吳 昕 李鳳軍 劉雙白 石清泉 田東來 孫好英

（1.國網(wǎng)冀北電力有限公司電力科學研究院；2.華北電力科學研究院有限責任公司；3.陜西國華錦界能源有限責任公司）

一次風機作為火力發(fā)電機組的重要輔機設備，其安全穩(wěn)定運行直接關(guān)系著機組帶負荷能力。與主機設備不同，一次風機的振動監(jiān)測方法簡單，通常在軸承端蓋的水平和垂直兩方向布置振動傳感器，并將振動數(shù)據(jù)遠傳至DCS。這種單一的振動數(shù)據(jù)記錄方式給一次風機振動故障診斷帶來了諸多不精確因素。

雙極動葉可調(diào)一次風機的零部件較多，其故障特征也更為豐富。郭玉杰等分析某600 MW機組一次風機振動后認為，該風機執(zhí)行機構(gòu)嚴重磨損造成兩級動葉開度不同步，通過更換一、二級執(zhí)行機構(gòu)的銅套解決了振動故障［1］。王鳳良等通過對一次風機電機側(cè)進行剛度加固和外伸端動平衡消除了某300 MW機組一次風機的振動故障［2］。陳蓮芳和徐夕仁研究了某300 MW機組一次風機振動隨負荷同向變化現(xiàn)象，對該風機進行振動監(jiān)測分析認為，電機與風機間的齒聯(lián)軸器裂紋是引起振動幅值隨負荷顯著變化的根本原因［3］。曹景芳研究了某1 000 MW機組一次風機電機振動故障，分析認為該電機振動增大的根本原因是找正不合格，找正調(diào)節(jié)墊片接觸面積小，通過重新找正并更換尺寸合適的墊片，避免了故障進一步擴大［4］。

筆者針對某600 MW機組一次風機振動的快速劣化現(xiàn)象，通過對風機正常運行和惰走期間進行振動監(jiān)測、現(xiàn)場拆機檢查等過程，綜合診斷該風機的轉(zhuǎn)子故障。

1 設備簡介

某600 MW機組雙級動葉可調(diào)軸流式一次風機主要由進汽室、集流器、雙級動葉、導葉、擴壓管及動葉調(diào)節(jié)機構(gòu)等部件構(gòu)成（圖1）。雙級葉輪布置在軸承箱兩端，一次風機轉(zhuǎn)子和電動機轉(zhuǎn)子之間由一根空心長軸連接。電機轉(zhuǎn)子及風機轉(zhuǎn)子側(cè)分別由一個膜片式聯(lián)軸器與空心長軸連接［5］。該風機由上海鼓風機廠有限公司制造，型號為PAF19-14-2，主要技術(shù)參數(shù)如下：

圖1 一次風機構(gòu)成示意圖

轉(zhuǎn)速 1 470 r/min

臨界轉(zhuǎn)速 1 984 r/min

葉片數(shù) 22片/級

葉片調(diào)節(jié)范圍 -30～15°

風量 106.9 m3/s

風壓 15 246 Pa

效率 86.19%

振動報警值 7.1 mm/s

振動跳機值 11.0 mm/s

2 劣化現(xiàn)象

機組于2020年10月底啟動，一次風機運行正常，軸承箱水平和垂直振速均保持在1.5 mm/s左右小幅波動。11月16日，操作人員發(fā)現(xiàn)一次風機振動有所爬升，兩天時間振速升高至2.0 mm/s，而運行電流和軸承溫度均無明顯變化，隨后加強關(guān)注。到了18日，水平方向振速持續(xù)爬升達到4.0 mm/s，且增速更快，經(jīng)工作人員測算，若保持當天的上升速率，該風機將在4 h后達到報警值。經(jīng)商討，機組降負荷至300 MW，將該一次風機退出并做停機檢修處理。

