葉片通過頻率振動引起軸承多發故障的分析

高 平

華電江蘇望亭發電廠

0 引言

葉片可調軸流風機具有調節范圍大，負荷響應快等優勢在大中型火電機組中使用，但此結構特點，同時也會存在葉片通過頻率振動導致在失速區喘振。葉片通過頻率振動在風煙道內產生壓力脈動所誘發的高頻率振動［1-2］，其頻率是葉片數與轉速的乘積，每根葉片通過流道變化將產生一次壓力變化脈動，如果風道或葉片有多個突變及不連續處，則可能產生葉片通過頻率的多倍頻振動。針對葉片通過頻率的振動引起軸承損壞問題［3］，對風煙道內的流場通過進行數值模擬驗算，得出風力脈動的規律，據此提出運行限額、檢修維護調整等措施以降低葉片通過頻率的振動幅值［4-5］。

1 增壓風機振動情況概述

1.1 故障概況

某電廠機組經超低排放改造后，新增增壓風機一臺。煤粉燃燒后煙氣經各受熱面，進入除塵器（電除塵器、布袋除塵器）、吸風機、LGGH 降溫區、增壓風機、脫硫區、LGGH 升溫區后進入煙囪排向大氣，鍋爐爐后煙氣系統流程見圖1。因煙氣系統中僅一臺增壓風機，負擔著全部的煙氣流動，起著極其重要的作用，如果發生故障則必須停機處理。

圖1 爐后煙氣系統流程

近年來，我廠增壓風機風機側、電機側軸承故障頻發，特別是電機側，幾乎每年發生一次。風機、電機軸承解體檢修時發現明顯的疲勞磨損、發熱變色、摩擦腐蝕、油脂發黑等問題（如圖2所示）。但故障原因及產生機理不明，對機組安全運行影響極大。11 號機是全廠供熱主力機組，增壓風機無備用風機，頻繁故障停用對安全生產造成了被動局面。2021 年末，由精密點檢牽頭，數據分析中心小組成員參與，設立了《FGD11 增壓風機多發故障的分析與改善建議》攻關課題，力求通過現場解體記錄、精密點檢數據［6］及運行工況數據分析，尋求增壓風機故障基理原因、故障發展規律，最終提出運行、維護優化建議，為機組安全運行提供保障措施。

圖2 風機、電機軸承解體圖

1.2 故障分析

回溯多次增壓風機故障前后的點檢數據，發現均呈現如下發展規律：

第一階段，振動圖譜中葉片通過頻率（FB）成分上升，且諧波豐富。振動主要發生在葉片處。

第二階段，FB 成分下降，軸承外圈（BPO）或軸承內圈（BPI）成分上升且諧波豐富。振動第二階段時，葉片處振動逐漸下降，發展到軸承區域薄弱區，BPO 或BPI 均可能發生，且電機側軸承發生概率較大。

