(shè)備只有受到激勵(lì),才能產(chǎn)生響應(yīng)。激勵(lì)是因,響應(yīng)是果。振動(dòng)產(chǎn)生的根源是激勵(lì),振動(dòng)頻譜產(chǎn)生的類(lèi)型與設(shè)備受到激勵(lì)的方式息息相關(guān)。

b.從振動(dòng)機(jī)理分析設(shè)備故障,分為2個(gè)推理方向:首先是反向,根據(jù)頻譜判斷受力;其次是正向,根據(jù)受力判斷頻譜。當(dāng)這2個(gè)過(guò)程的前后特征符合時(shí),就可以確認(rèn)設(shè)備的故障類(lèi)型。在上述案例中,從“非標(biāo)準(zhǔn)二倍頻”推算出設(shè)備的旋轉(zhuǎn)周期異常,而變頻器故障可以引起電機(jī)出現(xiàn)“快半圈,慢半圈”的現(xiàn)象,兩者均推算出相同的特征,以此確認(rèn)了設(shè)備振動(dòng)原因?yàn)樽冾l器故障。

c.迫于環(huán)保節(jié)能壓力,現(xiàn)代電廠的很多大型用電設(shè)備,廣泛使用變頻裝置。做為一個(gè)電子產(chǎn)品,不可避免的會(huì)出現(xiàn)許多缺陷和故障,為設(shè)備維護(hù)帶來(lái)新的課題。文中通過(guò)發(fā)現(xiàn)疑似二倍頻的振動(dòng)成分,逐步排查故障原因,最終發(fā)現(xiàn)此振動(dòng)成分為變頻器三相輸出電壓不平衡造成,從而引起11號(hào)凝結(jié)水泵振動(dòng)超標(biāo)。為以后的發(fā)現(xiàn)類(lèi)似振動(dòng)成分的故障分析,提供了新的研究方向。