19日，檢修人員將一次風機解體進行全面檢查：膜片式聯(lián)軸器螺栓緊力正常，聯(lián)軸器無明顯磨損；液壓缸內(nèi)部螺絲和推桿鎖母均未松動；風機軸承光亮如新，無明顯磨損點；風機轉(zhuǎn)子光潔度高；液壓油缸無漏油；銅套活動良好；葉片頂部無碰摩；兩級動葉同步度高。未檢查出明顯問題，清除葉片表面積灰并更換了膜片聯(lián)軸器后回裝。20日晚間再次啟動，運行初期，風機水平方向振速5.1 mm/s，運行4 h后振動達到報警值，再次停運風機?？梢?，此次運行期間振速上漲水平與18日的情形相近。

21日，檢修人員再次解體風機進行檢查，此次未拔出風機轉(zhuǎn)子。具體檢查過程為：吊出電機，復查磁力中心；抽出風機與電機間的連接軸，進行超聲波探傷；檢查軸承洼窩端面；探傷支撐導葉及其周邊焊縫。檢查并未發(fā)現(xiàn)問題，23日再次更換聯(lián)軸器回裝。

3 振動測試

在一次風機的一級葉輪后（3號軸承）和二級葉輪前（4號軸承）處對應的風機罩殼水平結(jié)合面分別布置水平和垂直振動傳感器，并在裸露軸段上敷設反光條進行鍵相測量。

23日14時，啟動一次風機，風機定速運行30 s后，相關(guān)保護動作，風機跳閘。表1為跳閘前振動測量結(jié)果，此時動葉開度為15%。

表1 一次風機振動測量結(jié)果 μm

基于表1中的數(shù)據(jù)可以得出：一級葉輪與二級葉輪水平振動均超過100μm，一級葉輪甚至達到162μm，說明DCS遠傳數(shù)據(jù)較為可靠，一次風機確實出現(xiàn)了振動異常的現(xiàn)象；振動以1倍頻為主，存在不小的2倍頻分量，還有少量的高頻分量，低頻（0.5倍頻）分量整體較小，通過頻率可以忽略。

此次一次風機啟動，捕捉到了機組啟動升速和停機惰走期間的振動數(shù)據(jù)。其中，升速期間由于時間較短，記錄的振動數(shù)據(jù)較少；停機惰走期間的振動數(shù)據(jù)更為完整。據(jù)此，繪制了降速過程振動趨勢圖（圖2）。

由圖2可以看出，降速過程中，風機轉(zhuǎn)速達900 r/min以上時存在振動峰值，3號和4號軸承對應位置水平振幅超過200μm。分析數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，此處振動峰值主要源于2倍頻振動分量的突增（表2）。

表2 第1次停機惰走期間振動峰值的測量結(jié)果

圖2 第1次降速過程振動趨勢

15時，再次啟動風機，此時動葉開度15%。穩(wěn)定后測得：3號軸承水平方向振幅為161μm，垂直方向振幅為90μm；4號軸承水平方向振幅133μm，垂直方向振幅70μm。同時，DCS顯示垂直方向振速5.6 mm/s，水平方向振速9.9 mm/s。此次試轉(zhuǎn)55 min，期間調(diào)整了動葉開度，取兩側(cè)水平方向主要振動數(shù)據(jù)作趨勢圖（圖3）。由圖3可以看出：風機啟動運行后，兩側(cè)水平振動略有降低；動葉開度由15%升至58%后，通頻振幅略微上升，并隨著運行時間的增長穩(wěn)定上升至20μm；運行期間，2倍頻振動分量較穩(wěn)定，振幅的變化主要源于1倍頻分量的變化；兩側(cè)為同向振動，1倍頻 振動相位較為穩(wěn)定。

圖3 第2次啟動過程振動趨勢

16時，停止一次風機運行，再次記錄風機停機惰走期間的振動數(shù)據(jù)，整體趨勢與上次降速過程的情形相似，只是數(shù)值整體有所提高。

表3為第2次停機惰走期間振動峰值的測量結(jié)果，對比上次停機參數(shù)，此次停機振動峰值有了明顯的提升，整體通頻幅值增大30μm，各倍頻分量均有所提高，尤其是2倍頻的分量提高了50μm。

