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        超超臨界鍋爐一次風(fēng)機軸承振動異常的診斷及處理

        2022-07-28 03:32:46趙世偉胡雪梅
        黑龍江電力 2022年3期
        關(guān)鍵詞:振動

        趙世偉,胡雪梅,李 燁,聶 濤

        (國家電投集團河南電力有限公司平頂山發(fā)電分公司,河南 平頂山 467312)

        0 引 言

        某電廠鍋爐由東方鍋爐集團制造,采用超超臨界參數(shù)、變壓直流運行、單爐膛、一次再熱、平衡通風(fēng)、露天島式布置、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架、全懸吊結(jié)構(gòu)、前后墻對沖燃燒方式的Π型鍋爐,每臺鍋爐配置6臺軸流風(fēng)機,風(fēng)機運行可靠性是電廠鍋爐系統(tǒng)運行穩(wěn)定的保證[1]。該電廠2臺超超臨界鍋爐于2010年底先后投產(chǎn),每臺鍋爐配置2臺雙級動葉可調(diào)軸流式一次風(fēng)機,額定轉(zhuǎn)速 1 490 r/min,風(fēng)機由轉(zhuǎn)子總成、軸承座、進氣箱、自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)等部件現(xiàn)場組裝而成[2]。

        該機組自投產(chǎn)以來,一次風(fēng)機軸承抗擾動性較差、軸承振動周期性異常波動,據(jù)統(tǒng)計一次風(fēng)機被迫停運多達六十余次,風(fēng)機跳閘導(dǎo)致鍋爐MFT 1次,單側(cè)風(fēng)機停運搶修,鍋爐燃燒不穩(wěn)定,需投油穩(wěn)燃,嚴重影響機組的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行[3]。采用了多種運行手段、檢修措施及技術(shù)改造控制風(fēng)機軸承振動,該問題一直得不到徹底解決,目前通過定期更換風(fēng)機轉(zhuǎn)子,舊轉(zhuǎn)子返廠大修的措施維持運行,但一次風(fēng)機轉(zhuǎn)子的運行時間遠未達到大修周期,導(dǎo)致風(fēng)機檢修成本較高[4]。

        1 一次風(fēng)機軸承振動異常分析

        1.1 軸承振動異常情況

        自機組投產(chǎn)以來,一次風(fēng)機軸承振動情況一直不穩(wěn)定,特別是2臺風(fēng)機并列時振動波動較大,正常運行中軸承振動值也偏高(大于報警值:4.6 mm/s),運行中經(jīng)常出現(xiàn)一次風(fēng)機軸承振動異常而導(dǎo)致機組RB事故,一次風(fēng)機軸承異常振動給2臺機組穩(wěn)定運行帶來較大不穩(wěn)定因素。

        1號機組A風(fēng)機X/Y向軸承振動整體較大,隨負荷變動呈周期性波動。2019年5月風(fēng)機軸承X向振動值在4.0~5.5 mm/s波動,6月風(fēng)機軸承振動值波動至跳閘值7.1 mm/s以上,風(fēng)機無法維持運行。待大修更換一次風(fēng)機轉(zhuǎn)子后,風(fēng)機運行正常,X向軸承振動值維持在4.0 mm/s,Y向軸承振動值維持在2.2 mm/s。

        1號機組B一次風(fēng)機軸承振動值多次突變至跳閘值以上,導(dǎo)致2019年12月風(fēng)機跳閘3次,被迫停運3次。正常運行時X/Y向軸承振動值穩(wěn)定在3.5 mm/s運行,某一工況軸承振動值突變至10 mm/s以上導(dǎo)致風(fēng)機跳閘,軸承振動值隨負荷突變狀況如圖1所示。期間因機組負荷較高無法停運檢修,只能采用降低負荷及退并風(fēng)機的辦法勉強維持運行。

        圖1 B風(fēng)機軸承振動值突變狀況Fig.1 Sudden change of bearing vibration value of B fan

        2020年1月安排停運B一次風(fēng)機更換風(fēng)機轉(zhuǎn)子,轉(zhuǎn)子更換后風(fēng)機投運X向、Y向振動值穩(wěn)定在2.5 mm/s、1.5 mm/s,4月風(fēng)機X向、Y向振動值逐步增大至4.8 mm/s、5.7 mm/s,最高可突變至7.6 mm/s、11.2 mm/s。此次檢修更換一次風(fēng)機轉(zhuǎn)子后,穩(wěn)定運行時間僅有1 300 h左右。

