一次风机进口消音器风道异常振动故障诊断及治理

卢福平,鲁跃峰,李昊燃

(1.北京国电电力有限公司上湾热电厂,内蒙古 鄂尔多斯 017209;2.西安热工研究院有限公司,陕西 西安 710049)

0 引言

燃煤电厂在国内的设备客观情况复杂,同时伴随设备老化、偏离设计工况等不合理的问题,进而引起振动问题高频次发生。研究人员对此进行了大量研究[1-6]。谢永慧等[7]研究了蒸汽轮机的阻尼围带长叶轮叶片的振动特性。王延博[8]对大型汽轮发电机组进行了轴系不对中对设备振动影响的研究。杨利芳等[9]通过有限元计算分析得到风机进口消音器对风机振动的影响效果。薛翔等[10]通过热态试验、现场检修和振动测试,分析得到某300 MW机组引增合一后引风机振动原因。沈利等[11]通过加设再循环旁路风道的措施,解决了密封风机及出口风道振动问题。由于火力发电厂设备繁多,振动原因复杂,针对一次风机进口消音器管道振动的研究相对较少。

某火电厂1、2号机组为循环流化床机组,每台机组均配备两台豪顿华工程有限公司生产的型号为L2N 2344.02.93 SBL6T的单吸离心风机。四台风机自进行降低一次风量的机组技术改造以来,均存在一次风机进口消音器管道振动剧烈的问题。本文采用多种方法及思路对该电厂振动问题进行试验、分析、讨论,找到原因。

1 设备概况及振动情况

1.1 设备概况

该机组为循环流化床机组,锅炉为自然循环、单汽包、超高压、单炉膛一次中间再热,岛式布置的循环流化床锅炉,型号为DG520/13.7-I1型。机组主要性能参数如表1所示。

表1 机组主要设计参数

每台机组风烟系统配置豪顿华工程有限公司生产的型号为L2N 2344.02.93 SBL6T的单吸离心风机,额定转速1 485 r/min,变转速运行,主要设计参数如表2所示。

表2 一次风机主要设计参数

1.2 振动情况

机组一次风机进口风道存在振动偏大现象。振动历史及振动特征如下:

(1)2009年机组投产,一次风机未加变频器,定转速运行,无振动现象发生。

(2)2014年至2015年左右进行了变频改造和进口消音器改造。改后出现一次风机进口消音器风道振动现象。高负荷挡板门满开时(100%开度),偶尔出现振动变大现象,因此,实际运行过程中将进口挡板开度固定在70%左右,调节转速运行。

(3)2021年下半年机组进行技改,将总一次风量最大由220 000 Nm3/h以上降至140 000 Nm3/h左右,改后低负荷工况下极易出现进口风道振动现象:高负荷期间进口挡板开度固定在70%左右,利用转速调节,随着负荷降低至120 MW以下开始出现振动现象,需将挡板开度降至40%左右才可避免振动现象的发生。

(4)两台机组四台风机的风机型号、进出口管道布置、消音器型式完全相同,振动特征也完全一样。

2 振动实验测试及故障分析

2.1 振动实验测试

为了了解振动特征,对处于振动状态下的风道进行振动测试。

机组实际负荷76 MW工况时,通过调整风机开度触发风道振动,并进行测试。调整过程如下:调整期间机组负荷稳定在76 MW,两侧变频器频率维持在70%左右,风机开度从36%升至39%(其中B侧风机开度增加相对较大),A侧热一次风量略微增加至70 078 Nm3/h,B侧热一次风量略微减少至62 035 Nm3/h,此时B侧一次风机进口风道发生振动,A侧风道未振动,机组主要参数如表3所示。

表3 机组主要运行参数

振动测试主要数据如表4所示。

表4 振动测试数据(单位mm/s)

由以上数据可知:

(1)振动发生前后机组运行状态未发生明显变化;

(2)通过调整两侧风机运行出力配合,可以触发振动发生;

(3)进口风道振动数值较大,主要存在13.13 Hz异常频率。

2.2 振动故障分析

一次风机热态性能试验数据表明风机运行工况点距离不稳定运行区域较近,无足够安全裕量,风机运行的可靠性较差,当风机变工况调节时,易进入非稳定区域运行。风机在不稳定区域运行时,流体在叶轮叶片表面易发生边界层分离,使某个或数个叶轮流道发生堵塞,产生失速区(不稳定运行区域)。失速区并不是固定于某个或某几个叶片上,而是相对旋转的工作轮作反向旋转,产生小于风机旋转频率的频率。同时,风机发生失速时做功能力下降,出力降低。

