電站風(fēng)機(jī)振動(dòng)故障診斷的方法研究

柳 磊，王新良，王 東，劉 成，馬國(guó)偉

(國(guó)電科學(xué)技術(shù)研究院有限公司銀川分公司，銀川 750011)

0 引 言

對(duì)于火電機(jī)組，除鍋爐、汽機(jī)、發(fā)電機(jī)以外，風(fēng)機(jī)、泵等輔機(jī)設(shè)備也是其重要組成部分。尤其作為鍋爐重要輔機(jī)設(shè)備的各類型風(fēng)機(jī)，對(duì)保證鍋爐的安全穩(wěn)定運(yùn)行起到至關(guān)重要的作用。電站風(fēng)機(jī)按其結(jié)構(gòu)形式可以分為軸流式風(fēng)機(jī)和離心式風(fēng)機(jī)[1]，前者又可以分為一級(jí)、兩級(jí)動(dòng)葉可調(diào)軸流式風(fēng)機(jī)。按照功能可以分為：一次風(fēng)機(jī)、送風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)等。

電站風(fēng)機(jī)的故障種類很多，文章從旋轉(zhuǎn)設(shè)備的振動(dòng)特性出發(fā)，研究電站風(fēng)機(jī)的振動(dòng)故障特性及其診斷方法。研究表明，引起旋轉(zhuǎn)設(shè)備振動(dòng)故障的主要原因有：不平衡、轉(zhuǎn)動(dòng)部件松動(dòng)、基礎(chǔ)連接剛度降低、軸承損壞等[2-4]。

依據(jù)電站風(fēng)機(jī)振動(dòng)故障診斷的一般分析法，選取最為常見的不平衡、軸承損壞兩類振動(dòng)故障[5]為研究對(duì)象，對(duì)電站風(fēng)機(jī)振動(dòng)故障特征、診斷及解決措施進(jìn)行分析研究。

1 電站風(fēng)機(jī)振動(dòng)故障的分析法

振動(dòng)故障的一般診斷分析方法，主要是利用傳感器采集振動(dòng)信號(hào)，傳輸至振動(dòng)測(cè)試儀器進(jìn)行信號(hào)處理分析，最后輸出測(cè)試數(shù)據(jù)至計(jì)算機(jī)，振動(dòng)測(cè)試分析原理如圖1所示。工程師依據(jù)測(cè)試經(jīng)驗(yàn)及測(cè)試數(shù)據(jù)，分析給出振動(dòng)故障的原因及相應(yīng)的處理措施。值得關(guān)注的是，隨著FFT快速傅里葉算法的廣泛應(yīng)用，振動(dòng)信號(hào)的頻譜分析在振動(dòng)故障分析診斷中起到尤為重要的作用，使得測(cè)試精度及診斷準(zhǔn)確性得到提高。

圖1 電站風(fēng)機(jī)振動(dòng)測(cè)試分析圖

風(fēng)機(jī)振動(dòng)測(cè)試所用的傳感器有加速度傳感器、速度傳感器。其中靈敏度為20 mV/(mm·s-1)的速度傳感器應(yīng)用最為廣泛，該傳感器測(cè)量1 mm/s的振速對(duì)應(yīng)傳感器輸出20 mV的直流電壓，該信號(hào)經(jīng)過振動(dòng)測(cè)試儀器的運(yùn)算輸出幅值(有效值、峰峰值，常見為峰峰值)、振速等數(shù)據(jù)，并可以依據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)，提供故障風(fēng)機(jī)的振動(dòng)頻譜圖、伯德圖等。

2 振動(dòng)故障的診斷

2.1 不平衡振動(dòng)故障的診斷

由于早期國(guó)家環(huán)保要求低，電站鍋爐的電除塵、脫硫、脫硝設(shè)備存在煙氣旁路，為降低環(huán)保運(yùn)行成本，高塵、高腐蝕性煙氣不經(jīng)處理直接流經(jīng)風(fēng)機(jī)排到大氣，此時(shí)電站引風(fēng)機(jī)常常出現(xiàn)由于葉輪腐蝕、積灰造成的不平衡振動(dòng)故障。近些年來，受國(guó)家環(huán)保政策影響，煙氣旁路被拆除，較少出現(xiàn)上述原因?qū)е碌牟黄胶庹駝?dòng)故障。

