空冷风机单元振动故障原因分析及处理

2013-06-06杨德荣田正彬陈磊周建军王勇强郭大营刘聪

电力建设 2013年5期

杨德荣，田正彬，陈磊，周建军，王勇强，郭大营，刘聪

（1.大同煤矿集团电力能源有限公司，山西省大同市 037003；2.山西京玉发电有限责任公司，山西省朔州市 037200；3.中国电力工程顾问集团华北电力设计院工程有限公司，北京市 100120；4.北京国际电气工程有限责任公司，北京市 100041）

0 引言

山西右玉电厂工程于2010年4月15日开工建设，安装2台330MW直接空冷机组，分别于2011年12月29日、2012年1月16日通过168h试运。该项目空冷岛未采用由空冷设备厂家总承包的传统方式，而由设计院进行整岛设计（此方式在国内电厂建设项目中为数不多），设备由业主分别采购。虽然在试运过程中发生了空冷风机单元振动故障，但最终得以解决，这对提高空冷岛自主设计水平、降低工程造价，有着积极意义。本文分析风机单元振动原因和规律，给出消除振动的措施。

1 风机单元基本情况

1.1 风机单元振动故障概况

2011年8月1、2号机组进行空冷风机试运时，风机桥、减速机、电机振动都很大。风机在60%额定转速时振动不稳定；在90%～110%额定转速时发生风机桥架共振现象；在110%额定转速时电机端部（测量位置如图1所示）水平振幅为1～2mm。有些时段振幅超出测振仪的量程（不大于2mm），人站立在风机桥架上感觉振动剧烈，威胁人身及设备安全，只能做短时间测试。从2011年8月至2012年1月通过长时间的试验与摸索，最终将振动控制在符合规程要求的范围内，为后续工程提供了经验。

1.2 主要设备及结构参数

图1 振动测量位置Fig.1 Measuring position of vibration

该工程每座空冷岛采用5×6风机单元，空冷平台由9根钢筋混凝土空心立柱支承，柱头高度为29m，平台下部钢结构为桁架结构，由立柱支承，管束采用悬挂结构由固定在平台上的A型架支撑。每套空冷风机组由减速机将不同轴的立式电机和大直径风机连接而成，减速机固定在底板上，减速机底板与风机桥架台板采用螺栓连接。风机桥架采用钢桁架结构，桁架跨度为11.72m，宽为2m，高为1.5m，风机桥架除端部支座外与空冷平台桁架无其他拉结［1］。

1.3 国内空冷电厂空冷风机运行情况

目前空冷岛总包商有基伊埃电力冷却技术（中国）有限公司、上海电气斯必克工程技术有限公司、哈尔滨空调股份有限公司、双良节能系统股份有限公司、北京龙源冷却技术有限公司等众多国内外厂商，在国内有大量运行业绩。通过对国内多个空冷机组电厂的调研、分析得知，空冷风机在100%额定转速工况下，电机端部振动振幅为0.10～0.50mm。此振动大致可以分为4档，第1档在0.10mm以内，第2档为0.10～0.20 mm，第3档为0.20～0.40mm（多数电厂为此档），第4档为不超过0.50mm（个别电厂）。右玉电厂的空冷风机振动情况比较严重，风机无法正常运行。

1.4 相同设备在其他电厂运行情况

国电榆次电厂风机为豪顿华公司产品、减速机为SEW公司产品，与右玉电厂相同，在全速工况下电机端部振动速度为5～6mm／s。大唐临汾电厂的空冷风机电机为湘潭电机厂产品，与右玉电厂相同，在全速工况下电机端部振动速度为3～4mm／s。不同厂家设备参数对比结果如表1所示。

表1 不同厂家设备参数对比Tab.1 Equipment parameters comparison between different manufacturers

从表1可看出，右玉电厂与其他项目的主要差异为风机转速高、叶片数少、电机重心高；桥架形式及型钢规格各厂家差异明显。目前常见的风机桥架有梁式和桁架式，梁式刚度较小，桁架式刚度较大［2］，但从运行情况来看，采用梁式结构和规格相对较小的H型钢，仍可取得良好的效果。从表1可判断，风机、减速机、电机设备本身没有问题，振动可能是设备系统的综合因素引起的，尤其应关注风机桥架的设计。

2 风机桥架加固措施及振动测试

采取多种措施对风机桥架进行加固，这些措施分别为：在风机桥架两侧设置2根φ108 mm×5 mm钢管（如图2所示）；减速机底板设置加劲板；改变风机叶片角度；减速机底板增加减振橡胶垫等。在采取风机桥架两侧设置2根φ108 mm×5 mm钢管前、后对电机端部及减速机进行了振动对比测试。在110%额定转速时，加固前电机端部x向振幅大于2 mm，加固后振幅减小到1.4 mm；在100%额定转速时，加固前电机端部x向振幅为1 mm，加固后振幅减小到0.4 mm。在此基础上，又采用在减速机底板上设置加劲板的措施，测试结果为：在110%额定转速时，电机端部x向振幅减小到0.8～1.1 mm；在100%额定转速时，振幅减小到0.25～0.3 mm。其他措施效果均不明显或振动情况加剧。