风机发生失速时的流量、压力的快速波动,可能会造成消音器流场发生急剧变化,产生振动。可以通过对振动发生前后历史SIS数据和振动期间振动测试数据分析,探究振动发生前风机是否进入不稳定运行状态,从而诱发消音器所在风道振动。

根据每次振动发生时间,调取发生振动一侧风机的历史SIS曲线,通过数据分析发现:本次振动发生前,通过调整风机转速及开度,1号机组B侧一次风机出力突然降低,风机电流和出口压力突然下降,风机振动变大,现场消音器及所在风道发生振动。振动期间风机出口压力稍有回升,但仍低于振前压力值。之后通过提高风机运行转速,使风机出力增加,风机出口压力和电流明显突然增大,风机摆脱不稳定运行状态,现场振动消失。

2.3 频谱分析

一次风机入口风道振动发生期间,对风道进行了振动测试,典型频谱图如图1所示,振动频率与风机转频关系总结于表5。

图1 风道振动频谱图

表5 风道振动频率与转频关系

根据图表数据可知:

(1)风道振动频率是变化的;

(2)风道振动频率与一次风机转频成倍数关系,是转频的0.73～0.78倍。

根据离心风机旋转失速状态下流体动力学特征的相关研究可知,风机旋转失速频率一般是转频的2/3倍左右,受风机实际运行性能、失速程度等影响,失速团传播频率会略有变化。

综上所示,本项目现场风道振动特征频率符合风机旋转失速频率范围。

3 振动解决方案

3.1 优化风机运行方式

(A)优化管网系统

降低一次风机所在管网系统阻力,比如加强炉渣的清理或优化炉床高度等,控制一次风机出口压力维持在较低水平,提高风机失速安全裕度。

(B)优化风机运行方式

现有调节方式下风机效率较高,但是运行工况点距离不稳定运行区域较近,风机运行安全性较差。鉴于此,本节提出如下优化思路:降低风机调节门开度,适当提高风机运行转速,使风机运行工况点远离不稳定运行区域,兼顾安全性和经济性。根据实测数据对日后风机开度与转速的调整配合提出以下建议:

(1)机组110 MW工况以下,可将风机开度固定在30%～40%之间,仅通过调整转速适应负荷变化出力需求。

(2)机组110 MW工况以上,且风机转速超过1 250 r/min,可增加风机开度至50%～70%,适当提高风机运行经济性。

(3)机组负荷调整过程中(特别是降负荷过程),控制机组负荷变化率,尽量降低一次风机开度和转速的调节速度,有利于风机性能稳定变化,避免风机进入不稳定运行状态。

3.2 对风机本体实施改造

为了减小风机运行在不稳定区域的风险,可选择与现有一次风机系统更加适配的风机。根据风机性能试验数据,可得到新的风机选型参数,如表6所示。新的选型参数对应的风机风量和风压均小于原设计参数,电机和变频器可利旧。

表6 新风机选型参数

3.3 对消音器所在风道壁面进行优化

当一次风机在不稳定状态下运行时,其风量会发生明显的波动,造成消音器所在腔室产生气流脉动。由于消音器腔室壁面为8 mm厚的孔板、玻纤布、憎水玻璃棉等软质复合透气材料组成,在气流脉动的作用下其软质壁面会产生与风机不稳定运行频率同步的扇动,进而带动整个框架振动。

因此,将消音器所在腔室的壁面由软质材料更换成硬质不透气材料,可解决壁面随气流脉动扇动的问题。若对烟道壁面材质进行更换,需根据增加的重量对烟道支撑强度进行校核。

4 结论

针对某机组一次风机进口消音器管道振动剧烈的问题,本文通过理论计算、振动测试、现场风机性能试验、数值模拟计算等多种方法,排除了卡门涡街引起的声学共振问题。通过振动测试、风机试验和数值模拟,确定了主要原因。最后,根据提出方案进行运行优化调整,解决消音器管道振动问题,目前风机运行良好。

由于离心风机失速范围小,在火电机组运行中,与其相关的振动问题主要是由动平衡、轴承故障、对中不齐等因素引起的,而由于其本身气动性能原因引起的消音器管道振动问题比较少见。本文解决该问题的思路和方法对以后相关问题的处理具有明显的借鉴和指导意义。