除此之外，受設(shè)備安裝、檢修等因素影響，電站風(fēng)機(jī)常出現(xiàn)不平衡振動(dòng)故障。如：某300 MW機(jī)組2號(hào)爐A送風(fēng)機(jī)(一級(jí)動(dòng)葉可調(diào)軸流式風(fēng)機(jī))在檢修更換執(zhí)行機(jī)構(gòu)平衡錘后，出現(xiàn)不平衡振動(dòng)故障，后經(jīng)稱重發(fā)現(xiàn)，新更換的平衡錘比舊平衡錘重30 g。

綜合分析不平衡振動(dòng)故障，有以下3個(gè)故障特征：轉(zhuǎn)速一定時(shí)振動(dòng)幅值及相位穩(wěn)定、一倍頻分量占通頻幅值70%以上、多次啟動(dòng)振動(dòng)再現(xiàn)性好。

對(duì)于振動(dòng)相位穩(wěn)定，一倍頻分量占通頻幅值70%以上的振動(dòng)，通常可以采用現(xiàn)場(chǎng)高速動(dòng)平衡的方法消除振動(dòng)故障。電站風(fēng)機(jī)中，除個(gè)別小型離心式風(fēng)機(jī)(如：磨煤機(jī)密封風(fēng)機(jī)，轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，電機(jī)電壓為380 V)，其他大型電站風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速通常為1 500 r/min、1 000 r/min(電機(jī)電壓等級(jí)6 kV)。對(duì)于電站風(fēng)機(jī)，通常認(rèn)為其為剛性轉(zhuǎn)子，其動(dòng)平衡試驗(yàn)方法也較汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)等柔性轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡簡(jiǎn)單。可采用單平面加重的動(dòng)平衡試驗(yàn)方法[6-9]，通常的步驟為：

1)測(cè)量出風(fēng)機(jī)軸承處的水平、垂直方向振動(dòng)幅值及其相位角度。

2)加重位置的選擇。依據(jù)平衡加重方法，首先計(jì)算出加重位置，由于假定電站風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子為剛性轉(zhuǎn)子，其機(jī)械滯后角為0。

3)加重量的選擇。如果已知影響系數(shù)，可利用向量運(yùn)算計(jì)算出待加重量和加重位置,通常第一次加重為試加重。

4)第一次試加重后，啟動(dòng)風(fēng)機(jī)再次測(cè)量振動(dòng)數(shù)據(jù),依據(jù)加重后風(fēng)機(jī)振動(dòng)情況，計(jì)算得出影響系數(shù)。

5)利用影響系數(shù)計(jì)算得出第二次加重量及加重方向。

6)第二次加重后，啟動(dòng)風(fēng)機(jī)測(cè)量風(fēng)機(jī)振動(dòng)情況。

7)通常進(jìn)行到這一步，風(fēng)機(jī)振動(dòng)故障已經(jīng)得到消除，動(dòng)平衡試驗(yàn)結(jié)束。

以某330 MW電站2號(hào)爐A送風(fēng)機(jī)(一級(jí)動(dòng)葉可調(diào)軸流式風(fēng)機(jī))為例，該風(fēng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速1 490 r/min，為沈陽(yáng)鼓風(fēng)機(jī)有限公司生產(chǎn)制造的ASNl950-1000一級(jí)動(dòng)葉可調(diào)軸流式風(fēng)機(jī)，該風(fēng)機(jī)在更換動(dòng)葉平衡錘后，由于旋轉(zhuǎn)部件質(zhì)量分布不均引起不平衡振動(dòng)故障，其動(dòng)平衡試驗(yàn)情況如下：檢修后首次啟動(dòng)，風(fēng)機(jī)軸承水平方向振動(dòng)同頻幅值為254.1 μm，一倍頻分量1X為252 μm∠184°，利用平衡原理，計(jì)算得出其試加位置為逆轉(zhuǎn)向4°，如圖2所示。

