電站風機振動故障診斷的方法研究

柳 磊，王新良，王 東，劉 成，馬國偉

(國電科學技術研究院有限公司銀川分公司，銀川 750011)

0 引 言

對于火電機組，除鍋爐、汽機、發電機以外，風機、泵等輔機設備也是其重要組成部分。尤其作為鍋爐重要輔機設備的各類型風機，對保證鍋爐的安全穩定運行起到至關重要的作用。電站風機按其結構形式可以分為軸流式風機和離心式風機[1]，前者又可以分為一級、兩級動葉可調軸流式風機。按照功能可以分為：一次風機、送風機、引風機等。

電站風機的故障種類很多，文章從旋轉設備的振動特性出發，研究電站風機的振動故障特性及其診斷方法。研究表明，引起旋轉設備振動故障的主要原因有：不平衡、轉動部件松動、基礎連接剛度降低、軸承損壞等[2-4]。

依據電站風機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，對電站風機振動故障特征、診斷及解決措施進行分析研究。

1 電站風機振動故障的分析法

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行信號處理分析，最后輸出測試數據至計算機，振動測試分析原理如圖1所示。工程師依據測試經驗及測試數據，分析給出振動故障的原因及相應的處理措施。值得關注的是，隨著FFT快速傅里葉算法的廣泛應用，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確性得到提高。

圖1 電站風機振動測試分析圖

風機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)的速度傳感器應用最為廣泛，該傳感器測量1 mm/s的振速對應傳感器輸出20 mV的直流電壓，該信號經過振動測試儀器的運算輸出幅值(有效值、峰峰值，常見為峰峰值)、振速等數據，并可以依據測試數據，提供故障風機的振動頻譜圖、伯德圖等。

2 振動故障的診斷

2.1 不平衡振動故障的診斷

由于早期國家環保要求低，電站鍋爐的電除塵、脫硫、脫硝設備存在煙氣旁路，為降低環保運行成本，高塵、高腐蝕性煙氣不經處理直接流經風機排到大氣，此時電站引風機常常出現由于葉輪腐蝕、積灰造成的不平衡振動故障。近些年來，受國家環保政策影響，煙氣旁路被拆除，較少出現上述原因導致的不平衡振動故障。

除此之外，受設備安裝、檢修等因素影響，電站風機常出現不平衡振動故障。如：某300 MW機組2號爐A送風機(一級動葉可調軸流式風機)在檢修更換執行機構平衡錘后，出現不平衡振動故障，后經稱重發現，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：轉速一定時振動幅值及相位穩定、一倍頻分量占通頻幅值70%以上、多次啟動振動再現性好。

對于振動相位穩定，一倍頻分量占通頻幅值70%以上的振動，通常可以采用現場高速動平衡的方法消除振動故障。電站風機中，除個別小型離心式風機(如：磨煤機密封風機，轉速為3 000 r/min，電機電壓為380 V)，其他大型電站風機轉速通常為1 500 r/min、1 000 r/min(電機電壓等級6 kV)。對于電站風機，通常認為其為剛性轉子，其動平衡試驗方法也較汽輪機發電機等柔性轉子動平衡簡單。可采用單平面加重的動平衡試驗方法[6-9]，通常的步驟為：

1)測量出風機軸承處的水平、垂直方向振動幅值及其相位角度。

2)加重位置的選擇。依據平衡加重方法，首先計算出加重位置，由于假定電站風機轉子為剛性轉子，其機械滯后角為0。

3)加重量的選擇。如果已知影響系數，可利用向量運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，啟動風機再次測量振動數據,依據加重后風機振動情況，計算得出影響系數。

5)利用影響系數計算得出第二次加重量及加重方向。

6)第二次加重后，啟動風機測量風機振動情況。

7)通常進行到這一步，風機振動故障已經得到消除，動平衡試驗結束。

以某330 MW電站2號爐A送風機(一級動葉可調軸流式風機)為例，該風機額定轉速1 490 r/min，為沈陽鼓風機有限公司生產制造的ASNl950-1000一級動葉可調軸流式風機，該風機在更換動葉平衡錘后，由于旋轉部件質量分布不均引起不平衡振動故障，其動平衡試驗情況如下：檢修后首次啟動，風機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向4°，如圖2所示。

