盧雙龍 劉林波 王樹深* / 湖北省電力公司電力科學研究院
摘要：某電廠兩臺引風機在調試期間均出現了不同程度的振動問題，主要表現在風機水平方向振動偏大和高轉速下振動不穩定兩個方面。通過對DCS監測系統振動數據分析，指出動靜摩擦是導致風機不穩定振動的主要原因，基礎剛度不足是導致風機異常振動的根本原因。現場通過對風機基礎進行加固處理后，從根本上解決了引風機振動問題。
關鍵詞：引風機；振動；故障診斷
中圖分類號：TH432 文獻標志碼：B
Vibration Analysis and Diagnosis Disposal for Boiler Induced Draught Fan during Debugging Process
Abstract: Vibration problems with different degree occurred in two boiler induced draught fans during the debugging process in a plant. Large vibration occurred in the horizontal direction and then turned to unstable in high rotating speed. Based on the vibration measured data on DCS monitoring system, we found that rub between stator and rotor is the major cause of the unstable vibration. Insufficient base stiffness is the fundamental cause of the abnormal vibration. By reinforcing the fan base in field, vibration faults were solved successfully.
Key words: induced draught fan; vibration; fault diagnosis
0 引言
引風機是火電廠主要輔助設備之一，其運行情況的好壞直接關系到鍋爐能否安全穩定運行。振動是影響引風機正常運行的重要因素，克服和解決引風機振動問題將有助于鍋爐長期安全穩定運行。
某電廠兩臺引風機在調試期間均出現了不同程度的振動問題，嚴重影響了機組安全穩定運行。本文對DCS監測系統振動數據進行了詳細分析，總結出了機組振動規律，找出了機組故障原因，制定了振動治理方案，方案實施后徹底消除了引風機振動故障。
1 概述
該廠引風機為上海鼓風機廠生產14144Z/1800型雙吸離心式引風機，配以上海電機廠生產的YKK710-6型電動機，通過液力耦合器控制風機轉速（200～950r/min）。該機組由電動機、耦合器、引風機及4個徑向軸承組成，軸系結構示意圖見圖1。
在調試期間，兩臺引風機均出現了不同程度的振動問題，主要表現在：引風機A在745r/min定速過程中出現了一定程度的波動，在轉速提高至775r/min過程中，在短短30s內由4.0mm/s直線爬升至11.2mm/s，并導致振動保護動作停機；引風機B在745r/min定速過程中出現了一定程度的爬升，在10min內由定速初期的4.5mm/s增加至7.8mm/s，最后手動停機。
2 振動特征
由于該廠兩臺引風機振動特征相似，本文僅以引風機A為例進行了詳細分析。圖2給出了引風機A在首次啟動過程中的振動趨勢圖（注：圖2取自DCS監測系統）。從圖2可以看出，該廠引風機主要具有以下振動特征：
1） 風機振動和轉速有較大關聯，轉速變化振動立即變化；
2） 風機兩個方向振動差別較大，水平方向振動較大，垂直方向振動較小；
3） 風機中速運行時振動存在一定程度的波動，高速定速過程中振動出現明顯爬升；
4） 在振動異常過程中，水平方向振動變化較大，垂直方向變化較小；
