浅析轴流式吸风机振动增大故障诊断及处理

2024-05-13曹景芳李生伟李梦林

中国设备工程 2024年9期

曹景芳，李生伟，李梦林

（华电国际电力股份有限公司邹县发电厂，山东济宁 272000）

吸风机是燃煤机组烟气系统的主要设备，担负着连续不断地把燃烧生产的烟气及飞灰排出炉外的任务，同时，克服烟气流通过程中的阻力，使炉膛保持一定的负压。发电厂采用的吸风机一般有2种型式：离心式和轴流式。一般来说，离心式吸风机具有较悠久的发展历史，具有结构简单、运行可靠、效率较高、制造成本较低、噪音小等优点。但随着锅炉单级容量的增大，离心式吸风机的容量已经受到叶轮材料强度的限制，不能随锅炉单级容量的增加而相应增大，而轴流式吸风机可以做得很大，且具有结构紧凑、体积小、重量轻，耗电低、低负荷时效率高等优点。

轴流式吸风机运行调节有3种方式：动叶调节、节流调节、变速调节和进口静叶调节。动叶调节是通过改变风机叶片的角度，使风机的曲线发生改变，来实现改变风机的运行工作点和调节风量。这种调节由于经济性和安全性较好，而且每个叶片角度对应一条曲线，且叶片角度的变化几乎和风量成线性关系。节流调节与离心风机的原理相似，采用节流调节是最不经济的。变速调节和进口静叶调节时系统阻力不变，风量随风机特性曲线的改变而改变，风机的工作点易进入不稳定工况区域运行。

某电厂3#锅炉B吸风机于2013年6月随脱销工程改造，换型为沈阳鼓风机集团有限公司生产的ASS-2900/2100-1KQ型、单级轴流吸风机，风机为动叶可调轴流式风机，每台炉的2台风机并联运行，顺式布置，垂直进气，水平出气。电机额定功率2500kW，风机转速990r/min，叶片外径2900mm、叶轮轮毂直径2100mm，叶片数量24片。风机转子采用整体轴承箱，轴承箱采用SKF滚动轴承，共有3套，轴承型号分别为：NU1010MA、23240CC/W33、29344E。

风机共1个油站，2台油泵，一运一备，油泵出口压力5.0MPa，高压油供动叶调整，高压油经减压阀减压，供风机轴承、电机轴承润滑。

风机结构包括：进口消音器、进口膨胀节、进口风箱、机壳、转子、扩压器、联轴器及其保护罩、调节装置及执行机构、液压及润滑供油装置和测量仪表、风机出口膨胀节、进出口配对法兰。电动机通过中间轴传动风机主轴。

1 故障现象

3#炉B吸风机安装有2个在线振动测点，振动探头固定在风机轴承箱上，在线水平方向振动测点安装在轴承箱靠近叶轮侧，为风机轴承箱非驱动端水平方向；在线垂直方向测点安装在轴承箱靠近联轴器侧，为风机轴承箱驱动端垂直方向。2019年12月28日，发现生产实时数据3#锅炉B吸风机振动值在逐步增大，调取历史数据曲线，在线水平振动从2019年12月18日1.5mm/s增大至12月28日2.8mm/s，振动标准≤4.6mm/s，后跟踪发现振动一直增大，在线垂直振动趋势与水平振动一致，但幅值略小。2020年1月7日，风机在线水平振动为6.1mm/s（轴承箱），超过报警值，而就地测量振动值为1.8mm/s（机壳）。于1月8日7点14分停风机进行检查，未发现故障点，叶轮上有少量积灰，予以清理，8日22点41分启动风机运行，在线振动值在5.0mm/s左右。

2 原因分析

2.1 振动数据对比

2020年1月9日，该厂联系作者对3#炉B吸风机振动增大进行诊断分析，在了解3#炉B吸风机的振动发展情况后，要求该厂技术人员先用手持式振动表对3#、4机组同类型的四台吸风机壳体轴承箱位置处振动情况进行了测量，以判断在线振动测量数值是否准确，数据如下：

3#炉A吸风机：在线振动值水平1.25mm/s，垂直1.31mm/s，手持式振动表测量壳体振动值水平1.1mm/s；

3#炉B吸风机：在线振动值水平4.98mm/s，垂直4.27mm/s，手持式振动表测量壳体振动值水平1.5mm/s；

4#炉A吸风机：在线振动值水平0.4mm/s，垂直0.24mm/s，手持式振动表测量壳体振动值水平0.6mm/s；

4#炉B吸风机：在线振动值水平0.66mm/s，垂直0.43mm/s，手持式振动表测量壳体振动值水平0.7mm/s。

从上述数据可以看出，3#炉B吸风机在线振动值与现场壳体测量振动值偏差较大，而其他3台风机在线振动值与现场测量振动值基本一致。根据多年振动诊断经验，对单级轴流式风机而言，风机壳体振动测量值与在线测量的振动值基本一致，且一般机壳振动值略大于轴承箱振动值。但3#炉B吸风机两者差别较大，分析有2种可能性：一是若在线振动值与机壳振动测量值都是正确的，则风机可能存在轴承箱固定螺栓松动，或支撑轴承箱的筋板焊缝出现裂纹；二是若固定螺栓没有松动、焊缝没有出现裂纹，则在线振动测量存在不准确的问题，需要排查测量系统查找造成测量不准确的因素。

