一起由變頻器故障引發的二倍頻振動案例分析

安如山郭瑞濤

(河北邯峰發電有限責任公司,河北 邯鄲 056200)

二倍頻是振動頻譜中的常見現象,在振動頻譜分析中,造成設備二倍頻振動的主要原因有:聯軸器不對中、軸彎曲、軸承安裝問題、機械松動、階次共振等,而變頻器故障造成該類振動的研究較少。在一次凝結水泵振動超標故障診斷中,發現變頻器出現了問題。

1 設備概況

河北邯峰發電有限責任公司(簡稱“邯峰電廠”)1號、2號汽輪發電機組為德國SIEMENS公司制造的660 MW 汽輪發電機組,一期工程安裝4臺凝結水泵。為進一步降低凝結水泵的廠用電率,2006年對11號凝結水泵進行了變頻改造。

凝結水泵變頻改造之后,通過調整凝結水泵轉速來控制流量,隨著凝結水泵轉速的降低,減小了節流損失的同時,也降低了水泵的振動,凝結水泵的振動長期處在1 mm/s以下。根據《華能國際電力股份有限公司企業標準Q/HPI-1-017-2014旋轉機械振動檢測及診斷技術規范》中關于額定功率大于15 k W 多葉片葉輪并與原動機分開連接的泵/風機(離心式、混流式或軸流式)的振動判斷標準,華能邯峰電廠凝結水泵的振動遠低于“剛性支撐類型A/B 區域邊界標準”2.3 mm/s,長期處于“A”(良好)區域。表1為該振動判斷標準。

表1 分開連接的泵/風機(離心式、混流式或軸流式)的振動判斷標準

2 故障情況及原因分析

2019年02月21 日,1號機組11號凝結水泵運行中突然發生較大振動和噪音,要求檢修人員立即到現場處理。通過對11號凝結水泵進行了振動測量發現:11號凝結水泵軸瓦水平振動值為8.872 mm/s,超過了“剛性支撐類型C/D 區域邊界標準”(7.1 mm/s),處于“D”(振動導致損壞)區域,需要立即停運查找原因。隨即停運11號凝結水泵,倒為12號凝結水泵工頻運行。

2.1 振動頻譜表現

圖1為11號凝結水泵突發振動前后的頻譜圖對比,(實線為突發振動前頻譜,虛線為突發振動后頻譜)從圖中可以看出,11號凝結水泵正常運行期間,設備各振動成分的振動值都非常小,水平振動有效值只有0.653 mm/s,遠低于振動警告值。振動故障發生后,11號凝結水泵水平振動有效值急劇增加,振動有效值從0.653 mm/s變化至8.872 mm/s,增幅達12.6倍。各倍頻振動成分均有一定增幅,其中二倍頻附近有一個明顯波峰,振動頻率38.672 Hz,單成分振幅7.494 mm/s,是引起11號凝結水泵振動的主要原因。如圖1所示。

圖1 11號凝結水泵故障發生前后振動頻譜對比

2.2 振動頻譜分析

2.2.1 故障可能原因分析

設備停運后,根據設備頻譜表現,總結出可能出現的幾種原因,加以一一排除。總結可能原因如下:

a.凝結水泵泵組中心不正或聯軸器損壞。

b.凝結水泵推力瓦或導瓦磨損。

c.凝結水泵的階次共振。

d.電機軸承故障。

e.電氣原因,變頻器輸出故障。

2.2.2 故障可能原因排查

a.凝結水泵泵組中心不正或聯軸器損壞。設備停運后分別對電機座螺栓、聯軸器及其螺栓進行檢查,均未發現異常。重新復查中心,各項數值均在標準范圍內,因此排除凝結水泵泵組中心不正或聯軸器損壞造成水泵振動超標原因。

b.推力瓦或導瓦磨損。設備運行期間,一旦瓦塊出現磨損,將影響軸承室潤滑油品質,使得潤滑油變黑。通過11號凝結水泵軸承箱放油觀察,發現11號凝結水泵放出的潤滑油顏色正常,油中無磨損的鎢金碎屑出現,因此可以排除推力瓦磨損原因。

c.階次共振。在11號凝結水泵試運過程中,發現凝結水泵在1 100～1 200 r/min期間的振動較大,懷疑可能會有階次共振的現象產生。通過對11號凝結水泵進行了錘擊實驗發現,11號凝結水泵的固有頻率為174.141 Hz,與發生振動的頻率無關,所以階次共振原因可以排除。

d.電機軸承故障。圖2為凝結水泵電機驅動端水平加速度頻譜圖,從圖中可以看出,11號凝結水泵電機驅動端水平加速度峰值只有9.263 m/s2,即0.945 g(1 g=9.8 m/s2),且振動加速度與突發振動前無較大變化。說明電機驅動端軸承雖然有輕微損傷,但不是造成振動的主要原因。

