火電廠增壓風機低頻調幅振動特征測試分析

潘作為，梁雙印，安宏文，柳亦兵

（1華北電力大學　能源動力與機械工程學院，北京102206；2北京能源投資有限公司，北京100022）

火電廠增壓風機低頻調幅振動特征測試分析

潘作為1，2，梁雙印1，安宏文1，2，柳亦兵1

（1華北電力大學能源動力與機械工程學院，北京102206；2北京能源投資有限公司，北京100022）

某800 MW火電系統的兩臺增壓風機在運行過程中均出現異常振動現象，監控系統數據顯示，風機振動的幅值呈現周期性的低頻波動現象。對兩臺增壓風機的振動進行現場實測，深入分析振動信號的時域和頻域特征，結果表明，葉輪旋轉頻率成分的幅值隨時間發生周期性變化，是造成風機振幅周期性低頻波動的原因。兩臺增壓風機發生相同的異常振動現象，表明風道內流體的耦合作用對葉片載荷產生影響，據此給出解決異常振動問題的技術建議。

振動與波；火電廠；增壓風機；低頻調制

風機故障是引起火電機組非計劃停運的主要原因之一［1］，特別是鍋爐煙氣系統中的引風機和增壓風機，由于工作條件差，經常出現異常運行狀態。近年來，我國對火電廠鍋爐煙氣污染物排放的要求很高，提高鍋爐煙氣系統設備的運行安全可靠性，對于鍋爐煙氣減排質量將產生直接影響。長期以來，國內外研究人員一直開展針對各種火電廠風機類設備的振動監測故障診斷研究，取得了很多成果，許多火電廠運行監控系統都對引風機和增壓風機的振動進行監測［2，3］，根據振動的變化對風機的異常運行狀態進行判斷。但是電廠監控系統的振動數據只反映設備振動有效值的大小，對異常運行狀態不能給出詳細的故障診斷信息，需要通過附加振動測試和深入分析風機的振動特性，對異常狀態的原因作出診斷。不同火電廠的風機類型、型號、結構及通風系統布置存在差異，可能出現各種不同類型的異常振動現象，因此多積累分析經驗和案例，對于現場快速分析診斷故障非常重要。文獻［4-10］給出了多個火電廠風機設備各種類型故障分析的典型案例。

某火電廠800 MW機組鍋爐煙氣系統的兩臺增壓風機在運行過程中均出現異常振動現象，監控系統數據顯示，兩臺風機的振動幅值均出現周期性的低頻波動現象，即風機振動的幅值被一個周期性的低頻成分調制。對兩臺風機的運行進行現場振動實測，通過對振動信號頻譜特征的深入分析，確定異常振動特征，并對原因進行診斷，給出解決異常振動問題的技術建議。

1　設備及振動測試描述

1.1增壓風機設備描述

某800MW火電機組的鍋爐煙氣系統原設計配備兩臺功率5MW的引風機，其排風口通道匯在一起，將鍋爐煙氣輸送到煙囪。該系統經過脫硫改造，增加兩個并聯的脫硫系統，各配一臺5MW的增壓風機，形成如圖1所示煙氣系統。

圖1　煙氣系統布置示意圖

圖2　 1#增壓風機運行監控數據

該系統的兩臺增壓風機在運行過程中出現異常振動現象，監控系統的數據顯示，風機振動幅值呈現較大幅度的周期性低頻波動，引起運行人員注意。圖2示出一段現場計算機監控系統記錄的機組升負荷過程中的運行數據，時間長度為4小時（10:00點—14:00點）。其中11:00開始并網升負荷，12:00機組負荷負荷升到550 MW附近，然后開始穩定運行。圖中顯示的是1#增壓風機的流量、出口壓力和風機振動有效值的變化曲線。可以清楚看出，升負荷過程初期，風機振動監測數據就出現周期性波動現象。在整個升負荷和穩定運行階段，這種振幅的周期性波動現象一直存在，波動的幅度受負荷變化的影響較小。在整個升負荷過程中，振幅的波動頻率一直較高，當升負荷過程結束，進入穩定負荷運行狀態，風機振幅波動頻率跳變到較低頻率，并基本保持穩定。

