300 MW機組離心式一次風機振動分析及處理措施

吳佳偉

(中國石油集團電能有限公司 熱電一公司，黑龍江 大慶163314)

0 引 言

某熱電廠4號機組長期存在一次風機進口風道噪聲超標、進出口風道振動、風機機殼破損等故障，電廠技術人員采用了一系列手段進行治理，然而效果不佳，問題一直沒有解決。風道因振動產生裂紋，嚴重時造成一次風壓下降，無法保證4臺中速磨煤機正常運行。為查找4號機組一次風機振動及噪聲產生原因，2019年在4號機組停機檢修前，通過對振動數據、熱態試驗進行數據分析，找到故障原因，制定解決措施。

1 設備概況

4號爐300 MW機組配備2臺SFG22F-C5A型單吸雙支撐離心式一次風機。葉輪由葉片、前盤、后盤等組成，10片后向機翼型葉片焊接于弧形的前盤與平板行后盤間。一次風機進、出口為軟聯接，由法蘭及非金屬柔性膨脹節組成，風機的設備性能與技術性能參數見表1、表2。

表1 一次風機設備性能

表2 一次風機技術性能

2 存在問題

針對4號機組一次風機存在的進口風道噪聲超標、進出口風道振動以及風機機殼破損等系列故障，該廠采用了一系列措施進行治理。在處理風道裂紋期間，4號爐B一次風機在投入變頻運行后，連續三次出現運行中突然振動加劇，風機停止運行。停運后，檢修人員檢查沒有發現任何問題，風機再次投入運行一切參數正常，轉入工頻運行后再沒有出現突停現象。2014年該廠對一次風道外部及內部進行了加固工作(使用鋼材大約42 t)。經過2015年運行，風道損壞問題得到緩解。風道表面裂紋減少，一次風機供風量滿足中速磨煤機運行需求。但在2015年檢修時發現，一次風機內部集流器及機殼風箱損壞嚴重，沿集流器及機殼邊沿出現大面積裂紋，最嚴重狀況，出現了一次集流器損壞，停爐處理故障，且A、B一次風機風道入口側均出現長達1 000 mm的裂紋(入口沒有進行二次加固)。以上現象表明，一次風道內振動問題沒有真正解決，風道振動問題只是得到緩解，振動由表面轉入到風機內部，振源依然存在。

3 振源查找與分析

為查找4號機組一次風機振動及噪聲產生原因，2019年4月該廠在4號機組停機檢修前，技術人員對一次風機本體、進出口風道及暖風器本體進行了振動測試。數據表明，隨著鍋爐蒸發量的增大，一次風機轉速及進出口流速也隨之增大，導致風機本體和風道的振動隨著負荷的增大呈現上升趨勢，在發電負荷高于282 MW時，一次風機暖風器發出強烈的噪聲，因此在大負荷下對一次風機本體、進出口風道及暖風器本體的振動進行了分析。

3.1 風機本體振動測試及原因分析

表3、表4中給出了大負荷(282 MW)試驗期間，一次風機本體的振動值，從中可以看出4B一次風機及電機振動均保持在較小水平，而4A一次風機則表現為軸向振動偏大，尤其是驅動端軸承軸向振動超標。

圖1至圖3中給出了4A一次風機本體水平、垂直、軸向的振動頻譜，可以看出，4A一次風機的振動峰值主要表現為轉速1倍頻(圖3)，其軸向振動在頻率f=23.33 Hz時，振速v=5.456 mm/s達到峰值。確定振源來自機械傳動部分，主要排查4A一次風機聯軸器對中程度及其兩端軸承的地腳螺栓緊固程度。

表3 4A一次風機各點振速對比分析

表4 4B一次風機各點振速對比分析

圖1 水平方向振動頻譜

圖2 垂直方向振動頻譜

圖3 軸向方向振動頻譜

3.2 一次風機進、出口風道振動測試及原因分析

通過測試一次風機進出口風道內氣流的壓力波動值(見表5)，可知一次風機進出口風道內壓力波動頻譜非常雜亂，特征頻率從4.2 Hz到477 Hz不等，同時風道內壓力波動偏大，進口壓力波動值最高達389 Pa，而出口壓力波動值最高達914 Pa。從以上數據可以看出，目前一次風機進出口風道內氣流非常紊亂，需要對一次風機進出口風道優化，降低進出口風道壓力波動值[1]。

表5 一次風機進出口風道氣壓波動數據

對于一次風機進出口風道優化原則，總體上進口風道的優化目的主要以均流為主，即提高一次風機入口氣流分布均勻度，因為一次風機入口氣流分布會對一次風機本體設備氣動性能產生非常大的影響。出口風道優化主要以降阻為主，因為出口氣流均勻度不會對一次風機氣動性能產生較大影響，但是阻力大小會影響一次風機出口氣流壓頭以及一次風機能耗[2]。通過對一次風機本體及風箱測試發現，引起風道振動的主要頻率成份并非風機轉頻25 Hz，而多是3倍轉頻75 Hz及其諧頻、10倍轉頻250 Hz等成份。該設備為離心風機，極少會出現葉片通過頻率的現象，只有在軸流風機因為葉頂與風筒間隙不均勻才會引起該頻率的出現[3]，而離心風機風箱內空間很大，沒有葉頂間隙的要求。在風機本體及風道測試過程中發現，振動最大處在風道的轉彎附近，根據觀察在風道轉彎之前就是出口風門。彎頭本身就會引起氣流渦動，在彎頭前后形成局部渦流區，如果在彎頭前再增加一個調節風門，風門產生的氣流渦動與彎頭產生的氣流渦動區相疊加，必然會引起氣流的嚴重渦動，激發起葉片通過頻率，導致風道劇烈振動。