圖2 某送風機動平衡試加位置計算圖

依據測試經驗，試加重量定為306 g，加重后啟動風機，風機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α為0.802∠342°。利用影響系數法計算得出，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 某電站送風機動平衡試驗記錄表

2.2 軸承損壞的振動故障

受檢修周期及軸承運行壽命影響，由軸承失效引起的電站風機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，失去了原設計要求的精度，雖然能轉動，但其狀態已屬異常，表現為振動和溫度變化，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。據統計數據表明，電站風機軸承的失效形式多為精度失效。

電站風機軸承較多采用圓柱滾子軸承，隨著機組負荷頻繁調節，風機的載荷也隨著負荷頻繁變化，從而導致軸承失效引起的風機振動故障頻發。通常引起軸承故障的原因有：軸承接觸面過熱、點蝕、潤滑油質污染、潤滑失效、較大的動載荷、轉配間隙過大等。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。該類故障較難監控，一旦發現，軸承失效已經發展到了中后期，此時振動故障特征較為明顯，即頻譜中出現軸承對應的特征頻率[10-11]。風機軸承包括四部分：滾動體、保持架、內圈、外圈。四部分對應的特征頻譜不同，如：某電站一次風機采用N2206圓柱滾子軸承，其在額定轉速(1 495 r/min)下對應的軸承內圈特征頻率(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機的振動故障信號，通過FFT傅里葉變換等一系列數據處理，輸出振動信號的頻譜數據。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機振動故障診斷中最為關鍵的一點。

以某電廠2號爐A一次風機振動故障為例，該風機為國產某公司生產的離心式送風機。該風機由一臺異步電動機驅動，額定轉速為1 485 r/min，結構簡圖如圖3所示(1號、2號軸承均采用圓柱滾子軸承，型號為NU220E)。

圖3 某一次風機結構簡圖

該風機自投產以來，振動情況良好，2017年8月經過B級檢修后，初次啟動過程中，該風機振動值突然增大，后停機復查中心、軸承間隙及地腳螺栓等，均未發現問題。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，嚴重威脅到機組的安全穩定運行。

通過對該風機進行振動測試，對所得振動數據進行綜合頻譜分析，發現測試中，1號軸承水平方向振動數據的頻譜圖中有高頻(5.83X，170.87 Hz)分量出現。根據軸承手冊，查得1號軸承NU220E為加強型圓柱滾子軸承，其在1 485 r/min額定轉速下對應的軸承內圈特征頻率(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。據此，認為該軸承存在失效，此為振動增大的主要原因。

由于此時振動已經較大，接近保護動作值(7.1 mm/s)，故建議立即停機處理，后解體檢查發現，1號軸承1、2、3點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號軸承內圈接觸面磨損嚴重。更換新軸承后，風機振動值較小，風機帶負荷過程中，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，具體如表2所示。

圖5 1號軸承磨損位置圖

表2 一次風機軸承更換前后振動測試數據表

1號軸承內圈接觸面有明顯的磨損凹痕。風機小修后啟動過程中，1號軸承在水平和垂直方向突發激振力的作用下，使軸承內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，使得軸承出現精度失效。軸承的精度失效，是造成該風機振動增大的主要原因。

3 結 語

造成當前電站風機振動故障的兩個主要原因為不平衡及軸承失效。結合振動故障案例，給出了診斷分析過程及解決措施。為此，利用頻譜分析法，總結得出電站風機振動故障的一般診斷分析法：

1)通過振動測試，測得故障風機的振動數據；

2)利用頻譜分析，查找振動故障原因對應的特征頻譜；

3)依據特征頻譜，確定電站風機的振動故障原因及處理措施。