图2 风机桥架加固Fig.2 Fan bridge reinforcement

试验结果表明，采用在风机桥架两侧增加支撑的加固措施是有效的，风机桥的最低阶计算自振频率从加固前的约9Hz提高到加固后的12Hz，有效地避开了高转速下风机桥架共振（100%额定转速时风机叶片通过频率［3］为8.75Hz，110%额定转速时风机叶片通过频率为9.62Hz）。通过频谱分析得知，无论加固前、后，振动振幅的主要成分是叶片通过频率［2－3］。

通过上述一系列试验，最终确定采用在风机桥架两侧分别加固2根钢管和在减速机底板上焊接2根T型钢（增加减速机底板刚度）的方案。该措施可以提高风机桥架x向的刚度，但对y向刚度改善不大；可以限制振动的振幅，并可消除一定振型的共振，但无法消除所有低阶振型的共振。采取此措施后，大部分风机在100%额定转速时，可将振动速度控制在7.1mm／s以内，振幅控制在0.37mm 以内，但不能超过100%额定转速运行，无法满足夏季工况，并且在60%额定转速时仍存在振动不稳定现象（不能在该转速附近运行），影响冬季防冻。

3 风机组振动特性试验

3.1 电机和减速机空转测试

为排除叶片通过频率的影响，摘掉该风机的叶片，空转电机和减速机，测试不同转速下的振动情况。测试表明，除存在电机转动频率外，还存在9.63、13.63Hz的自振频率；在60%和110%额定转速附近存在振动峰值，频谱成分主要为上述自振频率；100%额定转速以内电机振动y向较x向大，60%额定转速附近风机桥z向振动很大，110%额定转速下电机振动x向较y向大。虽然不带叶片时激振力不大，但整体振动还是非常明显，数据见表2。

3.2 叶片0°安装角度测试

将风机叶片安装角度调整为0°，在叶片升力较小的情况下，考察叶片通过频率对振动的影响。试验结果表明，在60%和110%额定转速时仍然存在共振现象，振动频谱成分主要为叶片通过频率和桥架自振频率，而且由于激振力的增大，振动较空转电机及减速机时更为明显。风机叶片安装角度为0°时的振动情况如表3所示。

表2 空转电机及减速机时振动情况Tab.2 Vibration of reducer and motor without load

表3 风机叶片0°安装角度振动情况Tab.3 Vibration situation at 0°installed angle of fan blade

3.3 减速机刚度测试

在连接正常的情况下，减速机箱体上法兰与电机支座下法兰存在明显的振动差异，表明该处结构刚度不足，测量位置在图1中A、B处。虽然该型减速机在其他工程项目中运行情况良好，但从测试数据可看出，其上部（与电机连接部分）结构设计偏弱，今后设备选型时要关注这一问题。减速机箱体上法兰与电机支座下法兰振动测试结果如表4所示。

表4 减速机箱体上法兰与电机支座下法兰振动测试结果Tab.4 Vibration test results of reducer casing upper flange and motor seat under flange

3.4 试验结果

试验表明，风机桥架稳定性不好，在没有负载或风机出力很小的情况下，风机桥架和电机已表现出明显的振动响应，振动频谱主要由风机桥架自振频率和叶片通过频率构成。减速机上部的电机支座结构刚度不足，但已安装完毕，桥架和风机组结构都难以改变。

4 改变风机叶片数量试验

4.1 风机5叶改6叶试验

由于桥架完成加固后，结构方面已难以采取其他措施，因此只能在风机上采取措施。考虑改变叶片的通过频率范围以尽量避开共振区，并验证奇数叶片和偶数叶片对振动的影响。

将一台风机在原5个叶片的基础上增加1个叶片，分别以11.4°、8.9°、12.2°的安装角度进行转动测试。测试结果表明，6叶风机振动较5叶风机明显降低，60%额定转速附近的振动不稳定区基本消失；不同叶片安装角度，相应振动存在一定差异，但与5叶风机相比，振动明显减小。风机5叶改6叶测试结果如表5所示。

表5 风机5叶改6叶测试结果Tab.5 Test results of changing fan blade number from 5to 6

通过频谱分析可知，6叶风机在17～18 Hz附近存在一个自振频带，为振动的主要成分，电机一倍频及叶片通过频率也可以检出，但成分并不大；在不同转速下，自振频带的振动始终为主要成分，只有在大于110%额定转速时，叶片通过频率的振动成分才开始明显增加，而5叶片工况，通过频率始终为主导成分，振动很大。更换成6叶片后，通过频率的影响几乎消失，振动大幅度降低，其他因素才显现出来；振动的方向发生改变，5叶风机在全部转速范围内均为x向振动大，6叶风机在小于50%和大于110%额定转速时为x向振动大，在60%～100%额定转速时变为y向振动大，与空转电机和减速机时现象一致。在相同转速下，随着叶片安装角度增加，振动有增大趋势。

