超超臨界鍋爐一次風機軸承振動異常的診斷及處理

趙世偉，胡雪梅，李 燁，聶 濤

(國家電投集團河南電力有限公司平頂山發電分公司，河南 平頂山 467312)

0 引 言

某電廠鍋爐由東方鍋爐集團制造，采用超超臨界參數、變壓直流運行、單爐膛、一次再熱、平衡通風、露天島式布置、固態排渣、全鋼構架、全懸吊結構、前后墻對沖燃燒方式的Π型鍋爐，每臺鍋爐配置6臺軸流風機，風機運行可靠性是電廠鍋爐系統運行穩定的保證[1]。該電廠2臺超超臨界鍋爐于2010年底先后投產，每臺鍋爐配置2臺雙級動葉可調軸流式一次風機，額定轉速 1 490 r/min，風機由轉子總成、軸承座、進氣箱、自動調節系統等部件現場組裝而成[2]。

該機組自投產以來，一次風機軸承抗擾動性較差、軸承振動周期性異常波動，據統計一次風機被迫停運多達六十余次，風機跳閘導致鍋爐MFT 1次，單側風機停運搶修，鍋爐燃燒不穩定，需投油穩燃，嚴重影響機組的安全、穩定、經濟運行[3]。采用了多種運行手段、檢修措施及技術改造控制風機軸承振動，該問題一直得不到徹底解決，目前通過定期更換風機轉子，舊轉子返廠大修的措施維持運行，但一次風機轉子的運行時間遠未達到大修周期，導致風機檢修成本較高[4]。

1 一次風機軸承振動異常分析

1.1 軸承振動異常情況

自機組投產以來，一次風機軸承振動情況一直不穩定，特別是2臺風機并列時振動波動較大，正常運行中軸承振動值也偏高(大于報警值：4.6 mm/s)，運行中經常出現一次風機軸承振動異常而導致機組RB事故，一次風機軸承異常振動給2臺機組穩定運行帶來較大不穩定因素。

1號機組A風機X/Y向軸承振動整體較大，隨負荷變動呈周期性波動。2019年5月風機軸承X向振動值在4.0～5.5 mm/s波動，6月風機軸承振動值波動至跳閘值7.1 mm/s以上，風機無法維持運行。待大修更換一次風機轉子后，風機運行正常，X向軸承振動值維持在4.0 mm/s,Y向軸承振動值維持在2.2 mm/s。

1號機組B一次風機軸承振動值多次突變至跳閘值以上，導致2019年12月風機跳閘3次，被迫停運3次。正常運行時X/Y向軸承振動值穩定在3.5 mm/s運行，某一工況軸承振動值突變至10 mm/s以上導致風機跳閘，軸承振動值隨負荷突變狀況如圖1所示。期間因機組負荷較高無法停運檢修，只能采用降低負荷及退并風機的辦法勉強維持運行。

圖1 B風機軸承振動值突變狀況Fig.1 Sudden change of bearing vibration value of B fan

2020年1月安排停運B一次風機更換風機轉子，轉子更換后風機投運X向、Y向振動值穩定在2.5 mm/s、1.5 mm/s，4月風機X向、Y向振動值逐步增大至4.8 mm/s、5.7 mm/s，最高可突變至7.6 mm/s、11.2 mm/s。此次檢修更換一次風機轉子后，穩定運行時間僅有1 300 h左右。

1.2 軸承振動頻譜分析

通過一次風機軸承振動頻譜分析顯示，振動幅度在較高值工況時，4倍頻以下頻段呈現高密度、低幅度的線性和非線性諧波，大量低幅度的振動成分導致振動通頻幅值上升，1倍頻振動成分幅度及其諧波幅值均較小。依據一次風機檢修經驗分析，排除了風機軸承振動異常是因轉子葉片磨損、積灰及轉子附著異物導致的不平衡因素所致，同時風機軸承運行狀態良好，也可以排除是軸承支承、滾動軸承缺陷及其他機械缺陷導致風機軸承振動異常的可能性，僅通過轉子配重無法解決一次風機軸承振動異常問題[5-6]。

根據一次風機軸承振動異常的頻譜結構參數，結合軸承振動突變與風機動葉開度及動葉調節過程結構特點分析，風機振動突變故障可能是受到某種突發性、間歇性的激勵所致，當干擾激勵力產生或加強時，風機軸承振動值就發生突變，當干擾源消失或干擾力減小時，風機振動值就回復到較小值。由于一次風機都是振動突變導致無法維持運行，考慮一次風機葉片局運行失穩導致的運行不平衡，運行平衡被打破導致軸承振動突變[7-8]。