表3 第2次停機惰走期間振動峰值的測量結(jié)果

4 結(jié)果分析

通過對該一次風機的兩次運行過程的振動測試，筆者認為該風機存在轉(zhuǎn)子裂紋的可能性極大，判斷依據(jù)如下：

a.從定速后的振動頻譜看，該風機振動主要是倍頻振動，尤其是1倍頻與2倍頻的振動分量較大，幾乎不存在低頻雜波。振動的頻譜結(jié)構(gòu)基本說明該風機支撐情況良好，結(jié)合現(xiàn)場對各個支撐導葉和軸承洼窩的檢查情況，筆者初步判斷振動故障主要源于轉(zhuǎn)動部件。由于通過頻率較低，因此可排除兩級動葉同步度差的情況。

b.考慮振動劣化過程，轉(zhuǎn)動部件應存在一個持續(xù)惡化的故障原因。現(xiàn)場檢查各螺絲部件，并未發(fā)現(xiàn)任何問題，因此筆者開始懷疑風機轉(zhuǎn)子存在裂紋，并仍在持續(xù)擴展。同時，從風機兩次停機惰走期的振動參數(shù)來看，該轉(zhuǎn)子在910～950 r/min時存在2倍頻峰值，對比轉(zhuǎn)子1 984 r/min的臨界轉(zhuǎn)速，發(fā)生2倍頻峰值區(qū)域恰巧是轉(zhuǎn)子副臨界區(qū)。一般情況，當轉(zhuǎn)子出現(xiàn)橫向裂紋，由于轉(zhuǎn)子兩側(cè)剛度不對稱，使得2倍頻振動分量增大，當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到0.5倍臨界轉(zhuǎn)速時，極易出現(xiàn)2倍頻分量峰值。同時，由于裂紋的存在，造成轉(zhuǎn)子剛度的降低，導致轉(zhuǎn)子產(chǎn)生一定的不平衡量，且該不平衡量將隨著裂紋的擴展持續(xù)增大，引起轉(zhuǎn)子1倍頻振動分量和通頻值的快速增大。

圖4為4次停機時DCS記錄的振速峰值，4次停機的時間節(jié)點分別為11月18日首次檢修前、20日第2次檢修前、23日首次振動測試前和23日第2次振動測試前。由圖4可以看出，僅啟停3次，累計運行5 h，兩側(cè)振速已增至5.5 mm/s，如此劇烈的振動劣化，說明此期間轉(zhuǎn)子橫向裂紋產(chǎn)生了明顯的擴展，甚至每次啟動都促進了轉(zhuǎn)子裂紋的擴展?？紤]到一次風機軸頸較細，不建議再次試轉(zhuǎn)風機，應立即解體檢查。

圖4 停機時振速峰值變化趨勢

5 解體檢查

檢修人員將風機轉(zhuǎn)子抽出后，對轉(zhuǎn)軸進行了仔細檢查，尤其是各圓角處。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，在靠近一級葉輪處的過渡段存在明顯的橫向裂紋（圖5），裂紋長達300 mm（該處軸頸周長540 mm）。考慮到設備安全，該轉(zhuǎn)子作報廢處理。

圖5 裂紋實拍照片

重新更換轉(zhuǎn)子后，風機再次啟動，轉(zhuǎn)動平穩(wěn)，DCS遠傳振速1.6 mm/s，就地振動測試通頻振幅均低于25μm。風機振動故障消除，機組得以正常投入生產(chǎn)運行。

6 結(jié)束語

針對某600 MW機組一次風機振動的快速劣化現(xiàn)象，通過現(xiàn)場振動測試分析認為該風機轉(zhuǎn)子存在橫向裂紋，并經(jīng)檢修得以驗證，最終通過更換風機轉(zhuǎn)子，解決了該風機振動故障?；谏鲜鲞^程得出如下經(jīng)驗：風機轉(zhuǎn)子惰走期間，當副臨界轉(zhuǎn)速區(qū)出現(xiàn)明顯的2倍頻峰值，且隨運行時間和停機次數(shù)穩(wěn)步增加時，轉(zhuǎn)子極有可能出現(xiàn)橫向裂紋，此時應密切關(guān)注設備運行狀態(tài)；當此類風機轉(zhuǎn)子出現(xiàn)橫向裂紋時，振動極有可能呈現(xiàn)指數(shù)形式劣化，即隨著運行時間的延長，振動劣化將越發(fā)迅速。