盧福平,魯躍峰,李昊燃

(1.北京國電電力有限公司上灣熱電廠,內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017209;2.西安熱工研究院有限公司,陜西 西安 710049)

0 引言

燃煤電廠在國內(nèi)的設(shè)備客觀情況復(fù)雜,同時(shí)伴隨設(shè)備老化、偏離設(shè)計(jì)工況等不合理的問題,進(jìn)而引起振動問題高頻次發(fā)生。研究人員對此進(jìn)行了大量研究[1-6]。謝永慧等[7]研究了蒸汽輪機(jī)的阻尼圍帶長葉輪葉片的振動特性。王延博[8]對大型汽輪發(fā)電機(jī)組進(jìn)行了軸系不對中對設(shè)備振動影響的研究。楊利芳等[9]通過有限元計(jì)算分析得到風(fēng)機(jī)進(jìn)口消音器對風(fēng)機(jī)振動的影響效果。薛翔等[10]通過熱態(tài)試驗(yàn)、現(xiàn)場檢修和振動測試,分析得到某300 MW機(jī)組引增合一后引風(fēng)機(jī)振動原因。沈利等[11]通過加設(shè)再循環(huán)旁路風(fēng)道的措施,解決了密封風(fēng)機(jī)及出口風(fēng)道振動問題。由于火力發(fā)電廠設(shè)備繁多,振動原因復(fù)雜,針對一次風(fēng)機(jī)進(jìn)口消音器管道振動的研究相對較少。

某火電廠1、2號機(jī)組為循環(huán)流化床機(jī)組,每臺機(jī)組均配備兩臺豪頓華工程有限公司生產(chǎn)的型號為L2N 2344.02.93 SBL6T的單吸離心風(fēng)機(jī)。四臺風(fēng)機(jī)自進(jìn)行降低一次風(fēng)量的機(jī)組技術(shù)改造以來,均存在一次風(fēng)機(jī)進(jìn)口消音器管道振動劇烈的問題。本文采用多種方法及思路對該電廠振動問題進(jìn)行試驗(yàn)、分析、討論,找到原因。

1 設(shè)備概況及振動情況

1.1 設(shè)備概況

該機(jī)組為循環(huán)流化床機(jī)組,鍋爐為自然循環(huán)、單汽包、超高壓、單爐膛一次中間再熱,島式布置的循環(huán)流化床鍋爐,型號為DG520/13.7-I1型。機(jī)組主要性能參數(shù)如表1所示。

表1 機(jī)組主要設(shè)計(jì)參數(shù)

每臺機(jī)組風(fēng)煙系統(tǒng)配置豪頓華工程有限公司生產(chǎn)的型號為L2N 2344.02.93 SBL6T的單吸離心風(fēng)機(jī),額定轉(zhuǎn)速1 485 r/min,變轉(zhuǎn)速運(yùn)行,主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表2所示。

表2 一次風(fēng)機(jī)主要設(shè)計(jì)參數(shù)

1.2 振動情況

機(jī)組一次風(fēng)機(jī)進(jìn)口風(fēng)道存在振動偏大現(xiàn)象。振動歷史及振動特征如下:

(1)2009年機(jī)組投產(chǎn),一次風(fēng)機(jī)未加變頻器,定轉(zhuǎn)速運(yùn)行,無振動現(xiàn)象發(fā)生。

(2)2014年至2015年左右進(jìn)行了變頻改造和進(jìn)口消音器改造。改后出現(xiàn)一次風(fēng)機(jī)進(jìn)口消音器風(fēng)道振動現(xiàn)象。高負(fù)荷擋板門滿開時(shí)(100%開度),偶爾出現(xiàn)振動變大現(xiàn)象,因此,實(shí)際運(yùn)行過程中將進(jìn)口擋板開度固定在70%左右,調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速運(yùn)行。

(3)2021年下半年機(jī)組進(jìn)行技改,將總一次風(fēng)量最大由220 000 Nm3/h以上降至140 000 Nm3/h左右,改后低負(fù)荷工況下極易出現(xiàn)進(jìn)口風(fēng)道振動現(xiàn)象:高負(fù)荷期間進(jìn)口擋板開度固定在70%左右,利用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié),隨著負(fù)荷降低至120 MW以下開始出現(xiàn)振動現(xiàn)象,需將擋板開度降至40%左右才可避免振動現(xiàn)象的發(fā)生。

