鍋爐引風(fēng)機模塊振動高的原因與技術(shù)改造

鄧文武(中海殼牌石油化工有限公司，廣東 惠州 516028)

0 引言

某公司6臺鍋爐引風(fēng)機在試運行階段均出現(xiàn)在永磁調(diào)速器加載到50%時電機出現(xiàn)強烈振動。振動值超過驗收規(guī)范，且由于高振動鍋爐無法達(dá)到滿負(fù)荷運行，引風(fēng)機機組的可靠性于穩(wěn)定性也無法把控。初始懷疑是由于永磁調(diào)速器的永磁體與導(dǎo)磁體的不對中，經(jīng)建設(shè)方與業(yè)主在實踐中發(fā)現(xiàn)當(dāng)永磁調(diào)速器的永磁筒與導(dǎo)磁筒處于某種不對中狀況時(無固定規(guī)律)，通過調(diào)整對中情況，前述故障能夠在2#爐A/B引風(fēng)機系統(tǒng)得到緩解，并引風(fēng)機系統(tǒng)能加載到100%負(fù)載，但是在加載過程中需要控制不能出現(xiàn)過快的加載速度，否則還會出現(xiàn)高振動現(xiàn)象[1]。而1#爐A/B與3#爐A/B引風(fēng)機振動故障始終未能緩解，表明高振動的根本原因尚未解決。而且同一臺引風(fēng)機系統(tǒng)在不同的操作窗口，其針對數(shù)字也無規(guī)律，為了找出故障原因，使鍋爐負(fù)荷可以達(dá)到設(shè)計負(fù)荷，進(jìn)行了一系列分析與測試，問題也最終得以解決。

1 系統(tǒng)狀態(tài)

在鍋爐調(diào)試期間，三臺鍋爐的6臺引風(fēng)機(0754-C-402A～F)在提速試驗中均發(fā)生電機高振動，其中A/B臺通過調(diào)整永磁調(diào)速器對中解決了振動問題(由對中狀態(tài)調(diào)整為不對中狀態(tài)，對中數(shù)據(jù)無規(guī)律)，但是C/D/E/F四臺無法通過調(diào)整對中減輕振動。在風(fēng)機負(fù)荷快速提升，并達(dá)到某一負(fù)荷以上，通常是電機電流在14A以上，就會突然發(fā)生高振動，并且振動持續(xù)，只有大幅度降低負(fù)荷才能減緩振動。但是緩慢增加負(fù)荷過程中沒有發(fā)現(xiàn)振動發(fā)生。振動特征頻率范圍為49.3～52.1 Hz，電機非驅(qū)動端振動最大，調(diào)速器軸承也有振動但振幅顯著小于電機，風(fēng)機與基礎(chǔ)沒有振動或振動微小。電機單試正常(未安裝永磁調(diào)速器)。調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)永磁調(diào)速器的永磁轉(zhuǎn)子與導(dǎo)體轉(zhuǎn)子處于某種不對中狀況時(無固定規(guī)律)，能減輕振動。由于振動影響，(0754-C-402B/F)這兩臺風(fēng)機負(fù)荷只能限制在50%以下。機組傳動結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 機組傳動結(jié)構(gòu)

2 故障分析與測試

2.1 故障分析

基于現(xiàn)場現(xiàn)象以及測試數(shù)據(jù)，利用故障樹分析，發(fā)現(xiàn)鍋爐引風(fēng)機系統(tǒng)高振動原因可能在以下八個方面：