5） 在停機過程中，風機振動明顯高于升速過程中相同轉速下的振動。
3 振動原因分析
由于風機振動始終處于較高水平，電機和液力耦合器振動較小，可以認為故障部位主要發生在風機上。對于引風機的振動問題，主要從測試、氣流、電氣、機械和基礎等因素進行詳細分析。
3.1 測試誤差
由于風機安裝的4個相同型號加速度傳感器中，僅有水平方向2個測點振動偏大，為此將現場振動數據和DCS監測系統數據進行了比較，結果表明兩者相差不大，可以排除監測系統故障。
3.2 轉子平衡
由于風機振動和轉速有較大關聯，轉速變化振動立即變化，說明風機轉子存在一定的質量不平衡。由于風機垂直方向振動始終處于較低水平，說明風機轉子原始不平衡量較小，表明風機振動和轉子質量不平衡之間關聯不大。
3.3 軸承缺陷
如果軸承存在缺陷，將導致轉子-軸承系統支撐剛度降低，在激振力不大時會產生較大的振動[1]。但當軸承存在缺陷時，軸承水平和垂直兩個方向振動應同步變化，不應該僅僅在水平方向有十分明顯的反應；另外，兩臺風機4個軸承同時存在缺陷的可能性較小，可以排除軸承存在缺陷的可能。
3.4 風道影響
在引風機進、排氣管道和風機殼體之間安裝有膨脹節，可以有效地補償管道受熱膨脹等因素對風機殼體和振動的影響。另外，如果風機管道存在問題，那么殼體振動同樣應處于較高水平，但現場測試數據顯示風機殼體振動并不大，可以認為風機振動與管道無關。
3.5 氣流因素
當受氣流因素影響較大時，風機軸承將出現較大程度的不穩定振動現象。在風機異常振動過程中，電機電流、擋板開度、風機出口壓力等參數基本保持不變，現場也沒有聽到明顯噪聲，可以排除喘振和旋轉失速等氣流因素引起不穩定振動的可能。
3.6 電氣故障
在斷電瞬間，風機振動大幅度降低，這似乎屬于電磁振動的范疇。但如果存在電氣故障，那么在電機啟動瞬間，風機振動同樣應處于較高水平。從現場測試情況來看，在電機啟動瞬間，風機振動并不大，這與電磁振動特性不符，說明風機振動并不是由于電氣故障引起的。
3.7 動靜摩擦
當轉動部件和靜止部件之間間隙消失后，動靜部件將直接接觸，產生摩擦振動，這種振動可以在任何轉速下發生，和機組運行工況沒有明顯規律。從振動規律上看，風機不穩定振動很有可能是動靜摩擦引起的。
關于該廠引風機不穩定振動現象，可以作如下解釋：風機中速運行時屬于輕微的、不連續的局部摩擦，此時轉動部件和靜止部件處于時而接觸、時而脫離的狀態，表現為振動幅值時大時小，很不穩定。由于摩擦程度較輕，振動并沒有出現明顯惡化，風機高速運行時屬于動靜部分始終脫離不了接觸的重度摩擦，由此導致振動變大，振動增大又加劇了摩擦，在振動與摩擦之間形成了惡性循環，表現為振動幅值持續上升，而且上升的速度越來越快。
在停機過程中，振動明顯高于升速過程中相同轉速下的振動，說明風機轉子存在一定程度的熱彎曲，在引風機還未帶熱負荷的情況下，這種熱變形只能是由摩擦引起的。由于風機垂直方向振動變化不大，說明風機轉子熱變形量較小，表明當時摩擦程度并不嚴重。由此可見，動靜摩擦是導致引風機不穩定振動的主要原因，但卻不是引起引風機異常振動的根本原因。
3.8 基礎因素
在通常情況下，軸承座等固定部件的振動與激振力成正比，與結構動剛度成反比。在激振力一定的情況下，振動幅值取決與動剛度的大小[2]。由于風機側水平方向振動較大，垂直方向振動較小，說明軸承座兩個方向動剛度差別較大，在激振力相同的情況下，水平方向振動偏大只能是軸承座水平方向動剛度偏低引起的。從水平方向和垂直方向振動相差近15～20倍來看，說明風機軸承座橫向支承剛度嚴重不足。
在通常情況下，影響軸承座動剛度的因素主要有連接剛度、結構剛度和共振。連接剛度反映了兩個部件之間的連接情況，大多數情況指軸承座與臺板之間的連接剛度[3]。軸承座外部特性試驗數據表明，部件之間差別振動非常小，說明各部件之間連接情況很好，可以排除連接剛度不足引起風機振動的可能。
