風機軸向竄動突增原因分析

        2019-12-28  來自: 河南省史迪歐科技有限公司 瀏覽次數:128

               大唐某發電公司裝機容量為2×600MW機組,采用正壓直吹制粉系統。一次風機采用的是G9—2×36No17F22雙吸雙支撐離心風機,在2005年9月突然發現No42一次風機有嚴重的串軸現象,此前風機振動雖然呈緩慢上長趨勢但沒有串軸現象。鑒于以住情況,分析可能是葉片產生裂紋或入口擋板葉片松動。 2003年5月份本臺風機也因振動超標,檢查發現葉片進氣側與中盤焊縫熱影響區一片葉片有長約210mm裂紋。現葉輪為更換過葉輪及轉子組件,但當時情況僅是振動超標沒有發生串軸現象。考慮到風機振動呈上長趨勢及串軸現象,利用低負荷時停風機檢查,發現雙膜片彈性聯軸器膜片損壞,葉輪外盤在葉片根部有3條裂紋,裂紋首先發生在葉片進口端與外盤焊縫的熱影響區內。起始裂紋的擴展方向與外盤和葉片的焊縫方向并不平行,而是以一定角度向葉片母材方向傾斜,并呈半橢圓形狀向葉片的外緣引伸。

               1、設備規范:

        本風機為雙吸又支撐離心式風機,風機的主要特性參數如下表達1。

        表1

        項目名稱

        參數或規范

        項目名稱

        參數或規范

        風機型號

        G9—2×36No17F

        葉片厚度

        δ:8mm

        傳動和吸風方式

        雙吸又支撐

        設計風量(m3·min-1)

        106.5

        葉片型式

        強前向葉片離心式

        葉片外緣直徑mm

        D2:1700

        調節方式

        入口導葉調節

        前盤外緣直徑mm

        D3:1955

        軸承型式

        滾動軸承油浴潤滑

        葉片數量(片)

        單側20片/雙側40片

        驅動方式

        電動機直接驅動

        主軸轉速

        1495

        葉片材質

        15MnV

        設計風壓(Pa)

        15542

        2、原因分析:

                2.1 風機串軸的主要原因為葉片發生裂紋后,雙吸風機兩側的吸風量不等,軸向推力發生變化,彈性膜片聯軸器在軸向交變應力作用下,發生膜片損壞。下圖為對葉片裂紋補焊處理后與處理前 

        的振動趨勢圖。從圖中可以看出經過處理后風機的振動平穩,但整體振動值較處理前偏高。

                2.2  風機從2003年5月更換葉輪及轉子組件至今有28個月,再次發生葉片裂紋現象,說明風機本身的結構可能存在的設計考慮不周或影響風機穩定運行的消極因素:

                2.2.1  風機設計的原因,如轉速高、葉片寬、葉片工作應力高等對風機葉片非常不利。因為本風機采用的是強前彎葉片,為保證效率、降低噪音,被迫采用較寬的葉片以降低氣流速度。在高轉速下,流動中氣流分離及葉片工作應力增加是不可避免的。

                2.2.2  風機選型裕量過大,使風機長期處于低檔板開度的小風量區域運行。

                2.2.3  與后彎葉片離心風機相比較,前彎式風機的性能曲線在低流量區域內存在馬鞍形不穩定區,高阻力、低流量區域或低擋板開度區域較易發生風機旋轉失速。

                2.3 裂紋產生的機理分析:

                2.3.1  葉輪在安裝時,檢查葉片沒有問題。現出現裂紋,說明是使用裂紋,而使用裂紋又分應力腐蝕裂紋、蠕變裂紋、疲勞裂紋、脆性裂紋等。從現場運行的實際情況來看比較符合疲勞裂紋的特征。裂紋起源多數在表面應力集中處,裂紋走向主要呈穿晶擴展,且尾端尖細。

                2.3.2  疲勞裂紋的形成;在疲勞循環過程中,裂紋頂端的微小區域內,出現解理裂紋及塑性變形,此時變形量很小。在一次循環中,壓縮半循環時,使裂紋的兩個裂開面緊靠在一起,裂紋頂端斷口表面產生變形;接著在下半拉伸循環時,裂紋再度張開,并使裂紋擴展,產生一個增量△a,這時便形成一道輝紋,在疲勞應力作用下逐漸發展為裂紋。

