电站风机振动故障诊断的方法研究

2020-07-31王新良马国伟

黑龙江电力 2020年1期

柳磊，王新良，王东，刘成，马国伟

(国电科学技术研究院有限公司银川分公司，银川 750011)

0 引言

对于火电机组，除锅炉、汽机、发电机以外，风机、泵等辅机设备也是其重要组成部分。尤其作为锅炉重要辅机设备的各类型风机，对保证锅炉的安全稳定运行起到至关重要的作用。电站风机按其结构形式可以分为轴流式风机和离心式风机[1]，前者又可以分为一级、两级动叶可调轴流式风机。按照功能可以分为：一次风机、送风机、引风机等。

电站风机的故障种类很多，文章从旋转设备的振动特性出发，研究电站风机的振动故障特性及其诊断方法。研究表明，引起旋转设备振动故障的主要原因有：不平衡、转动部件松动、基础连接刚度降低、轴承损坏等[2-4]。

依据电站风机振动故障诊断的一般分析法，选取最为常见的不平衡、轴承损坏两类振动故障[5]为研究对象，对电站风机振动故障特征、诊断及解决措施进行分析研究。

1 电站风机振动故障的分析法

振动故障的一般诊断分析方法，主要是利用传感器采集振动信号，传输至振动测试仪器进行信号处理分析，最后输出测试数据至计算机，振动测试分析原理如图1所示。工程师依据测试经验及测试数据，分析给出振动故障的原因及相应的处理措施。值得关注的是，随着FFT快速傅里叶算法的广泛应用，振动信号的频谱分析在振动故障分析诊断中起到尤为重要的作用，使得测试精度及诊断准确性得到提高。

图1 电站风机振动测试分析图

风机振动测试所用的传感器有加速度传感器、速度传感器。其中灵敏度为20 mV/(mm·s-1)的速度传感器应用最为广泛，该传感器测量1 mm/s的振速对应传感器输出20 mV的直流电压，该信号经过振动测试仪器的运算输出幅值(有效值、峰峰值，常见为峰峰值)、振速等数据，并可以依据测试数据，提供故障风机的振动频谱图、伯德图等。

2 振动故障的诊断

2.1 不平衡振动故障的诊断

由于早期国家环保要求低，电站锅炉的电除尘、脱硫、脱硝设备存在烟气旁路，为降低环保运行成本，高尘、高腐蚀性烟气不经处理直接流经风机排到大气，此时电站引风机常常出现由于叶轮腐蚀、积灰造成的不平衡振动故障。近些年来，受国家环保政策影响，烟气旁路被拆除，较少出现上述原因导致的不平衡振动故障。

除此之外，受设备安装、检修等因素影响，电站风机常出现不平衡振动故障。如：某300 MW机组2号炉A送风机(一级动叶可调轴流式风机)在检修更换执行机构平衡锤后，出现不平衡振动故障，后经称重发现，新更换的平衡锤比旧平衡锤重30 g。

综合分析不平衡振动故障，有以下3个故障特征：转速一定时振动幅值及相位稳定、一倍频分量占通频幅值70%以上、多次启动振动再现性好。

对于振动相位稳定，一倍频分量占通频幅值70%以上的振动，通常可以采用现场高速动平衡的方法消除振动故障。电站风机中，除个别小型离心式风机(如：磨煤机密封风机，转速为3 000 r/min，电机电压为380 V)，其他大型电站风机转速通常为1 500 r/min、1 000 r/min(电机电压等级6 kV)。对于电站风机，通常认为其为刚性转子，其动平衡试验方法也较汽轮机发电机等柔性转子动平衡简单。可采用单平面加重的动平衡试验方法[6-9]，通常的步骤为：

1)测量出风机轴承处的水平、垂直方向振动幅值及其相位角度。

2)加重位置的选择。依据平衡加重方法，首先计算出加重位置，由于假定电站风机转子为刚性转子，其机械滞后角为0。

3)加重量的选择。如果已知影响系数，可利用向量运算计算出待加重量和加重位置,通常第一次加重为试加重。

4)第一次试加重后，启动风机再次测量振动数据,依据加重后风机振动情况，计算得出影响系数。

5)利用影响系数计算得出第二次加重量及加重方向。

6)第二次加重后，启动风机测量风机振动情况。

7)通常进行到这一步，风机振动故障已经得到消除，动平衡试验结束。

以某330 MW电站2号炉A送风机(一级动叶可调轴流式风机)为例，该风机额定转速1 490 r/min，为沈阳鼓风机有限公司生产制造的ASNl950-1000一级动叶可调轴流式风机，该风机在更换动叶平衡锤后，由于旋转部件质量分布不均引起不平衡振动故障，其动平衡试验情况如下：检修后首次启动，风机轴承水平方向振动同频幅值为254.1 μm，一倍频分量1X为252 μm∠184°，利用平衡原理，计算得出其试加位置为逆转向4°，如图2所示。