在排除連接剛度不足后，分析認為基礎剛度不足是導致引風機異常振動的根本原因。雖然風機基礎本身不會引起任何振動，但任何轉子系統都存在少量的質量不平衡，該不平衡會引起振動，在基礎剛度不足的情況下，它會加劇該不平衡所引起的振動，從而導致引風機振動問題[4]。
從現場實際情況來看，風機基礎由兩根4 300mm×1 300mm×720mm鋼筋混凝土立柱組成（圖3），呈明顯立高狀，這種結構設計使支撐系統撓度大、剛度差及承載抗擾性能差。由于引風機轉子較重（16t），在目前這種支撐系統較高且相對單薄的情況下，在運行過程中非常容易產生橫向剛度不足的情況，并由此導致引風機振動問題。
為了進一步驗證振動與基礎之間的關系，現場對風機基礎進行了振動測試，測試結果顯示風機基礎振動確實較大，從軸承座至風機基礎呈逐漸增大的趨勢，這說明風機支撐系統存在較大問題，并由此引起引風機振動問題，這也與前面分析得到的結論一致。
由于基礎剛度不足會導致轉子-支承系統共振頻率降低，不能排除風機在高轉速運行時發生共振的可能。從振動測試情況來看，當引風機A轉速由745r/min提高到775r/min后，水平方向振動由4mm/s增至7.8mm/s；由775r/min降低至745r/min后，水平方向振動由12.4mm/s迅速減小至5.6mm/s。風機轉速在如此小的范圍內變化，振動卻出現如此大的變化，說明風機在高速運行時（775r/min附近）很有可能處于共振區域附近。
綜上所述，由于基礎結構設計不合理，使風機支撐系統承載抗擾性能降低，在運行過程中出現了橫向剛度嚴重不足的情況，導致風機水平方向振動始終處于較高水平。在高轉速運行時，由于水平方向振動幅值超過了轉動部件和靜止部件之間的間隙，產生了摩擦振動。雖然摩擦程度并不嚴重，但由于處于共振區附近，導致振動對激振力變化十分敏感，使得任何微小平衡狀態的改變在軸承座水平方向上都得到了明顯反應；由此可見，導致引風機異常振動的根本原因為基礎剛度嚴重不足所致。
4 振動處理措施
在處理因基礎剛度不足導致的振動問題時，理論上可以從減小激振力和提高支承系統剛度兩個方面著手。在實際處理時，受現場條件、工期等多方面因素的限制，大多是從減小激振力的角度來解決這類振動問題[5]。但對于該廠引風機的振動問題，僅通過減小激振力的方法并不能從根本上解決，這是因為引風機工作環境的特殊性，在運行過程中經常出現葉輪磨損和葉片積灰等情況，這使風機轉子非常容易產生一定的質量不平衡，在目前這種水平剛度嚴重不足的情況下，會經常導致引風機振動問題，為鍋爐安全穩定運行留下隱患；由此可見，動平衡只能是一種臨時緩解該廠引風機振動問題的辦法，并不能從根本上解決該廠引風機的振動問題；因此，要徹底解決該廠引風機目前所存在的振動問題，必須對風機基礎進行現場加固（圖4）。
5 振動治理效果
通過對風機基礎進行加固處理后，兩臺風機均可以平穩升至最高工作轉速。表1給出了兩臺風機在基礎加固前后的振動數據。
從表中數據可以看出，在對風機基礎進行加固處理后，兩臺風機振動均大幅度降低；在最高轉速下，兩臺引風機振動均小于1.5mm/s，說明在對風機基礎進行加固處理后，使得風機基礎穩定性大幅度提高，從根本上解決了引風機異常振動問題。在試運過程中，風機振動始終處于較低水平，表明該廠兩臺引風機異常振動治理工作取得了圓滿成功。
6 結論
根據DCS監測系統振動數據，對某電廠兩臺引風機在調試期間所存在的振動問題進行了詳細分析，指出基礎剛度不足是導致引風機異常振動的根本原因。現場通過對風機基礎進行加固處理后，從根本上解決了該廠引風機的振動問題。
從這兩臺引風機振動處理結果來看，基礎結構設計非常重要，即使在各部件安裝較好的情況下，如果基礎結構設計不合理，那么同樣會引起較大的振動。由于這種情況屬于設計缺陷，在現場從根本上解決有較大難度，希望相關單位對基礎結構設計能給予足夠重視。
參 考 文 獻
[1] 楊建剛,陳余平.南昌鋼鐵廠軸流壓縮機振動故障分析.流體機械[J].2002,30(6):30-33.
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