                2.3.3  在風量一定條件下,如擋板開度較小,流速增大,氣流的擾動加大,當氣源的擾動與葉片的固有頻率相等時就會發生共振,(氣流的擾動可能發生卡門渦街,發生旋轉脫流,盡管流量沒有變化,但流量內的氣流運行軌跡發生了重大變化,如此強大的沖擊力反復作用下)加速了裂紋的蔓延。

                2.4  從葉片材質及焊接工藝:

        葉片焊接過程中,在金屬母材與熔化金屬之間,存在著高溫度梯度(1200-720℃)和短距離熱傳遞(6-8mm)。冷卻速度差異甚大,在金屬結晶過程中,引起晶粒急劇長大,冷卻時形成粗大的魏氏組織,魏氏組織是由鐵素體和珠光體組成,晶粒度約為3~5級,室溫沖擊韌性ak=6~8J/cm2結晶狀斷口晶粒粗大,脆性轉變溫度在室溫以上,為也各葉片產生裂紋埋下了隱患。

                2.5  風機特性及風道阻力匹配分析:

                根據風機的特性曲線,風機的工作是否穩定,關鍵是運行時風機的工作點是否落在一個單向下降的風機特性曲線上。而這主要由兩方面原因決定的,一是風機的性能曲線,二是擋板與風道的阻力特性曲線。因此系統的阻力特性對風機運行是否穩定起到決定性作用。在相同負荷時對比兩臺鍋爐四臺一次風機的檔板開度,發現偏差很大。如下圖:

        注:由上至下分別為No31一次風機擋板開度、No32一次風機擋

        板開度、No41一次風機擋板開度、No42一次風機擋板開度

        由上圖可以看出,在相同負荷時兩臺風機的擋板開度相差很大,原因可能是對一次風機的喉口部進行了改造,改造后的尺寸差異較大,No3鍋爐一次風機機殼喉口間隙t≥50㎜,而No4鍋爐一次風機約為25㎜,因此No4鍋爐風機的壓力高出力大,擋板開度相對較小。此外,位于No4爐兩臺一次風機出口風道上空氣預熱器阻力對兩臺一次風機的穩定運行影響也比較大,現No4爐兩臺空預熱器的壓降不同,導致兩臺一次風機的工作點位置也不一樣,現600MW時No41空預器的壓差為1.3kPa,而No42空預器的壓差為1.8kPa。

                2.6  No 4鍋爐No2風機承力端軸承側風機葉輪20個葉片中葉片zui先斷裂的原因,與葉片所受的脈動應力zui大有直接關聯。相比較而言,斷裂葉片所受的應力應該是zui嚴重的,在相同的氣流脈動幅值下,葉片上的脈動應力也應zui大。而用橡皮錘和鐵榔頭敲擊葉片測得的一階固有頻率約300Hz,在對損壞的葉片進行頻率測定時有多個頻率與一階固有頻率成倍數關系,這也是承力側葉片損壞的一個關鍵原因。

                2.7  由于制造安裝時誤差,葉片的安裝角度不一致,加上運行工況原因,氣流流向葉片也不均勻,各流速氣流分離程度也不一樣,可能會發生旋轉脫流 產生旋轉失速現象,旋轉失速在葉輪產生的壓力波動就產生激勵葉片發生異常振動的激振力,但不一定能激發葉片振動。當旋轉失速的頻率與設備的固有效率一致時,將發生共振,此時對葉片的危害非常大。而旋轉脫離振動的原因是工作流量比設計流量低,具體的原因除運行時參數調節不當外,設備原因有入口擋板開度過小、導流板脫落(注:導流板安裝時方向裝反,后因振動及噪聲較大檢查發現后重新安裝)、出入口風道阻力發生變化等等。

                2.8  利用頻譜分析儀,對葉片裂紋簡單補焊處理后的風機進行振動頻譜分析。在現場對風機的前后軸承進行了測量,下表2為測量結果。

        表2  單位:um(mm/s)

        方向

        水平

        垂直

        軸向

        承力側軸承

        36(2.38)

        15(1.32)