圖2 電機軸承振動加速度頻譜

e.電氣故障。在對頻譜的分析過程中,發現圖中一倍頻頻率為19.219 Hz,其振動主要成分的頻率為38.672 Hz,并不是一倍頻的整數倍成分。即在頻譜中看到的二倍頻,只能稱之為“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,或者和電機的轉速構成諧振頻率關系,造成水泵振動超標。為徹底排除變頻器故障原因,通過在隔離變頻器的條件下試運11號凝結水泵,其頻譜如圖3所示。

從圖3中可以看出,11號凝結水泵的振動成分主要是一倍頻和七倍頻及其低噪。各項振動成分振幅最大均未超過1.2 mm/s,通頻振動有效值為4.197 mm/s,未超過4.5 mm/s的“B/C”區域邊界標準,處于“B”(合格)范圍內。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號凝結水泵振動頻譜

分析認為,一倍頻的原因是轉子的輕微不平衡,七倍頻及其低噪產生的原因是水泵汽蝕和出口節流引發的“氣穴現象”,造成振動的主要成分“疑似兩倍頻”消失了。

由此推斷,造成11號凝泵振動的主要原因是變頻器故障造成的輸出信號紊亂或者與電機的轉速構成諧振頻率關系。

2.2.3 故障原因確認

為確認排查結果,經查閱資料發現:變頻器的三相輸出不平衡,一般表現為馬達抖動,轉速不穩;變頻器帶電機抖動的具體表現為,電機轉速快半圈慢半圈[1]。所以,在變頻器故障的條件下,電機每轉一圈,在一個方向上就會產生兩次激勵,從而引發較高幅值的“二倍頻”。又因為其轉速在一個旋轉周期內快半圈慢半圈的原因,振動頻率與普通的二倍頻有微小的差異,造成“疑似兩倍頻”現象。

根據上述推斷,加之此次振動為突發性振動,并非凝結水泵的長期缺陷,可以確認振動的原因就是變頻器故障導致。

3 處理措施及效果

根據缺陷分析結論對變頻器實施檢修,檢修中發現11號凝結水泵變頻器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,開泵一次成功,現場測試振動恢復正常。

圖4為消除變頻器故障前后11號凝結水泵振動頻譜對比圖。圖中虛線部分為2019.02.21突發振動時的頻譜,實線部分為消除變頻器故障后的頻譜。從圖中可以看出,各振動成分均大幅下降,其中“疑似二倍頻”成分完全消失。水平振動的通頻值由8.872 mm/s降為0.839 mm/s,11號凝結水泵重新回歸至“A”(良好)區域內。

圖4 消除變頻器故障后11號凝結水泵 振動頻譜對比

4 結論

a.振動頻譜分析是設備故障判斷的主要手段,頻譜分析的難點在于振動成分與設備故障并非一一對應的關系。機械設備只有受到激勵,才能產生響應。激勵是因,響應是果。振動產生的根源是激勵,振動頻譜產生的類型與設備受到激勵的方式息息相關。

b.從振動機理分析設備故障,分為2個推理方向:首先是反向,根據頻譜判斷受力;其次是正向,根據受力判斷頻譜。當這2個過程的前后特征符合時,就可以確認設備的故障類型。在上述案例中,從“非標準二倍頻”推算出設備的旋轉周期異常,而變頻器故障可以引起電機出現“快半圈,慢半圈”的現象,兩者均推算出相同的特征,以此確認了設備振動原因為變頻器故障。

c.迫于環保節能壓力,現代電廠的很多大型用電設備,廣泛使用變頻裝置。做為一個電子產品,不可避免的會出現許多缺陷和故障,為設備維護帶來新的課題。文中通過發現疑似二倍頻的振動成分,逐步排查故障原因,最終發現此振動成分為變頻器三相輸出電壓不平衡造成,從而引起11號凝結水泵振動超標。為以后的發現類似振動成分的故障分析,提供了新的研究方向。