4.2 6叶风机叶片9.0°安装角度试验

根据风机厂资料，6叶风机叶片9.2°安装角与原5叶风机出力相同，6叶风机叶片8.9°安装角在116%额定转速时与原5叶风机在110%额定转速时出力相同。该风机叶片许用叶尖速度为60 m／s，对应120%额定转速，考虑之前的试验情况，最终确定采用9°安装角。将该风机6个叶片角度调整至9.0°（±0.1°）测试，在30%～110%额定转速时，电机端部最大振幅大多数工况下不超过0.1 mm，运行平稳。振幅和振动速度均为80%额定转速时的最大值，振幅约为0.11 mm，振动速度为4.9 mm／s，效果非常理想。6叶风机叶片9.0°安装角度测试结果如表6所示。

表6 6叶风机叶片9.0°安装角度测试结果Tab.6 Test results at 9.0°installed angle of 6－blades fan

为验证低温工况对风机振动的影响，2012年1月24日再次试转了该风机，在70%额定转速以下时振动变化不明显，在80%～100%额定转速时振幅约增大了0.03 mm，在110%额定转速时增大了0.05 mm。此时环境温度为－12℃，空气密度较秋季试验时大，同转速下，风机出力增大，因而振动略有增大。

4.3 风机改造方案

将2台机组共60台风机全部更换成6叶轮毂，采用9.0°（±0.1°）的叶片安装角度。改造后整体效果良好，克服了60%额定转速时附件振动不稳定现象，可以满足30%～110%额定转速时安全运行。在100%额定转速工况下连续测量电机端部振动情况，读取瞬时最大值，有31台风机振幅小于0.10 mm，其中1台风机在110%额定转速工况下，振幅仅为0.06 mm，16台为0.10～0.15 mm，10台为0.15～0.20 mm，3台振幅偏大，超过0.27 mm。

5 风机桥架模态测试

由于风机组振动情况存在一定差异，于是选择3台风机，对桥架进行静态响应、动态响应、相邻风机单元运行时的响应等测试，测试结果如表7所示。

表7 风机桥架低阶模态测试Tab.7 Low－order model test of fan bridge

由表7可对上文分析作如下说明：

（1）空转电机和减速机时测得的9.63、13.63 Hz自振频率，判断为桥架竖向一阶、二阶（或横向一阶）频率。

（2）在桥架加固以后，5叶风机在110%额定转速时仍无法运行是由于叶片通过频率与竖向一阶或横向一阶频率接近，振动响应较强。

（3）6叶风机振动频谱中17～18 Hz的自振频率，与桥架横向二阶和竖向三阶频率基本吻合，判断其为影响振动的主要振型。

（4）6叶风机在80%额定转速工况下振动最大，而17～18 Hz的自振频率恰好约为叶片通过频率的2倍，偶数叶片是否存在2倍通过频率的激振力，且与桥架自振频率相耦合，尚需进一步研究。

（5）3台风机桥架的主要振型频率基本一致，但横向一阶频率存在较大差异，判断与不同风机振动差异有一定联系，可能与桥架加固及安装情况有关；该阶频率较低时，风机处于高转速运行工况，将可能落入共振区。

6 相关振动标准及限值

（1）参考GB／T6075.3—2001、ISO10816－3—1998标准，给出第2组机器柔性支承B／C区域边界限值为0.071 mm 和4.5 mm／s，C／D区域边界限值为0.113 mm和7.1 mm／s［4］。

（2）GB／T6075.3—2001、ISO10816－3—1998标准的振动准则适用于额定工作转速稳定运行状况下在机器轴承、轴承座或机座上现场进行的宽频带振动测量［4］，在电机上检测到的主要振动频率为风机叶片通过频率或桥架自振频率，电机转速频率的振动为次要成分，宽频可以很好地反映振动情况。标准给出了振幅和振速2个限值，在这种情况下，用振速来评判振动情况更为客观，而用振幅不易准确评价振动状态，其振动频谱不是通常的转速一倍频占通频主要成分，尤其不能以电机转速对照转动设备振动通则作为判断依据。

（3）电机的振动不是由自身原因引起，而是由被驱动的风机与桥架等支承系统相互作用传递到电机上的。对于电机而言，相当于处于有背景振动的情况下，因而在电机上直接测量到的振动，不能完全反映电机的工作状态，应当有所区别。

（4）GB50040—96《动力机器基础设计规范》和DL5022—2012《火力发电厂土建结构设计技术规定》均未对风机桥的动力计算及振动控制作明确规定［5－6］，现有的工程设计和研究在进行风机桥架动力计算时，一般按离心机器的扰力计算公式计算作用于风机桥架的扰力［7－10］，这样做不能客观反映风机桥架的工作状态。风机和电机都可以达到良好的平衡，运行时离心力不平衡引起的振动非常小，而风机叶片通过频率下的叶片升力与桥架各阶振型相耦合而产生的宽频振动才是振动的主要成分，上述试验充分说明了这一点。