(4)兩臺機(jī)組四臺風(fēng)機(jī)的風(fēng)機(jī)型號、進(jìn)出口管道布置、消音器型式完全相同,振動特征也完全一樣。

2 振動實(shí)驗(yàn)測試及故障分析

2.1 振動實(shí)驗(yàn)測試

為了了解振動特征,對處于振動狀態(tài)下的風(fēng)道進(jìn)行振動測試。

機(jī)組實(shí)際負(fù)荷76 MW工況時(shí),通過調(diào)整風(fēng)機(jī)開度觸發(fā)風(fēng)道振動,并進(jìn)行測試。調(diào)整過程如下:調(diào)整期間機(jī)組負(fù)荷穩(wěn)定在76 MW,兩側(cè)變頻器頻率維持在70%左右,風(fēng)機(jī)開度從36%升至39%(其中B側(cè)風(fēng)機(jī)開度增加相對較大),A側(cè)熱一次風(fēng)量略微增加至70 078 Nm3/h,B側(cè)熱一次風(fēng)量略微減少至62 035 Nm3/h,此時(shí)B側(cè)一次風(fēng)機(jī)進(jìn)口風(fēng)道發(fā)生振動,A側(cè)風(fēng)道未振動,機(jī)組主要參數(shù)如表3所示。

表3 機(jī)組主要運(yùn)行參數(shù)

振動測試主要數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 振動測試數(shù)據(jù)(單位mm/s)

由以上數(shù)據(jù)可知:

(1)振動發(fā)生前后機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)未發(fā)生明顯變化;

(2)通過調(diào)整兩側(cè)風(fēng)機(jī)運(yùn)行出力配合,可以觸發(fā)振動發(fā)生;

(3)進(jìn)口風(fēng)道振動數(shù)值較大,主要存在13.13 Hz異常頻率。

2.2 振動故障分析

一次風(fēng)機(jī)熱態(tài)性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況點(diǎn)距離不穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)域較近,無足夠安全裕量,風(fēng)機(jī)運(yùn)行的可靠性較差,當(dāng)風(fēng)機(jī)變工況調(diào)節(jié)時(shí),易進(jìn)入非穩(wěn)定區(qū)域運(yùn)行。風(fēng)機(jī)在不穩(wěn)定區(qū)域運(yùn)行時(shí),流體在葉輪葉片表面易發(fā)生邊界層分離,使某個(gè)或數(shù)個(gè)葉輪流道發(fā)生堵塞,產(chǎn)生失速區(qū)(不穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)域)。失速區(qū)并不是固定于某個(gè)或某幾個(gè)葉片上,而是相對旋轉(zhuǎn)的工作輪作反向旋轉(zhuǎn),產(chǎn)生小于風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)頻率的頻率。同時(shí),風(fēng)機(jī)發(fā)生失速時(shí)做功能力下降,出力降低。

風(fēng)機(jī)發(fā)生失速時(shí)的流量、壓力的快速波動,可能會造成消音器流場發(fā)生急劇變化,產(chǎn)生振動?？梢酝ㄟ^對振動發(fā)生前后歷史SIS數(shù)據(jù)和振動期間振動測試數(shù)據(jù)分析,探究振動發(fā)生前風(fēng)機(jī)是否進(jìn)入不穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài),從而誘發(fā)消音器所在風(fēng)道振動。

根據(jù)每次振動發(fā)生時(shí)間,調(diào)取發(fā)生振動一側(cè)風(fēng)機(jī)的歷史SIS曲線,通過數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn):本次振動發(fā)生前,通過調(diào)整風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速及開度,1號機(jī)組B側(cè)一次風(fēng)機(jī)出力突然降低,風(fēng)機(jī)電流和出口壓力突然下降,風(fēng)機(jī)振動變大,現(xiàn)場消音器及所在風(fēng)道發(fā)生振動。振動期間風(fēng)機(jī)出口壓力稍有回升,但仍低于振前壓力值。之后通過提高風(fēng)機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速,使風(fēng)機(jī)出力增加,風(fēng)機(jī)出口壓力和電流明顯突然增大,風(fēng)機(jī)擺脫不穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài),現(xiàn)場振動消失。

2.3 頻譜分析

一次風(fēng)機(jī)入口風(fēng)道振動發(fā)生期間,對風(fēng)道進(jìn)行了振動測試,典型頻譜圖如圖1所示,振動頻率與風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)頻關(guān)系總結(jié)于表5。

圖1 風(fēng)道振動頻譜圖

表5 風(fēng)道振動頻率與轉(zhuǎn)頻關(guān)系

根據(jù)圖表數(shù)據(jù)可知:

(1)風(fēng)道振動頻率是變化的;

(2)風(fēng)道振動頻率與一次風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)頻成倍數(shù)關(guān)系,是轉(zhuǎn)頻的0.73～0.78倍。

根據(jù)離心風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)失速狀態(tài)下流體動力學(xué)特征的相關(guān)研究可知,風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)失速頻率一般是轉(zhuǎn)頻的2/3倍左右,受風(fēng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行性能、失速程度等影響,失速團(tuán)傳播頻率會略有變化。

綜上所示,本項(xiàng)目現(xiàn)場風(fēng)道振動特征頻率符合風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)失速頻率范圍。