圖3　增壓風機及其支撐軸承結構示意圖

表1列出根據記錄數據計算的，在不同負荷下兩臺增壓風機振幅波動的峰峰值和波動頻率。在升負荷過程中，機組負荷上升到300 MW時，兩臺風機振幅的波動范圍（峰峰值）分別為13 μm和7 μm；波動頻率約為0.018 Hz，相應的波動周期約為56 s。進入穩定運行狀態后，兩臺風機振幅的波動范圍（峰峰值）分別變為15 μm和10 μm，略有上升；而波動頻率下降到0.006 5 Hz，對應的波動周期約為154 s。

該系統的增壓風機為動葉可調軸流式風機，結構如圖3所示。由驅動電機通過聯軸器與風機葉輪轉子連接。驅動電機額定功率為5 MW，額定轉速740 r/min。風機葉輪上安裝16個動葉片，通過液壓調節機構實現動葉片角度的調整。

表2　增壓風機支承軸承型號及特征頻率/Hz

風機的主軸承箱位于葉輪后端（出風方向），軸承箱內的支承結構由兩個單列滾子軸承和三個向心球軸承組成。各滾動軸承的型號及特征頻率見表2。驅動電機轉子兩端用滑動軸承支撐。

表3列出可能引起增壓風機振動的幾個主要振源的特征頻率，表中n為葉輪轉速（r/min）。

1.2現場振動測試

用多通道便攜式振動測試儀器對兩臺增壓風機進行現場振動測量，在每臺風機靠近葉輪的殼體上和驅動電機軸承座上安裝振動加速度傳感器，圖4示出風機上振動傳感器安裝部位。傳感器輸出信號經過電荷放大器、前置放大器和濾波器后接入計算機數據采集板進行數據采集，并存入計算機進行分析處理。使用多通道振動測量系統按照內部程序設定的采樣頻率，對兩臺風機上的振動信號進行同步采集。

表3　增壓風機主要振動特征頻率

圖4　風機振動測量傳感器安裝圖

2　振動信號分析

2.1風機振動信號特征

圖5示出1#增壓風機在穩定運行狀態下（480 MW負荷），風機殼體上垂直和水平方向振動的實測信號。可以看出，在顯示的10秒鐘時間段內，振動信號幅值平穩，沒有明顯的周期性調幅現象，振動信號的峭度指標在3附近，表明信號呈明顯的隨機特征。由于監控系統顯示的該增壓風機振幅值波動的頻率約為0.006 5 Hz（153.8 s），因此在10 s的時間尺度內看不出該異常振動引起的幅值波動，振動信號時域分析不能提供進行異常原因診斷的信息。

圖5　增壓風機振動信號

圖6　風機振動信號頻譜

2.2風機振動頻譜特征

為了確定導致風機振動幅度低頻調制現象的頻率成分，對測量振動信號進行頻譜分析，圖6示出兩臺風機振動的頻譜。上圖為垂直方向振動，下圖為水平方向振動，分析頻率范圍為400 Hz，頻譜計算采用40次平均。可以看出，兩臺風機上相同測量部位的振動頻譜很接近。頻譜中即包括了突出的葉輪轉頻（12.3 Hz）及其低階諧波和葉片通過頻率（197.3 Hz）成分，也出現一些結構共振引起的窄帶峰值。但是沒有明顯的軸承故障特征頻率，表明兩臺風機都沒有出現軸承故障。

進一步通過觀察振動信號頻譜隨時間的變化，判斷哪些頻率成分是導致振動幅值低頻波動的原因。圖7示出1#風機的垂直和水平振動信號的頻譜瀑布圖，顯示的時間軸長度為15 min。由于振動頻譜中只有旋轉頻率成分的幅值隨時間發生變化，因此為了便于觀察分析，將頻譜的顯示頻率范圍選為0～50 Hz。從瀑布圖中可以清楚看出，兩個方向上振動信號的旋轉頻率成分的幅值隨著時間產生周期性波動，在圖中顯示的15分鐘時間段內，共發生了6次波動，波動周期約為153 s，相應的波動頻率約為0.006 5 Hz。除此之外，振動信號中還包含較強的二倍轉頻成分，但是其幅值不隨時間變化，表明二倍頻成分不是導致振動幅度低頻波動的原因，二倍頻振動大表明葉輪轉子可能存在對中問題。

圖8為2#增壓風機垂直和水平振動信號的頻譜瀑布圖。該風機同樣出現旋轉頻率成分的幅值隨時間發生周期性波動的現象，波動頻率與1#風機相同，約為0.006 5 Hz。2#風機的旋轉頻率振動大于1#風機，但是2#風機沒有突出的二倍轉頻成分，說明葉輪轉子對中狀態好于1#風機。