        1.2 軸承振動頻譜分析

        通過一次風(fēng)機軸承振動頻譜分析顯示,振動幅度在較高值工況時,4倍頻以下頻段呈現(xiàn)高密度、低幅度的線性和非線性諧波,大量低幅度的振動成分導(dǎo)致振動通頻幅值上升,1倍頻振動成分幅度及其諧波幅值均較小。依據(jù)一次風(fēng)機檢修經(jīng)驗分析,排除了風(fēng)機軸承振動異常是因轉(zhuǎn)子葉片磨損、積灰及轉(zhuǎn)子附著異物導(dǎo)致的不平衡因素所致,同時風(fēng)機軸承運行狀態(tài)良好,也可以排除是軸承支承、滾動軸承缺陷及其他機械缺陷導(dǎo)致風(fēng)機軸承振動異常的可能性,僅通過轉(zhuǎn)子配重?zé)o法解決一次風(fēng)機軸承振動異常問題[5-6]。

        根據(jù)一次風(fēng)機軸承振動異常的頻譜結(jié)構(gòu)參數(shù),結(jié)合軸承振動突變與風(fēng)機動葉開度及動葉調(diào)節(jié)過程結(jié)構(gòu)特點分析,風(fēng)機振動突變故障可能是受到某種突發(fā)性、間歇性的激勵所致,當(dāng)干擾激勵力產(chǎn)生或加強時,風(fēng)機軸承振動值就發(fā)生突變,當(dāng)干擾源消失或干擾力減小時,風(fēng)機振動值就回復(fù)到較小值。由于一次風(fēng)機都是振動突變導(dǎo)致無法維持運行,考慮一次風(fēng)機葉片局運行失穩(wěn)導(dǎo)致的運行不平衡,運行平衡被打破導(dǎo)致軸承振動突變[7-8]。

        2 振動異常的診斷及處理

        2.1 風(fēng)機葉片流場模擬

        對一次風(fēng)機葉片重建模型,采用三維流體分析軟件CFX進行氣動仿真計算,模擬出一次風(fēng)機的性能曲線,結(jié)合一次風(fēng)機葉片運行工況,通過流體分析軟件進行氣動仿真計算發(fā)現(xiàn),在葉根截面動葉尾緣吸力面處出現(xiàn)了渦流現(xiàn)象,吸力面中部位置出現(xiàn)了邊界層分離,如圖2(a)所示;葉頂截面在動葉的壓力面出現(xiàn)了分離流動,在風(fēng)機導(dǎo)葉壓力面靠前緣位置出現(xiàn)了較大的渦流現(xiàn)象,說明此位置動葉與導(dǎo)葉的相對角度不匹配,影響了流動狀況,如圖2(b)所示。分析認為,風(fēng)機葉片流場存在局部渦流及邊界層流動的較早分離共同導(dǎo)致風(fēng)機葉片流場質(zhì)量不佳,風(fēng)機葉片在運行中出現(xiàn)局部失速的工況[9]。

        圖2 風(fēng)機葉片流場模擬圖Fig.2 Flow field simulation diagram of fan blade

        2.2 風(fēng)機風(fēng)道流場模擬

        結(jié)合一次風(fēng)機風(fēng)道結(jié)構(gòu)建立數(shù)學(xué)模型(如圖3所示),通過對風(fēng)道流場進行模擬分析,風(fēng)機氣流經(jīng)葉輪組升壓后進入擴壓器及圓節(jié)方風(fēng)道的流場分析顯示,氣流從葉輪組流出后在擴壓器內(nèi)流動較平穩(wěn),流出擴壓器之后進入圓節(jié)方風(fēng)道處局部流動損失較大,氣流平均速度從24.2 m/s減少到10.4 m/s,在圓節(jié)方風(fēng)道出口附近形成渦流(如圖4所示),渦流現(xiàn)象造成風(fēng)道內(nèi)流動損失、流場品質(zhì)出現(xiàn)下降[10-12]。

        圖3 一次風(fēng)機風(fēng)道結(jié)構(gòu)模型Fig.3 Air duct structure model of primary fan

        圖4 圓節(jié)方風(fēng)道速度流線圖Fig.4 Velocity streamline of square duct with circular section