第三階段，機組停機。振動或軸承溫度等參數達到極限，機組被迫停用。2020 年4 月，增壓風機因軸承損壞停機，點檢側數據呈圖3發展趨勢。

圖3 2020年3月振動圖譜高頻區域22X(FB)達0.5 mm/s,葉片通過頻率及諧波豐富

2020 年4 月葉片通過頻率（FB）幅值開始下降（見圖4）。

圖4 2020年4月葉片通過頻率（FB）幅值開始下降

4 月17 日軸承外圈（BPO）幅值提升并伴有諧波，4月20日軸承損壞停機處理（見圖5）。

2021 年8 月，增壓風機故障停機，點檢側數據呈圖6發展趨勢（見圖6）。

圖6 點檢側數據呈發展趨勢

2021 年3 月，振動圖譜中出現小幅值的葉片通過頻率（FB）及底噪抬升。

8 月FB 數值下降，但出現軸承故障頻率（BPO）及豐富的諧波并伴有邊頻帶。8 月20 日軸承損壞停機處理。

2022 年8 月，增壓風機故障停機，點檢側數據呈圖6發展趨勢。

6 月出現葉片通過頻率及諧波并伴有底噪（見圖7）。

圖7 2022年6月振動圖譜高頻區域22X(FB)0.6 mm/s，出現葉片通過頻率及諧波并伴有底噪

6 月與8 月軸承外圈（BPO）幅值提升并伴有諧波的對比（見圖8）。

圖8 6月與8月軸承外圈（BPO）幅值提升并伴有諧波的對比

8 月下旬現場軸承參數異常，8 月30 日機組調停檢修。

1.3 常規工況數據

1）第一階段情況

增壓風機承擔著爐后全部煙氣的輸送工作，通過出口導葉調節，一般情況下導葉開大，電流上升，輸送風量上升，相互間呈現穩定的正相關的關系（見圖9）。

圖9 增壓風機電流-動葉-機組負荷

以2022 年11 月11 日16：00-16：30 運行數據為例（第一階段，FB 成分），機組負荷隨AGC 指令開始增加，風機出口導葉逐漸開大至88%左右，但風機電流在達到350 A 左右時未繼續增大，有減小趨勢，同時，風機側出現明顯異常振動。該現象持續約5 min，隨負荷穩定、風機導葉逐漸關小后消失（見圖10）。

以上述時間段內風機全壓升與電流關系圖為參考，當輸入的電能量沒有正確轉變為風煙系統流動能量，風機進入不穩定區，全壓升下降，振動上升（見圖11）。在正常運行工況下全壓升與電流關系圖見圖12。通過對比明顯可見，當風機全壓升與電流關系不匹配時，風機落入不穩定區域，其間可能發生失速、喘振，表現結果是風機的劇烈振動［6］。

圖11 風機工況落入不穩定區域，其間可能發生失速、喘振

圖12 風機正常工況區域

2）第二階段情況

當增壓風機多次在FB成分突變之后，風機將由振動的第一階段，進入第二階段，即FB成分降低，其他振動成分增加，除了常規的振動頻率上升外，同時會有明顯的軸承溫度異常增大，或軸承溫升的異常增高，軸承工況快速進入惡化區間（見圖13）。

圖13 電機驅動端、非驅動端軸承溫升異常突變

3）出口管路堵塞及風機工況惡化分析

以上分析均從風機能量轉換角度著手，分析振動生成的原因，但風機在第一階段即發生FB 成分振動的根本問題在于風機出口管路的堵塞（或不暢通），風機在加大功率輸出時，風機出口形似戴了一層口罩，出口被悶住，而軸流風機最忌諱的就是出口側堵塞。從近一年的歷史數據可見，當LGGH 升溫器的壓差持續上升時，風機側的振動也隨之變大，LGGH 升溫器壓差與增壓風機振動長期關系見圖14。

圖14 LGGH升溫器壓差與增壓風機振動長期關系圖

2 基理分析

以上幾次故障最終表現為軸承損壞，磨損和疲勞剝落是滾動軸承的主要故障形式。軸承滾動時滾道和滾動體既相對滾動又承受載荷。當負荷變化時，在最大剪應力處會形成裂紋擴展，表面疲勞誘發剝落。當軸承疲勞磨損故障時，會產生突變的沖擊脈沖，從而激發軸承固有的振動頻率，這些振動頻率是軸承診斷的重要信息。一般精密點檢通過日常監測能夠提前發現故障。近幾年軸承對比環保系統改造之前，實際使用周期大幅縮短。通過摸索探討，發現軸承故障出現之前圖譜中都會先出現葉片通過頻率（FB），風機傳送的介質為氣體，屬性可壓縮，因此，作用在結構上的壓力脈動相對較小，一般不易激發葉片通過頻率振動。但在現場測試中，測點在風機外殼上還仍然能測到并伴有豐富諧波，說明葉片通過頻率振動十分劇烈，即輸入的電能量受阻，未正確轉換為風煙系統的流動能量，而轉換為風機整體的強烈振動，一般持續周期數月。

