锅炉引风机模块振动高的原因与技术改造
2021-03-01邓文武中海壳牌石油化工有限公司广东惠州516028
邓文武(中海壳牌石油化工有限公司,广东 惠州 516028)
0 引言
某公司6台锅炉引风机在试运行阶段均出现在永磁调速器加载到50%时电机出现强烈振动。振动值超过验收规范,且由于高振动锅炉无法达到满负荷运行,引风机机组的可靠性于稳定性也无法把控。初始怀疑是由于永磁调速器的永磁体与导磁体的不对中,经建设方与业主在实践中发现当永磁调速器的永磁筒与导磁筒处于某种不对中状况时(无固定规律),通过调整对中情况,前述故障能够在2#炉A/B引风机系统得到缓解,并引风机系统能加载到100%负载,但是在加载过程中需要控制不能出现过快的加载速度,否则还会出现高振动现象[1]。而1#炉A/B与3#炉A/B引风机振动故障始终未能缓解,表明高振动的根本原因尚未解决。而且同一台引风机系统在不同的操作窗口,其针对数字也无规律,为了找出故障原因,使锅炉负荷可以达到设计负荷,进行了一系列分析与测试,问题也最终得以解决。
1 系统状态
在锅炉调试期间,三台锅炉的6台引风机(0754-C-402A~F)在提速试验中均发生电机高振动,其中A/B台通过调整永磁调速器对中解决了振动问题(由对中状态调整为不对中状态,对中数据无规律),但是C/D/E/F四台无法通过调整对中减轻振动。在风机负荷快速提升,并达到某一负荷以上,通常是电机电流在14A以上,就会突然发生高振动,并且振动持续,只有大幅度降低负荷才能减缓振动。但是缓慢增加负荷过程中没有发现振动发生。振动特征频率范围为49.3~52.1 Hz,电机非驱动端振动最大,调速器轴承也有振动但振幅显著小于电机,风机与基础没有振动或振动微小。电机单试正常(未安装永磁调速器)。调试过程中发现永磁调速器的永磁转子与导体转子处于某种不对中状况时(无固定规律),能减轻振动。由于振动影响,(0754-C-402B/F)这两台风机负荷只能限制在50%以下。机组传动结构如图1所示。
图1 机组传动结构
2 故障分析与测试
2.1 故障分析
基于现场现象以及测试数据,利用故障树分析,发现锅炉引风机系统高振动原因可能在以下八个方面:
(1)电机转子固有频率发生改变。因为现场测试时电机单转振动值正常,在与磁力耦合器导体转子装配后,电机振动值明显升高,故怀疑导体转子的装配使其重量加载于电机的驱动端改变了电机的固有频率;(2)引风机模块基础刚度不足或者软脚。锅炉引风机系统基础采用架空式钢结构,电机四个地脚螺栓处通过红丹粉进行接触面测试,存在接触面积不足;且电机与耦合器系统重量在10 T左右,运行时底座出现振动;(3)永磁调速器质量与功率损耗。磁耦质量问题会导致磁通量不均匀,继而在高负载情况下放大了磁通量的不对称性,增大运行振动,增加运行功耗;(4)电机、磁力耦合器轴承失效。状态监测正常;(5)电机转子不平衡。电机单试正常;(6)电机线电压不稳。电机单试正常;(7)永磁调速器操作调节速度过快;(8)相邻机组引起的共振。
2.2 测试验证
(1)永磁调速器快速升速(本次测试的升速幅度均在20%以上)过程中、电机启动瞬间出现的高振动现象(较高振动发生在电机两侧水平H方向,峰值振动达20 mm/s RMS以上,其他如电机V,电机A/PMG A,电机基础H/PMG H),是由扭振激励,并诱发电动机H方向结构共振造成的。机组异常振动的发生,与永磁调速器(PMG)快速升调速有关,一般调速率在20%以上(比如:0~35%、35~60%、60%~80%等)调速过程中会出现较大振动(较高振动发生在电机两侧水平H方向,峰值振动达20 mm/s RMS以上,其他如:电机V、电机A/PMG A、电机基础H/PMG H),且调速阀一到位振动即开始回落[2]。稳定运行情况下,振动均在4 mm/s RMS以下。另外电机启动瞬间也出现相似频率成分的振动突变。根据 PMG 调速时输出转矩波动特性,以及主要频率接近扭振测试频率约25Hz的2倍的关系(足够的频率分辨率可以排除电源频率50Hz的影响),轴向方向呈现扭振频率及其2倍频,且PMG调速阀降至0%位过程中(输出转矩变小),幅值降低小于1 mm/s RMS,综合分析认为异常高振动的激振力来源于扭振。永磁转子转速趋势如图2所示。