圖2 某送風(fēng)機(jī)動(dòng)平衡試加位置計(jì)算圖

依據(jù)測(cè)試經(jīng)驗(yàn)，試加重量定為306 g，加重后啟動(dòng)風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)水平方向振動(dòng)通頻幅值下降至95.72 μm，一倍頻分量1X為93.86 μm∠258°，計(jì)算得出影響系數(shù)α為0.802∠342°。利用影響系數(shù)法計(jì)算得出，第二次加重量及加重位置為310 g∠20°(去掉第一次加重量)，具體如表1所示。

表1 某電站送風(fēng)機(jī)動(dòng)平衡試驗(yàn)記錄表

2.2 軸承損壞的振動(dòng)故障

受檢修周期及軸承運(yùn)行壽命影響，由軸承失效引起的電站風(fēng)機(jī)振動(dòng)故障也呈日益增加趨勢(shì)。軸承失效一般可分為止動(dòng)失效和精度失效兩種。其中，止動(dòng)失效是指軸承因失去工作能力而終止轉(zhuǎn)動(dòng)，通常是由于卡死、斷裂等因素引起；精度失效是指軸承因配合尺寸變化，失去了原設(shè)計(jì)要求的精度，雖然能轉(zhuǎn)動(dòng)，但其狀態(tài)已屬異常，表現(xiàn)為振動(dòng)和溫度變化，該類失效形式通常是由于疲勞剝落、銹蝕、磨損、膠合等因素引起。據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，電站風(fēng)機(jī)軸承的失效形式多為精度失效。

電站風(fēng)機(jī)軸承較多采用圓柱滾子軸承，隨著機(jī)組負(fù)荷頻繁調(diào)節(jié)，風(fēng)機(jī)的載荷也隨著負(fù)荷頻繁變化，從而導(dǎo)致軸承失效引起的風(fēng)機(jī)振動(dòng)故障頻發(fā)。通常引起軸承故障的原因有：軸承接觸面過熱、點(diǎn)蝕、潤(rùn)滑油質(zhì)污染、潤(rùn)滑失效、較大的動(dòng)載荷、轉(zhuǎn)配間隙過大等。軸承失效需要一定的過程，一般分為失效初級(jí)、失效中期、失效后期。該類故障較難監(jiān)控，一旦發(fā)現(xiàn)，軸承失效已經(jīng)發(fā)展到了中后期，此時(shí)振動(dòng)故障特征較為明顯，即頻譜中出現(xiàn)軸承對(duì)應(yīng)的特征頻率[10-11]。風(fēng)機(jī)軸承包括四部分：滾動(dòng)體、保持架、內(nèi)圈、外圈。四部分對(duì)應(yīng)的特征頻譜不同，如：某電站一次風(fēng)機(jī)采用N2206圓柱滾子軸承，其在額定轉(zhuǎn)速(1 495 r/min)下對(duì)應(yīng)的軸承內(nèi)圈特征頻率(BFI)為188.34 Hz，軸承外圈特征頻率(BFO)為135.58 Hz，保持架特征頻率(FTF)為14.49 Hz，滾動(dòng)體特征頻率(BSF)為74.45 Hz。

因此，通過振動(dòng)測(cè)試儀器采集電站風(fēng)機(jī)的振動(dòng)故障信號(hào)，通過FFT傅里葉變換等一系列數(shù)據(jù)處理，輸出振動(dòng)信號(hào)的頻譜數(shù)據(jù)。通過分析頻譜，查找故障特征頻譜，基本可以定性分析診斷出故障原因，這就是頻譜分析在電站風(fēng)機(jī)振動(dòng)故障診斷中最為關(guān)鍵的一點(diǎn)。

以某電廠2號(hào)爐A一次風(fēng)機(jī)振動(dòng)故障為例，該風(fēng)機(jī)為國(guó)產(chǎn)某公司生產(chǎn)的離心式送風(fēng)機(jī)。該風(fēng)機(jī)由一臺(tái)異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，額定轉(zhuǎn)速為1 485 r/min，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖3所示(1號(hào)、2號(hào)軸承均采用圓柱滾子軸承，型號(hào)為NU220E)。