2.2 振动诊断

1月10日，对3#炉B吸风机进行现场振动诊断，因风机在运行状态，离线式振动分析仪传感器无法放入轴承箱，仅在壳体进行了振动测量。壳体振动测量有以下特征，见图1～3。

图1 风机壳体频谱图

图2 风机壳体解调频谱图

出现较高幅值的24X转速频率。24X转速频率为叶片通过频率，分析叶片有故障点，需要检查风机叶片状态。

出现1X转速频率及其谐波频率，说明存在C型机械松动。

出现8.18X转速频率及其谐波频率，并有底噪出现。8.18X转速频率为非整数倍转速频率，在滚动轴承设备中，此故障频率一般为轴承故障频率。滚动轴承故障频率与滚动体直径、滚动体数目、节圆直径、接触角有关，计算公式如下：

FTF=r/60×1/2×(1-d/D×cosα)

BPFI=r/60×1/2×n(1+d/D×cosα)

BPFO=r/60×1/2×n(1-d/D×cosα)

BSF=r/60×1/2×D/d×[1-(d/D)^2×cos^2(α)]

其中，FTF为保持架故障特征频率；BPFI为内圈故障特征频率；BPFO为外圈故障特征频率；BSF为滚动体故障特征频率；r为轴承转速，转/分钟；n为滚珠个数；d为滚动体直径；D为轴承节圆直径；α为滚动体接触角（contact angle）。

该风机轴承箱内共有3套滚动轴承，轴承型号分别为NU1010MA 23240CC/W33 29344E，SKF生产，根据滚动轴承故障特征频率计算各故障特征频率如下：

轴承NU1040MA：FTF=0.4490，BSF=4.85，PFO=10.776，BPFI=13.22；轴承23240CC/W33：FTF=0.4328，BSF=3.55，BPFO=8.22，BPFI=10.776；轴承29344E：FTF=0.4577，BSF=3.73，BPFO=10.07，BPFI=11.93。

但由于滚动轴承在运行中出现磨损造成接触角等参数的变化，实际轴承故障特征频率与计算故障特殊频率略有不同但相近，分析8.18X与8.22X相近，分析该故障特征频率为推力轴承23240CC/W33外圈故障特征频率。

解调波形图中冲击达27g，见图3。考虑到该信号是在轴承壳体上采集的，距离轴承箱中间有一较大空腔，信号会出现大幅衰减，如在轴承箱上测量数据要远大于此。

图3 风机壳体解调波形图

综合上述信息，3#炉B吸风机存在以下问题：

（1）风机叶轮有一叶片出现故障；（2）风机推力轴承外圈出现严重磨损；（3）风机测量系统存在测量不准确问题或风机轴承箱固定螺栓松动、支撑轴承箱的筋板焊缝出现裂纹。

1月14日，再次对3#炉B吸风机进行振动诊断，发现推力轴承23240CC/W33外圈故障特征频率8.18X转速频率幅值出现明显增大，并出现23240CC/W33内圈故障特征频率10.8X转速频率及其谐波频率，见图4，轴承内、外圈故障频率均已出现，在轴承内外圈均磨损加剧的情况下，分析轴承滚动体也会出现磨损，判断风机轴承劣化加速，按轴承故障发展九个阶段划分，推力轴承23240CC/W33内圈、外圈及滚动体均已严重磨损，轴承状态已进入故障发展的第8个阶段。

图4 风机壳体振动频谱对比图（1月10日与1月14日）

2.3 检修建议

根据测量信息对轴承剩余寿命进行评估，发现轴承已进入故障发展的最后阶段，需要制定检修方案尽快检修，因时间已临近春节放假，考虑到转子本厂无法检修，需要外送检修，维修厂家人员大多已经放假，该厂计划在春节后进行3#炉B吸风机的检修工作，建议检修内容如下：

（1）风机转子外运检修，解体轴承箱检查轴承磨损情况，检查叶片并解体轮毂检查叶柄轴承磨损情况；（2）检查轴承箱固定螺栓有无松动情况；（3）对支撑轴承箱筋板焊缝进行表面探伤，检查是否出现焊缝裂纹；（4）检查风机在线振动测量系统，对传感器进行校验，检查测点信号线是否老化；（5）检查风机轴承润滑系统，对润滑油进行油质化验。根据轴承剩余寿命评估，3#炉B吸风机轴承箱维持运行的剩余时间已很短，在春节假期过后要尽快停运维修，在停运前的时间一定要加强监督，一旦发现振动增大、噪声出现或在线监测轴承温度升高，立即停运转入检修，并提前做好转子维修事宜的安排工作。