現場出現葉片通過頻率的振動故障一般有兩方面原因，一是設備剛度不足（也有可能軸承座）。二是運行環境惡化，使流體壓力脈動的幅度增大，激發了較大的葉片通過頻率振動。在風機側目前依據振動頻譜分析為運行環境惡化導致引發葉片通過頻率振動，而引起運行環境惡化的根本原因，即：風機出口側管路堵塞，風煙流動受阻。一般持續1-2個月。

設備投運初期，推力軸承還能承受一定的推力，但隨著運行時間的增長，滾道出現磨損，又由于非工作面太薄，磨出的滾道很不均勻，如此會形成相當于斷軸面的弧偏，且軸線不重合，旋轉即會產生一倍頻、兩倍頻等振動分量。同時，由于滾道向電動機方向移動，使電動機的軸承承受不了本不該承受的軸向力。在這樣大的軸向力一倍頻、兩倍頻等振動分量作用下，自然會在電動機的軸向上表現出來。電動機兩側軸承裝配中間隙小，預緊力大，一側振動會表現得更加明顯。

綜上所述，由于風煙管路特別是增壓風機出口管路的堵塞，導致風機能量輸出受阻，在快速加負荷、持續高負荷時，風機側劇烈振動，帶動了電機側軸承磨損，在持續一段時間后，電機側軸承多發故障最終導致停機（見圖15）。根據經驗數據，當第一階段發生后，若不采取措施，到最后停機，風機可持續2-4月不等。增壓風機振動基理見圖15。

圖15 增壓風機振動基理

3 改善建議

3.1 運行限額量化

結合約5 年內增壓風機工況，以及回溯發生第一階段、第二階段時的主要運行參數，提出以下運行量化邊界：

1）運行規程中增壓風機運行電流限額為383 A，與實際運行參數偏離較遠，考慮多次在超過310 A后風機側出現振動異常的情況，建議當風機電流超過310 A后，風機側參數調整應緩慢，甚至暫停。同時，吸風機側的調節應同步，避免在串聯式的風煙系統調整模式下，由于吸風機過調導致的增壓風機承受過度的壓力。

2）風機負荷加減主要靠導葉調節，當開度超過80%時，應緩慢調整。

3）關注風機全壓升參數，以及與電流的關系，特別當全壓升大于3 800 kPa時，應加強關注。

4）當機組持續高負荷或快速加負荷時，適當降低AGC 速率對長周期安全運行有利（短時的AGC測速、一次調頻測試等為偶發工況，建議仍按現有要求執行）。

3.2 檢修維護內容

1)加強對風機出口管路設備的壓差的持續關注，并做好沖洗、清堵工作，對機組運行安全、節能降耗均有明顯作用。

2)當風機由于連續運行進入故障第一階段、第二階段后，應持續做好工況跟蹤，必要的定期檢查、補充油脂雖不能反轉故障，但也能使機組堅持運行并擇機檢修。

3.3 技術出力申報

常規情況下，在機組技術出力申報時，一般關注蒸發量、煤量、水煤比、真空等參數，在對增壓風機深入研究后，建議技術出力申報時，應結合“運行限額量化”提出的工況參數為參考，當風機側參數接近時，為保證機組安全運行，適當的負荷限制有利于機組長周期運行。

4 結語

經過對FGD11 增壓風機振動基理的深入分析，后續將結合相關經驗，繼續對600 MW 機組吸風機等其他多發故障的輔機作深入研究，為保證機組安全運行提供助力，同時因精密點檢的檢測周期較長，可能錯過重要故障發展窗口，建議在有條件時，將精密點檢的檢測技術及檢測設備在檢修部做擴展推廣，使設備等檢修維護工作更具實際意義。