圖3 某一次風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

該風(fēng)機(jī)自投產(chǎn)以來，振動(dòng)情況良好，2017年8月經(jīng)過B級(jí)檢修后，初次啟動(dòng)過程中，該風(fēng)機(jī)振動(dòng)值突然增大，后停機(jī)復(fù)查中心、軸承間隙及地腳螺栓等，均未發(fā)現(xiàn)問題。再次啟動(dòng)后，1號(hào)軸承水平、垂直方向振動(dòng)增大，約6.7 mm/s，且大于報(bào)警值(4.5 mm/s)，此時(shí)振動(dòng)值一直在6.7 mm/s左右，且具有增加趨勢(shì)，嚴(yán)重威脅到機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

通過對(duì)該風(fēng)機(jī)進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試，對(duì)所得振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合頻譜分析，發(fā)現(xiàn)測(cè)試中，1號(hào)軸承水平方向振動(dòng)數(shù)據(jù)的頻譜圖中有高頻(5.83X，170.87 Hz)分量出現(xiàn)。根據(jù)軸承手冊(cè)，查得1號(hào)軸承NU220E為加強(qiáng)型圓柱滾子軸承，其在1 485 r/min額定轉(zhuǎn)速下對(duì)應(yīng)的軸承內(nèi)圈特征頻率(BFI)為170.87 Hz，軸承外圈特征頻率(BFO)為227.80 Hz，保持架特征頻率(FTF)為14.24 Hz，滾動(dòng)體特征頻率(BSF)為85.46 Hz。據(jù)此，認(rèn)為該軸承存在失效，此為振動(dòng)增大的主要原因。

由于此時(shí)振動(dòng)已經(jīng)較大，接近保護(hù)動(dòng)作值(7.1 mm/s)，故建議立即停機(jī)處理，后解體檢查發(fā)現(xiàn)，1號(hào)軸承1、2、3點(diǎn)方向有不同程度磨損，且1處磨損痕跡較為明顯，詳見圖4、圖5。

圖4 軸承磨損示意圖

如圖5箭頭所示，1號(hào)軸承內(nèi)圈接觸面磨損嚴(yán)重。更換新軸承后，風(fēng)機(jī)振動(dòng)值較小，風(fēng)機(jī)帶負(fù)荷過程中，振動(dòng)情況良好。其中，1號(hào)、2號(hào)軸承水平、垂直方向振動(dòng)值均在2 mm/s以內(nèi)，具體如表2所示。

圖5 1號(hào)軸承磨損位置圖

表2 一次風(fēng)機(jī)軸承更換前后振動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)表

1號(hào)軸承內(nèi)圈接觸面有明顯的磨損凹痕。風(fēng)機(jī)小修后啟動(dòng)過程中，1號(hào)軸承在水平和垂直方向突發(fā)激振力的作用下，使軸承內(nèi)圈頂壓圓柱滾子軸承，對(duì)軸承外圈接觸面造成如圖5所示的壓痕，使得軸承出現(xiàn)精度失效。軸承的精度失效，是造成該風(fēng)機(jī)振動(dòng)增大的主要原因。

3 結(jié) 語

造成當(dāng)前電站風(fēng)機(jī)振動(dòng)故障的兩個(gè)主要原因?yàn)椴黄胶饧拜S承失效。結(jié)合振動(dòng)故障案例，給出了診斷分析過程及解決措施。為此，利用頻譜分析法，總結(jié)得出電站風(fēng)機(jī)振動(dòng)故障的一般診斷分析法：

1)通過振動(dòng)測(cè)試，測(cè)得故障風(fēng)機(jī)的振動(dòng)數(shù)據(jù)；

2)利用頻譜分析，查找振動(dòng)故障原因?qū)?yīng)的特征頻譜；

3)依據(jù)特征頻譜，確定電站風(fēng)機(jī)的振動(dòng)故障原因及處理措施。