        一次風(fēng)機風(fēng)道轉(zhuǎn)彎處流場模擬顯示,風(fēng)道內(nèi)彎處因流體聚集作用,該區(qū)域流速急劇上升,外彎處出現(xiàn)渦旋現(xiàn)象,流速分布在3.4~27.6 m/s之間,流速分布不均勻,流場品質(zhì)較差。

        3 振動異常的處理及效果

        3.1 處理方案

        根據(jù)對一次風(fēng)機流場的模擬分析,提出以下處理方案。

        1)更換葉片、機殼。整套風(fēng)機葉片全部更換為高效葉型葉片,解決一次風(fēng)機動葉與后導(dǎo)葉相對角度匹配性不佳及原使用風(fēng)機葉片底截面角度偏小的問題;風(fēng)機機殼在長期使用過程中變形致使軸承箱偏離設(shè)計位置,不能保證風(fēng)機長期安全穩(wěn)定運行,采用加強型機殼,增強風(fēng)機軸承對負荷波動的適應(yīng)性[13]。

        2)風(fēng)道優(yōu)化。如圖5所示,根據(jù)風(fēng)道的數(shù)值模擬計算結(jié)果,優(yōu)化一次風(fēng)機出口圓節(jié)方風(fēng)道,將該部分適當(dāng)延長至5.4 m,中心夾角由14°降低至10°,優(yōu)化后圓節(jié)方風(fēng)道內(nèi)的氣流“發(fā)散”程度較原風(fēng)道有所降低,風(fēng)道內(nèi)壁渦流的范圍和強度均大幅下降, 降低渦流造成的局部流動損失,經(jīng)計算局部阻力系數(shù)可由0.3降低至0.16,同時可優(yōu)化風(fēng)機運行環(huán)境并降低風(fēng)機氣動噪聲。

        圖5 圓節(jié)方風(fēng)道優(yōu)化Fig.5 Optimization of square duct with circular section

        在一次風(fēng)機出口風(fēng)道90°轉(zhuǎn)彎處加裝導(dǎo)流板,提高風(fēng)道內(nèi)部流動均勻性。改型前,風(fēng)道內(nèi)彎處因流體聚集作用,該區(qū)域氣流速度急劇上升,外彎處則出現(xiàn)渦旋現(xiàn)象,流速分布不均勻,改型后,導(dǎo)流板提前分流使轉(zhuǎn)彎處的高速區(qū)和旋渦消失,大幅提升該區(qū)域流速分布的均勻性,提高流場品質(zhì)。

        3)風(fēng)機基礎(chǔ)二次灌處理。鑒于一次風(fēng)機軸承存在長期異常振動,雖沒有充足證據(jù)證明二次灌漿和安裝存在問題,為排除所有可能潛在隱患,更換機殼時一并拆除二次灌漿層,風(fēng)機基礎(chǔ)找正以后重新灌漿處理。

        3.2 處理效果

        按照一次風(fēng)機軸承振動異常的處理方案,在機組B級檢修中對2臺一次風(fēng)機進行了改造。檢修后投入運行,一次風(fēng)機軸承振動穩(wěn)定。改造后經(jīng)過三個多月的運行,機組正常運行、啟動及變負荷工況時,A一次風(fēng)機軸承振動值保持在 1.0~1.5 mm/s,B一次風(fēng)機軸承振動值保持在 1.5~2.0 mm/s,與修前振動值(4.0~6.0 mm/s)相比,振動情況明顯改善,而且振動值隨負荷波動情況比較穩(wěn)定,改造后一次風(fēng)機運行經(jīng)濟性也得到了一定提升。

        4 結(jié) 語

        一次風(fēng)機風(fēng)壓較高,普遍采用雙級動調(diào)葉輪組,雙級動調(diào)葉輪結(jié)構(gòu)本身較復(fù)雜,影響風(fēng)機軸承振動的原因較多,鍋爐運行時一次風(fēng)機軸承振動異常時有發(fā)生。一次風(fēng)機發(fā)生軸承振動異常時,除通過運行數(shù)據(jù)分析,查找振動原因,采取針對性日常維護及檢修措施外,還應(yīng)從風(fēng)機葉片及風(fēng)道運行工況對風(fēng)機軸承振動的影響方面著手,將一次風(fēng)機放在鍋爐運行系統(tǒng)中分析,找到引起風(fēng)機軸承振動異常的振動源,消除振動源,才能解決一次風(fēng)機軸承振動異常問題,保證一次風(fēng)機的穩(wěn)定運行。

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