2 振動異常的診斷及處理

2.1 風機葉片流場模擬

對一次風機葉片重建模型，采用三維流體分析軟件CFX進行氣動仿真計算，模擬出一次風機的性能曲線，結合一次風機葉片運行工況，通過流體分析軟件進行氣動仿真計算發現，在葉根截面動葉尾緣吸力面處出現了渦流現象，吸力面中部位置出現了邊界層分離，如圖2(a)所示；葉頂截面在動葉的壓力面出現了分離流動，在風機導葉壓力面靠前緣位置出現了較大的渦流現象，說明此位置動葉與導葉的相對角度不匹配，影響了流動狀況，如圖2(b)所示。分析認為，風機葉片流場存在局部渦流及邊界層流動的較早分離共同導致風機葉片流場質量不佳，風機葉片在運行中出現局部失速的工況[9]。

圖2 風機葉片流場模擬圖Fig.2 Flow field simulation diagram of fan blade

2.2 風機風道流場模擬

結合一次風機風道結構建立數學模型(如圖3所示)，通過對風道流場進行模擬分析，風機氣流經葉輪組升壓后進入擴壓器及圓節方風道的流場分析顯示，氣流從葉輪組流出后在擴壓器內流動較平穩，流出擴壓器之后進入圓節方風道處局部流動損失較大，氣流平均速度從24.2 m/s減少到10.4 m/s，在圓節方風道出口附近形成渦流(如圖4所示)，渦流現象造成風道內流動損失、流場品質出現下降[10-12]。

圖3 一次風機風道結構模型Fig.3 Air duct structure model of primary fan

圖4 圓節方風道速度流線圖Fig.4 Velocity streamline of square duct with circular section

一次風機風道轉彎處流場模擬顯示，風道內彎處因流體聚集作用，該區域流速急劇上升，外彎處出現渦旋現象，流速分布在3.4～27.6 m/s之間，流速分布不均勻，流場品質較差。

3 振動異常的處理及效果

3.1 處理方案

根據對一次風機流場的模擬分析，提出以下處理方案。

1)更換葉片、機殼。整套風機葉片全部更換為高效葉型葉片，解決一次風機動葉與后導葉相對角度匹配性不佳及原使用風機葉片底截面角度偏小的問題；風機機殼在長期使用過程中變形致使軸承箱偏離設計位置，不能保證風機長期安全穩定運行，采用加強型機殼，增強風機軸承對負荷波動的適應性[13]。

2)風道優化。如圖5所示，根據風道的數值模擬計算結果，優化一次風機出口圓節方風道，將該部分適當延長至5.4 m，中心夾角由14°降低至10°，優化后圓節方風道內的氣流“發散”程度較原風道有所降低，風道內壁渦流的范圍和強度均大幅下降, 降低渦流造成的局部流動損失，經計算局部阻力系數可由0.3降低至0.16，同時可優化風機運行環境并降低風機氣動噪聲。

圖5 圓節方風道優化Fig.5 Optimization of square duct with circular section

在一次風機出口風道90°轉彎處加裝導流板，提高風道內部流動均勻性。改型前，風道內彎處因流體聚集作用，該區域氣流速度急劇上升，外彎處則出現渦旋現象，流速分布不均勻，改型后，導流板提前分流使轉彎處的高速區和旋渦消失，大幅提升該區域流速分布的均勻性，提高流場品質。

3)風機基礎二次灌處理。鑒于一次風機軸承存在長期異常振動，雖沒有充足證據證明二次灌漿和安裝存在問題，為排除所有可能潛在隱患，更換機殼時一并拆除二次灌漿層，風機基礎找正以后重新灌漿處理。

3.2 處理效果

按照一次風機軸承振動異常的處理方案，在機組B級檢修中對2臺一次風機進行了改造。檢修后投入運行，一次風機軸承振動穩定。改造后經過三個多月的運行，機組正常運行、啟動及變負荷工況時，A一次風機軸承振動值保持在 1.0～1.5 mm/s，B一次風機軸承振動值保持在 1.5～2.0 mm/s，與修前振動值(4.0～6.0 mm/s)相比，振動情況明顯改善，而且振動值隨負荷波動情況比較穩定，改造后一次風機運行經濟性也得到了一定提升。

4 結 語

一次風機風壓較高，普遍采用雙級動調葉輪組，雙級動調葉輪結構本身較復雜，影響風機軸承振動的原因較多，鍋爐運行時一次風機軸承振動異常時有發生。一次風機發生軸承振動異常時，除通過運行數據分析，查找振動原因，采取針對性日常維護及檢修措施外，還應從風機葉片及風道運行工況對風機軸承振動的影響方面著手，將一次風機放在鍋爐運行系統中分析，找到引起風機軸承振動異常的振動源，消除振動源，才能解決一次風機軸承振動異常問題，保證一次風機的穩定運行。