(1)電機轉(zhuǎn)子固有頻率發(fā)生改變。因為現(xiàn)場測試時電機單轉(zhuǎn)振動值正常，在與磁力耦合器導(dǎo)體轉(zhuǎn)子裝配后，電機振動值明顯升高，故懷疑導(dǎo)體轉(zhuǎn)子的裝配使其重量加載于電機的驅(qū)動端改變了電機的固有頻率；(2)引風(fēng)機模塊基礎(chǔ)剛度不足或者軟腳。鍋爐引風(fēng)機系統(tǒng)基礎(chǔ)采用架空式鋼結(jié)構(gòu)，電機四個地腳螺栓處通過紅丹粉進(jìn)行接觸面測試，存在接觸面積不足；且電機與耦合器系統(tǒng)重量在10 T左右，運行時底座出現(xiàn)振動；(3)永磁調(diào)速器質(zhì)量與功率損耗。磁耦質(zhì)量問題會導(dǎo)致磁通量不均勻，繼而在高負(fù)載情況下放大了磁通量的不對稱性，增大運行振動，增加運行功耗；(4)電機、磁力耦合器軸承失效。狀態(tài)監(jiān)測正常；(5)電機轉(zhuǎn)子不平衡。電機單試正常；(6)電機線電壓不穩(wěn)。電機單試正常；(7)永磁調(diào)速器操作調(diào)節(jié)速度過快；(8)相鄰機組引起的共振。

2.2 測試驗證

(1)永磁調(diào)速器快速升速(本次測試的升速幅度均在20%以上)過程中、電機啟動瞬間出現(xiàn)的高振動現(xiàn)象(較高振動發(fā)生在電機兩側(cè)水平H方向，峰值振動達(dá)20 mm/s RMS以上，其他如電機V，電機A/PMG A，電機基礎(chǔ)H/PMG H)，是由扭振激勵，并誘發(fā)電動機H方向結(jié)構(gòu)共振造成的。機組異常振動的發(fā)生，與永磁調(diào)速器(PMG)快速升調(diào)速有關(guān)，一般調(diào)速率在20%以上(比如：0～35%、35～60%、60%～80%等)調(diào)速過程中會出現(xiàn)較大振動(較高振動發(fā)生在電機兩側(cè)水平H方向，峰值振動達(dá)20 mm/s RMS以上，其他如：電機V、電機A/PMG A、電機基礎(chǔ)H/PMG H)，且調(diào)速閥一到位振動即開始回落[2]。穩(wěn)定運行情況下，振動均在4 mm/s RMS以下。另外電機啟動瞬間也出現(xiàn)相似頻率成分的振動突變。根據(jù) PMG 調(diào)速時輸出轉(zhuǎn)矩波動特性，以及主要頻率接近扭振測試頻率約25Hz的2倍的關(guān)系(足夠的頻率分辨率可以排除電源頻率50Hz的影響)，軸向方向呈現(xiàn)扭振頻率及其2倍頻，且PMG調(diào)速閥降至0%位過程中(輸出轉(zhuǎn)矩變小)，幅值降低小于1 mm/s RMS，綜合分析認(rèn)為異常高振動的激振力來源于扭振。永磁轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速趨勢如圖2所示。

(2)通過結(jié)構(gòu)敲擊測試，發(fā)現(xiàn)電動機殼體支承部位(靠近兩端剛性支承處)水平方向存在47到55Hz左右的共振帶，分析認(rèn)為電機水平方向發(fā)生的高振動，與較大的扭轉(zhuǎn)激振力引起電機H方向結(jié)構(gòu)共振有關(guān)。另外，高振動時，電機驅(qū)動端(DE)左側(cè)地腳V方向與電機非驅(qū)動端(NDE)右側(cè)地腳V方向是對角反相，表現(xiàn)出一種橫扭的振型特征，由于各地腳V方向振動幅值呈現(xiàn)對角不對稱，不排除這種振型與一定程度的軟腳有關(guān)。但當(dāng)PMG調(diào)速閥降至0%位時，雖然電機轉(zhuǎn)子依然在全速運行，電機所有地腳振動幅值卻很小且均勻，這一點可以基本排除軟腳問題。因此推測橫扭耦合振動使得電機地腳呈現(xiàn)橫扭振型[3]。結(jié)構(gòu)敲擊測試數(shù)據(jù)如圖3所示。