图2 某送风机动平衡试加位置计算图

依据测试经验，试加重量定为306 g，加重后启动风机，风机水平方向振动通频幅值下降至95.72 μm，一倍频分量1X为93.86 μm∠258°，计算得出影响系数α为0.802∠342°。利用影响系数法计算得出，第二次加重量及加重位置为310 g∠20°(去掉第一次加重量)，具体如表1所示。

表1 某电站送风机动平衡试验记录表

2.2 轴承损坏的振动故障

受检修周期及轴承运行寿命影响，由轴承失效引起的电站风机振动故障也呈日益增加趋势。轴承失效一般可分为止动失效和精度失效两种。其中，止动失效是指轴承因失去工作能力而终止转动，通常是由于卡死、断裂等因素引起；精度失效是指轴承因配合尺寸变化，失去了原设计要求的精度，虽然能转动，但其状态已属异常，表现为振动和温度变化，该类失效形式通常是由于疲劳剥落、锈蚀、磨损、胶合等因素引起。据统计数据表明，电站风机轴承的失效形式多为精度失效。

电站风机轴承较多采用圆柱滚子轴承，随着机组负荷频繁调节，风机的载荷也随着负荷频繁变化，从而导致轴承失效引起的风机振动故障频发。通常引起轴承故障的原因有：轴承接触面过热、点蚀、润滑油质污染、润滑失效、较大的动载荷、转配间隙过大等。轴承失效需要一定的过程，一般分为失效初级、失效中期、失效后期。该类故障较难监控，一旦发现，轴承失效已经发展到了中后期，此时振动故障特征较为明显，即频谱中出现轴承对应的特征频率[10-11]。风机轴承包括四部分：滚动体、保持架、内圈、外圈。四部分对应的特征频谱不同，如：某电站一次风机采用N2206圆柱滚子轴承，其在额定转速(1 495 r/min)下对应的轴承内圈特征频率(BFI)为188.34 Hz，轴承外圈特征频率(BFO)为135.58 Hz，保持架特征频率(FTF)为14.49 Hz，滚动体特征频率(BSF)为74.45 Hz。

因此，通过振动测试仪器采集电站风机的振动故障信号，通过FFT傅里叶变换等一系列数据处理，输出振动信号的频谱数据。通过分析频谱，查找故障特征频谱，基本可以定性分析诊断出故障原因，这就是频谱分析在电站风机振动故障诊断中最为关键的一点。

以某电厂2号炉A一次风机振动故障为例，该风机为国产某公司生产的离心式送风机。该风机由一台异步电动机驱动，额定转速为1 485 r/min，结构简图如图3所示(1号、2号轴承均采用圆柱滚子轴承，型号为NU220E)。

图3 某一次风机结构简图

该风机自投产以来，振动情况良好，2017年8月经过B级检修后，初次启动过程中，该风机振动值突然增大，后停机复查中心、轴承间隙及地脚螺栓等，均未发现问题。再次启动后，1号轴承水平、垂直方向振动增大，约6.7 mm/s，且大于报警值(4.5 mm/s)，此时振动值一直在6.7 mm/s左右，且具有增加趋势，严重威胁到机组的安全稳定运行。

通过对该风机进行振动测试，对所得振动数据进行综合频谱分析，发现测试中，1号轴承水平方向振动数据的频谱图中有高频(5.83X，170.87 Hz)分量出现。根据轴承手册，查得1号轴承NU220E为加强型圆柱滚子轴承，其在1 485 r/min额定转速下对应的轴承内圈特征频率(BFI)为170.87 Hz，轴承外圈特征频率(BFO)为227.80 Hz，保持架特征频率(FTF)为14.24 Hz，滚动体特征频率(BSF)为85.46 Hz。据此，认为该轴承存在失效，此为振动增大的主要原因。

由于此时振动已经较大，接近保护动作值(7.1 mm/s)，故建议立即停机处理，后解体检查发现，1号轴承1、2、3点方向有不同程度磨损，且1处磨损痕迹较为明显，详见图4、图5。