        80(4.57)

        推力側軸承

        42(2.68)

        8(0.90)

        42(2.72)

               根據GB/T  6075.3-2001振動烈度在B區(2.3~4.5mm/s)可長期運行,在C區(4.5~7.1mm/s)不宜長期運行,在D區(7.1mm/s以上)不宜運行。從以上測量數值可以看出,除了前軸承軸向振動偏大以外,其它測點振動數值都很小。下面為測量各軸承的振動頻譜圖:

        圖1   風機前軸承垂直方向速度頻譜圖          圖2   風機前軸承水平方向速度頻譜圖

        圖3   風機前軸承軸向速度頻譜圖              圖4   風機后軸承垂直方向速度頻譜

        圖5   風機后軸承水平方向速度頻譜圖          圖6   風機后軸承軸向速度頻譜圖

               對上面的頻譜圖分析,存在如下的特征:(1)振動頻譜中占優勢的是1X轉速頻率;(2)其它頻率成分很小。綜合以上現象,該風機軸向振動偏大zui可能的原因,風機與電機中心存在不對中問題、軸承的安裝間隙存在誤差。

               3、采取措施:

               3.1  控制風機入口調節擋板:鑒于入口擋板開度對風機運行穩定性的嚴重影響,如果能在運行時保證擋板開度在45%以上,則可以大幅度提高運行可靠性。保證入口擋板開度的zui佳方案是加裝變頻裝置,變頻裝置效率高,機械部分無改造工作量。但高壓大容量的變頻可靠性需要很好的了解和掌握。本公司現以安裝完變頻裝置,從機組運行安全考慮,正著手對電氣回路進行改造,加裝一套變頻與工頻切換回路,如變頻發生故障可以切換至工頻運行,確保機組安全穩定運行。

               3.2   增加管路系統中出口部分流動阻力:采取的措施有,稍微關閉出口隔絕門開度,增加流動阻力;隔絕門后增加一道可調節阻力門,但阻力損失增加;稍關磨煤機前冷、熱風門開度;根據實際需要或可能,減少磨煤機盤下風環的通風斷面積;根據需要和可能調節一次風管阻力;用鋼板均勻堵死消音器入口部分通流斷面。

               3.3   一次風機采用大風量運行方式:一次風機出口低負荷放風運行,或放風到送風機出口管道內。根據燃煤特性,煙煤燃燒中容許使用較大的一次風率和一次風量。空預器的漏風率增加后,對一次風機運行穩定性有利。

               3.4   盡量減少鍋爐zui低負荷的運行時間,低負荷時盡量采用單臺風機運行方式,對一次風機出口管路系統及各個有關風門的嚴密度進行改進。在運行中,要加強對風機軸承溫度、軸承振動趨勢的監視。

               3.5  利用停機檢修時機,將No42與No41一次風機的煙風道及導流板的安裝位置、安裝角度進行對比校驗,尤其是導流板的安裝角度是否存在差別。聯系風機廠家找出一個zui佳的安裝角度,此外對No3和No4風機喉部改造后效果不同的原因進行分析。

               3.6  對兩臺一次風機的煙風道阻力用簡易方法進行測量,分析四臺風機的管道阻力存在多大的差別,尤其要加強空氣預熱器的阻力對風機穩定運行的分析,因空氣預熱器的阻力是一個動態的變量。

               3.7  減少氣流的有定頻率的幅值,可以通過在導流板的背風側焊接圓鋼等措施,改變固有頻率,減少系統共振。

               3.8  提高檢修質量,針對一次風機不對中問題,利用檢修時機對中心進行調整消除不對中;此外,對葉片的焊口進行全 面的無損探傷檢查;對支撐軸承及承力軸承的間隙要進行校對;對入口擋板的葉片及關度進行校核等。通過提高檢修質量,確保風機的各部件運行可靠,保證風機安全穩定運行。

                總之,通過對風機振動原因分析,使我們在解決問題時,有的放矢。綜合其它三臺一次風機的管道特性及其喉部改造的差別,以及變頻器的投入使用,一次風機振動問題肯定會得到解決,風機運行的可靠性及穩定完全能到保障。【作者】 天津大唐國際盤山發電有限責任公司    劉峰 

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