3 振動解決方案

3.1 優(yōu)化風(fēng)機(jī)運(yùn)行方式

(A)優(yōu)化管網(wǎng)系統(tǒng)

降低一次風(fēng)機(jī)所在管網(wǎng)系統(tǒng)阻力,比如加強(qiáng)爐渣的清理或優(yōu)化爐床高度等,控制一次風(fēng)機(jī)出口壓力維持在較低水平,提高風(fēng)機(jī)失速安全裕度。

(B)優(yōu)化風(fēng)機(jī)運(yùn)行方式

現(xiàn)有調(diào)節(jié)方式下風(fēng)機(jī)效率較高,但是運(yùn)行工況點(diǎn)距離不穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)域較近,風(fēng)機(jī)運(yùn)行安全性較差。鑒于此,本節(jié)提出如下優(yōu)化思路:降低風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)門開度,適當(dāng)提高風(fēng)機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速,使風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況點(diǎn)遠(yuǎn)離不穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)域,兼顧安全性和經(jīng)濟(jì)性。根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)對日后風(fēng)機(jī)開度與轉(zhuǎn)速的調(diào)整配合提出以下建議:

(1)機(jī)組110 MW工況以下,可將風(fēng)機(jī)開度固定在30%～40%之間,僅通過調(diào)整轉(zhuǎn)速適應(yīng)負(fù)荷變化出力需求。

(2)機(jī)組110 MW工況以上,且風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速超過1 250 r/min,可增加風(fēng)機(jī)開度至50%～70%,適當(dāng)提高風(fēng)機(jī)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。

(3)機(jī)組負(fù)荷調(diào)整過程中(特別是降負(fù)荷過程),控制機(jī)組負(fù)荷變化率,盡量降低一次風(fēng)機(jī)開度和轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)速度,有利于風(fēng)機(jī)性能穩(wěn)定變化,避免風(fēng)機(jī)進(jìn)入不穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。

3.2 對風(fēng)機(jī)本體實(shí)施改造

為了減小風(fēng)機(jī)運(yùn)行在不穩(wěn)定區(qū)域的風(fēng)險(xiǎn),可選擇與現(xiàn)有一次風(fēng)機(jī)系統(tǒng)更加適配的風(fēng)機(jī)。根據(jù)風(fēng)機(jī)性能試驗(yàn)數(shù)據(jù),可得到新的風(fēng)機(jī)選型參數(shù),如表6所示。新的選型參數(shù)對應(yīng)的風(fēng)機(jī)風(fēng)量和風(fēng)壓均小于原設(shè)計(jì)參數(shù),電機(jī)和變頻器可利舊。

表6 新風(fēng)機(jī)選型參數(shù)

3.3 對消音器所在風(fēng)道壁面進(jìn)行優(yōu)化

當(dāng)一次風(fēng)機(jī)在不穩(wěn)定狀態(tài)下運(yùn)行時(shí),其風(fēng)量會發(fā)生明顯的波動,造成消音器所在腔室產(chǎn)生氣流脈動。由于消音器腔室壁面為8 mm厚的孔板、玻纖布、憎水玻璃棉等軟質(zhì)復(fù)合透氣材料組成,在氣流脈動的作用下其軟質(zhì)壁面會產(chǎn)生與風(fēng)機(jī)不穩(wěn)定運(yùn)行頻率同步的扇動,進(jìn)而帶動整個(gè)框架振動。

因此,將消音器所在腔室的壁面由軟質(zhì)材料更換成硬質(zhì)不透氣材料,可解決壁面隨氣流脈動扇動的問題。若對煙道壁面材質(zhì)進(jìn)行更換,需根據(jù)增加的重量對煙道支撐強(qiáng)度進(jìn)行校核。

4 結(jié)論

針對某機(jī)組一次風(fēng)機(jī)進(jìn)口消音器管道振動劇烈的問題,本文通過理論計(jì)算、振動測試、現(xiàn)場風(fēng)機(jī)性能試驗(yàn)、數(shù)值模擬計(jì)算等多種方法,排除了卡門渦街引起的聲學(xué)共振問題。通過振動測試、風(fēng)機(jī)試驗(yàn)和數(shù)值模擬,確定了主要原因。最后,根據(jù)提出方案進(jìn)行運(yùn)行優(yōu)化調(diào)整,解決消音器管道振動問題,目前風(fēng)機(jī)運(yùn)行良好。

由于離心風(fēng)機(jī)失速范圍小,在火電機(jī)組運(yùn)行中,與其相關(guān)的振動問題主要是由動平衡、軸承故障、對中不齊等因素引起的,而由于其本身氣動性能原因引起的消音器管道振動問題比較少見。本文解決該問題的思路和方法對以后相關(guān)問題的處理具有明顯的借鑒和指導(dǎo)意義。