圖3 結(jié)構(gòu)敲擊測試數(shù)據(jù)

(3)機組固定運行在調(diào)速器一定開度下(本次測試到了35%和100%左右)一段時間后，較高振動的測點幅值正常，但出現(xiàn)長周期波動現(xiàn)象(平均10s左右周期)，分析認(rèn)為可能存在與相鄰機組的拍振現(xiàn)象，或扭振波動。

基于所測數(shù)據(jù)的詳細(xì)評估，結(jié)論如下：①永磁調(diào)速器重量190 kg，裝在電機軸端，從而會影響電機的幾何中心和質(zhì)心，造成固有頻率改變；②磁耦質(zhì)量問題會導(dǎo)致磁通量不均勻；③永磁調(diào)速器快速升速(本次測試的升速幅度均在20%以上)過程中、電機啟動瞬間出現(xiàn)的高振動現(xiàn)象(較高振動發(fā)生在電機兩側(cè)水平H方向，峰值振動達(dá)20 mm/s RMS以上，其他如電機V，電機A/PMG A，電機基礎(chǔ)H/PMG H)，是由扭振激勵，并誘發(fā)電動機H方向結(jié)構(gòu)共振造成的；④機組固定運行在調(diào)速器一定開度下(本次測試到了35%和100%左右)一段時間后，較高振動的測點幅值正常，但出現(xiàn)長周期波動現(xiàn)象(平均10 s左右周期)，分析認(rèn)為可能存在與相鄰機組的拍振現(xiàn)象，或扭振波動。

3 改造方案

永磁調(diào)速器改造前后對比圖如圖4所示。

圖4 永磁調(diào)速器改造前后對比圖

(1)根據(jù)測振頻譜分析，永磁調(diào)速器的安裝位置向電機側(cè)移動了4 cm，即永磁調(diào)速器和電機的軸向距離減小了4 cm。特有頻率較之前有所增大，從50 Hz左右變?yōu)?1 Hz左右，推測可能與新電機轉(zhuǎn)子與導(dǎo)體轉(zhuǎn)子配合后整體剛度的提升有一定關(guān)系；

(2)永磁調(diào)速器結(jié)構(gòu)改造，考慮改變電機連接導(dǎo)體盤轉(zhuǎn)子的扭振頻率，改變轉(zhuǎn)子參數(shù)時要確保扭振頻率及其倍頻與有關(guān)結(jié)構(gòu)體固有頻率20%左右的間隔；

(3)考慮改變電動機結(jié)構(gòu)固有頻率，將400 kV電機更換500 kW電機。新?lián)Q5輻板導(dǎo)體轉(zhuǎn)子在與新電機轉(zhuǎn)子裝配條件下，電機驅(qū)動端伸出端/導(dǎo)體轉(zhuǎn)子V/H/A三方向的固有頻率均表現(xiàn)為50.5 Hz，較此前舊3輻板導(dǎo)體轉(zhuǎn)子與舊電機的配合下的固有頻率(接近38 Hz)更高，說明新?lián)Q電機轉(zhuǎn)子與導(dǎo)體轉(zhuǎn)子配合的整體剛度升高，由于此時PMG的特有頻率為61 Hz，避開了相關(guān)固有頻率，從而避免了高振動[4]；

(4)安裝時注意對放大振動因素的調(diào)整，對基座進(jìn)行焊接鋼板加固處理；

(5)由于永磁調(diào)速閥在小幅開度升速時振幅雖有增加但相對較小，平穩(wěn)運行時振動幅值基本正常，運行時避免大幅設(shè)置升速調(diào)速閥開度。

4 改造效果

通過上訴改造措施(如圖5所示)，6臺風(fēng)機振動都達(dá)到設(shè)計驗收標(biāo)準(zhǔn)，且在運行操作過程中不在出現(xiàn)高振動現(xiàn)象，現(xiàn)場故障得以完美解決[5]。

圖5 改造前后振動數(shù)值對比