(2)通过结构敲击测试,发现电动机壳体支承部位(靠近两端刚性支承处)水平方向存在47到55Hz左右的共振带,分析认为电机水平方向发生的高振动,与较大的扭转激振力引起电机H方向结构共振有关。另外,高振动时,电机驱动端(DE)左侧地脚V方向与电机非驱动端(NDE)右侧地脚V方向是对角反相,表现出一种横扭的振型特征,由于各地脚V方向振动幅值呈现对角不对称,不排除这种振型与一定程度的软脚有关。但当PMG调速阀降至0%位时,虽然电机转子依然在全速运行,电机所有地脚振动幅值却很小且均匀,这一点可以基本排除软脚问题。因此推测横扭耦合振动使得电机地脚呈现横扭振型[3]。结构敲击测试数据如图3所示。
图3 结构敲击测试数据
(3)机组固定运行在调速器一定开度下(本次测试到了35%和100%左右)一段时间后,较高振动的测点幅值正常,但出现长周期波动现象(平均10s左右周期),分析认为可能存在与相邻机组的拍振现象,或扭振波动。
基于所测数据的详细评估,结论如下:①永磁调速器重量190 kg,装在电机轴端,从而会影响电机的几何中心和质心,造成固有频率改变;②磁耦质量问题会导致磁通量不均匀;③永磁调速器快速升速(本次测试的升速幅度均在20%以上)过程中、电机启动瞬间出现的高振动现象(较高振动发生在电机两侧水平H方向,峰值振动达20 mm/s RMS以上,其他如电机V,电机A/PMG A,电机基础H/PMG H),是由扭振激励,并诱发电动机H方向结构共振造成的;④机组固定运行在调速器一定开度下(本次测试到了35%和100%左右)一段时间后,较高振动的测点幅值正常,但出现长周期波动现象(平均10 s左右周期),分析认为可能存在与相邻机组的拍振现象,或扭振波动。
3 改造方案
永磁调速器改造前后对比图如图4所示。
图4 永磁调速器改造前后对比图
(1)根据测振频谱分析,永磁调速器的安装位置向电机侧移动了4 cm,即永磁调速器和电机的轴向距离减小了4 cm。特有频率较之前有所增大,从50 Hz左右变为61 Hz左右,推测可能与新电机转子与导体转子配合后整体刚度的提升有一定关系;
(2)永磁调速器结构改造,考虑改变电机连接导体盘转子的扭振频率,改变转子参数时要确保扭振频率及其倍频与有关结构体固有频率20%左右的间隔;
(3)考虑改变电动机结构固有频率,将400 kV电机更换500 kW电机。新换5辐板导体转子在与新电机转子装配条件下,电机驱动端伸出端/导体转子V/H/A三方向的固有频率均表现为50.5 Hz,较此前旧3辐板导体转子与旧电机的配合下的固有频率(接近38 Hz)更高,说明新换电机转子与导体转子配合的整体刚度升高,由于此时PMG的特有频率为61 Hz,避开了相关固有频率,从而避免了高振动[4];
(4)安装时注意对放大振动因素的调整,对基座进行焊接钢板加固处理;
(5)由于永磁调速阀在小幅开度升速时振幅虽有增加但相对较小,平稳运行时振动幅值基本正常,运行时避免大幅设置升速调速阀开度。
4 改造效果
通过上诉改造措施(如图5所示),6台风机振动都达到设计验收标准,且在运行操作过程中不在出现高振动现象,现场故障得以完美解决[5]。
图5 改造前后振动数值对比