通過以上的分析，在排除安裝質量因素的前提下，總結4號爐一次風道振動原因有以下幾點：

1)規劃設計時，由于過多考慮場地空間因素，使出口風道布置較為緊湊，風道彎頭與出口風門距離太近，風道流體特性明顯受到出口風門和彎頭的雙重影響，風阻較大而激發起風機葉片通過頻率(250 Hz)和彎頭或者出口風門頻率(75 Hz)及其諧頻的振動，使得風機、風道劇烈振動導致撕裂。

2)結合一次風機及風道的位置布置狀況，風機風箱變徑節出口距離彎頭尺寸太小，并且彎頭只能位于此處，若想拉開出口風門和彎頭的距離，只有將后風門挪至彎頭后的水平風道部位。

3)風機風道彎頭處的導流板與出口風門的距離太近，最近處只有1 m，并且風門擋板處于水平位置開關，而導流板是垂直安裝的，高速通過的氣流會產生強烈的擾動。風道拉筋全部采用對角斜支撐，會對氣流再次切割產生振動。

3.3 暖風器振動測試

在實際運行中，當一次風機轉速超過1 400 r/min時，一次風機入口暖風器會發出巨大的噪聲，因此在大負荷(282 MW)試驗過程中，通過將兩側風機調偏運行，分別將單側一次風機轉速調高至1 400 r/min以上來進行暖風器振動測試。測試過程中，一次風機轉速、暖風器腔體振動、內部壓力波動數據見表 6。

表6 一次風機調偏運行期間兩側風機轉速及頻率

從表 6中可知，在一次風機轉速較高時，暖風器煙道腔體壁面振動最大值達247.5 mm/s，暖風器墻體內壓力波動值最高達5.811 kPa，同時煙道壁面振動和內部壓力波動頻率基本一致，均為167.6 Hz。為了探尋該振動原因，表 7中給出了暖風器內部腔體寬度及高度方向上各階聲學頻率，可以看出暖風器內部腔體在寬度方向上的二階聲學頻率為168.3 Hz，與振動實測頻率非常接近，結合現場巨大的噪聲來判斷，可以確定是發生了管式暖風器圓柱繞流漩渦脫落頻率與煙道腔體空氣柱固有頻率重合而導致的聲學共振現象[4]。

表7 暖風器內部腔體寬度及高度方向上各階聲學頻率計算值

4 處理措施

通過4號爐一次風機、風道振動原因及相關現象的分析，在保證設備結構強度狀況下，對風機、風道振動可能產生影響的部位予以改進，具體處理措施如下：

1)對一次風機進、出口彎頭處的氣流進行導流、穩流措施。導流板采用等距分布，將導流板半徑從內角轉移到外角，進而優化進、出口氣流，降低氣流振動及切割噪聲波[5]。

2)對一次風機高、低壓隔板進行加固。在一次風機機殼側面開孔，使用16 mm A3鋼板局部下料，焊接后形成一個整體隔板，內部支撐不變。這樣既保證了風機結構、提高風機隔板強度，又防止一次風機內部諧振的發生。

3) 對于目前一次風機入口暖風器在高負荷下噪聲超標的問題，經過測量確定是發生了管式暖風器圓柱繞流漩渦脫落頻率與煙道腔體空氣固有頻率重合而導致的聲學共振現象，需要在暖風器內進行間隔加固，防止氣流脫離暖風器管束時產生聲學共振。

5 實施效果

2019年10月，4號爐大修中，按照風機風道振動處理措施，全部整改后投入運行，通過對現場設備運轉狀況觀察、現場實測，主要體現在以下幾點：

1 )用振動分析儀多次采集現場實測3倍轉頻、10倍轉頻及調節門后諧振數據峰值大幅減小、甚至消失，風機、風道內渦流現象得到控制。

2) 對一次風機在高、低負荷區的振值進行監測，發現原高負荷區的振值(3～4 mm/s)降低，與低負荷區幾近相同(1～2 mm/s)，一次風機的振動問題得到有效控制。

3) 通過使用噪聲測試儀測試，一次風機產生的噪聲與改進前變化不大。

6 結 語

風機振動是電廠煙風系統中經常出現的問題，也是最復雜的問題，此次處理一次風機振動經歷了許多波折。在出現問題之初，一直圍繞著設備安裝質量及基礎材料的使用上，沒有認真思考風機本體及風道振動產生的根源。最后經過一系列的科學診斷找到了故障原因，并針對性地制定改造方案，改造后風機、風道振動峰值大幅減小，一次風機高負荷區振值由原來的3～4 mm/s降低到1～2 mm/s，一次風機的振動問題得到有效控制。此次改進處理，徹底解決了風機本體和風道振動的問題，但噪聲問題沒有得到徹底解決，這也是下一步繼續攻關的方向。