圖7　 1#增壓風機振動頻譜瀑布圖

圖8　 2#增壓風機振動頻譜瀑布圖

旋轉頻率成分的周期性變化表明作用于風機軸承上的載荷狀態發生了變化。該增壓風機的支撐軸承為5個軸承的組合形式（見圖2），其中三個相同型號的向心滾子軸承（FAG 7252 B）同時承受徑向和軸向載荷。這種三軸承結構的軸承間隙不容易調整，間隙往往較大，易受葉輪上作用的徑向和軸向載荷變化的影響，從而產生旋轉頻率成分的變化。

上述頻譜分析清楚表明，兩臺增壓風機同時出現的幅值周期性波動的異常振動現象，其振動特征完全相同，均是由葉輪旋轉頻率成分的周期性波動造成，振動信號中的其它頻率成分沒有發生相應的周期性波動變化。此外，振動分析表明，兩臺風機的葉輪轉子均未發生明顯的結構故障（軸承、轉子、動葉片故障等）。根據上述振動分析結果，結合煙氣脫硫系統的結構和增壓風機運行特點，這種風機振動幅值的低頻波動現象可以診斷為，兩個并聯增壓風機進出口風道內的流體存在相互間的耦合作用，其結果是導致兩臺風機的葉輪載荷產生周期性變化，作用于葉輪支撐軸承結構，從而導致風機振動中旋轉頻率成分的周期性波動。建議對風機軸承的間隙進行調整，或者如果條件允許，改變三個向心滾子軸承支撐的結構形式，以減小旋轉頻率成分對載荷變化的影響。但是需要深入分析研究兩個并聯脫硫系統風道內流體的相互間耦合作用的機理和特征，從根本上確定增壓風機異常振動的根源并采取措施進行消除。

3　結語

針對某大容量火電機組的兩臺增壓風機出現的周期性低頻振幅波動現象，進行現場振動實測，深入分析兩臺風機振動信號的時域和頻域特征，結果表明，風機葉輪旋轉頻率成分的幅值隨時間發生周期性變化，是造成風機振幅周期性低頻波動的原因，而且兩臺增壓風機的異常振動特征完全相同，表明兩個并聯的脫硫系統風道內流體的存在耦合作用，對葉片載荷產生影響，導致風機振動中旋轉頻率成分的周期性波動。據此給出解決異常振動問題的技術建議。

［1］王鵬.2001年200 MW及以上容量火電機組主要輔助設備運行可靠性指標分析［J］.電力設備，2002，3（3）：68-70.

［2］胡佰龍，周一卉.鍋爐多級網絡監測系統設計與實現［J］.自動化儀表，2012，33（1）：32-34.

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［4］沈安文，趙方亮.基于DSP的風機振動監測系統［J］.自動化儀表，2006，27（4）：36-38.

［5］米江，紀國宜.改進的BP神經網絡在風機故障診斷中的應用［J］.噪聲與振動控制，2011，31（2）：94-98.

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Measurement andAnalysis of the Low-frequency Vibration Amplitude Modulation in Flue-gas Desulfurization Fans

PAN Zuo-wei1，2，LIANG Shuang-yin1，AN Hong-wen1，2，LIU Yi-bing1
（1.School of Energy，Power and Mechanical Engineering，North China Electric Power University，Beijing 102206，China；2.Beijing Energy Investment Holding Co.Ltd.，Beijing 100022，China）

Two desulfurization fans in the flue-gas desulfurization system of an 800 MW thermal power plant had abnormal vibration.Condition monitoring data showed that there was a periodic low-frequency amplitude fluctuation phenomenon in the fan's vibration.Then，the vibration of the two desulfurization fans was measured，and the characteristics of the vibration signals were analyzed in both time-domain and frequency domain.Results of analysis show that periodic variation of the amplitude of the rotating frequency components is the main reason of the low-frequency fluctuation.And the abnormal vibrations of the two desulfurization fans have the same characteristics.

vibration and wave；power plant；flue gas desulfurization fan；low-frequency amplitude modulation

TH432.1

ADOI編碼：10.3969/j.issn.1006-1335.2015.05.042

1006-1355（2015）05-0198-04

2015－01－05

潘作為（1981－），男，博士研究生。遼寧省遼中縣人。研究方向：能源及火力發電領域運行及檢修維護研究。

E-mail:714394173@qq.com

柳亦兵，男，博士生導師。

E-mail:lyb@ncepu.edu.cn