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动叶可调轴流风机异常振动疑难问题的原因分析及处理对策

发表时间：2020/1/9 来源：《电力设备》2019年第19期作者：王昭明朱宏

[导读] 摘要：从某电厂双级动叶可调轴流引风机运行时振动大、不稳定，采用常规处理振动手段无法解决，根据现场数据采用有限元受力分析了产生问题的主要原因为基础安装不良导致机壳变形，破坏了转子支撑结构的稳定性，从而提供了有效解决问题的思路和方法。

        (中国电建集团透平科技有限公司 610046)
        摘要：从某电厂双级动叶可调轴流引风机运行时振动大、不稳定，采用常规处理振动手段无法解决，根据现场数据采用有限元受力分析了产生问题的主要原因为基础安装不良导致机壳变形，破坏了转子支撑结构的稳定性，从而提供了有效解决问题的思路和方法。
        关键词：双级动叶可调轴流风机；基础安装；机壳变形；振动大
        0 引言
        目前，AP型双级动叶可调轴流风机由于具有在较低转速下可满足大型机组出力，提高了可靠性的优势，同时具有效率高、调节范围广及运行经济等优点，被普遍应用在国内大中型火力发电厂一次风机、引增合一风机系统中，是燃煤锅炉烟风系统的主要设备之一。由于国家环保政策及电网稳定性要求，一次风机、引增风机故障将直接影响到发电机组非计划停运和非计划降低出力，由此给电厂带来的损失是巨大的，因此提高一次风机、引增合一风机的安全稳定性是用户迫切需求[1]。
        1 问题概述
        某电厂一期2×300MW超临界燃煤机组进行脱硫脱销引增合一改造工程，采用AP型双级动叶可调轴流风机作为引风机，风机型号为HU25042-22G。该机组改造后经一段时间的运行，引风机随动叶开度的调节，出现大幅度的振动波动，常常超过报警值，逼近跳机值（图1a），给机组的安全、稳定运行带来很大风险。

        图1a DCS历史曲线数据显示引风机运行振动值波动大
        通过对该设备进行振动频谱测试（图1b），2x频较大，怀疑联轴器不良，经停机对联轴器进行外观检查，未发现问题。

        图1b 引风机振动频谱图，显示2x频较大
        通过停机揭盖对轴系进行打表检查，对中数据在标准允许范围内。
        由于水平振速大于垂直振速约3倍，因此决定先试做动平衡。
        通过对该设备进行动平衡，数据显示残余不平衡量不大，但相位波动范围很大，无法进行动平衡，因此判断此振动问题非动平衡因素造成。
        通过现场吊开风机转子（I、II级轮毂、主轴承箱）及长轴系、两端联轴器拆下进行全面检查，均未发现问题。
        在排除了转子因素后对定子（机壳）部分进行检查。
        通过对吊开转子后的风机机壳中分法兰面检查，发现下机壳中分面水平度存在1.3mm/m的偏差，同时存在2mm左右的斜对称角变形，进一步检查发现机壳焊缝存在局部开裂现象。
        2 原因分析
        2.1 为分析、验证机壳下半部变形的原因，首先对机壳进行受力分析，采用计算机三维软件建模进行仿真应力分析[2-3]。
        2.2 计算机建模
        由于机壳下半部为主传力支撑定子部件，变形及开裂也均产生于机壳下半部，因此计算时仅就此部分进行应力分析。在三维CAD软件中建立下机壳的计算模型，模型图中X为风机轴向，Y为垂直方向，Z为水平方向，建模单位为mm。为达到真实模拟现场实际受力变形情况，在机壳底部支腿底板地脚螺栓孔处斜对称各施加2kN的向下压力（拧紧地脚螺栓的预紧力，模拟该处基础未垫平垫实产生的附加力），在风机的X向对机壳轴承箱支撑法兰施加200kN的轴向推力（叶片全开状态下产生的轴向推力）。在两支撑法兰处施加Y向向下的轴系及转子产生的重力189kN。
        2.3 计算结果
        计算条件及下机壳的应力分布如下(图3)。
        由计算结果可知，在底板不均匀受力的状态下，机壳中分面产生1.35-2.44mm相应变形，机壳的最大应力为52.922MPa，位置在第一级主法兰下斜支撑筋处。在运行工况下支撑法兰产生的理论最大变形位移为2.71mm。

        图3机壳应力分布（单位：MPa）及变形位移（单位：mm）
        2.4 机壳变形及振动原因分析
        （1）由于机壳中分面与机壳底板为平行基准加工面，加工前经过整体退火处理，因此正常情况下机壳中分面不应产生过大形变，据此分析中分面产生变形原因为机壳承受了额外附加力导致，最大可能为机壳下部基础安装不良引发。
        仿真计算结果显示如果基础底板未均匀垫平垫实，拧紧地脚螺栓后产生的预紧力将导致机壳产生相应变形，致使机壳支撑法兰受内应力作用，强度刚度减弱。
        （2）因上述原因，在风机运行时，支撑法兰不稳产生弹性变形，使运行状态的轴系对中被破坏，因此出现振动随开度增加急速上升的现象。而此时想通过动平衡来解决则因非平衡原因而无法实现。当风机停运后，叶轮做功产生的轴向力消失，支撑法兰变形得到一定程度恢复，因此静态盘车检查对中数据又基本符合要求，导致按常规方法找不到问题所在，无法提出有效解决方案。
        3 问题解决
        根据以上情况分析，决定对机壳变形进行校正处理，为不影响机组运行，对于振动不超过4.6mm/s报警值且振动曲线比较平稳的情况，一般建议观察运行，等待机组有小修机会时再将机壳进行返厂处理，同时实施打掉二次灌浆层，重新找平机壳的处理方案。而对于振动超过了4.6mm/s报警值，且上下波动剧烈或有跳变现象的情况，则需要采取临时处理措施，现场一般临停单侧风机进行处理。
        现场采取的临时处理措施具体有以下几点：
        1、对故障风机先打开机壳上盖吊出转子；
        2、对机壳前后支撑法兰、支撑筋各部位焊缝进行作色探伤检查，如果发现裂纹则进行打磨、补焊处理，补焊原则是尽可能减小焊接应力的产生；
        3、通过对机壳机加工中分面的检查测量，在对应支腿部位加调整垫，将机壳变形矫正；
        4、重新进行轴系对中，数据调整到图纸设计规定范围内。
        上述处理方案经数家大型电厂实施后，成功解决了困扰用户多时的难题。
        4 结论
        因机壳变形引发的支撑刚度下降从而导致风机振动上升的情况非常罕见，以致按常规思路难以预见和快速做出判断处理，致使查找并最终解决该问题的过程曲折艰难，长时间困扰着用户。本文通过对转子、定子的排查和验证，最终证实了根源问题并成功解决，为今后的类似情况提供了一种解决思路。
        由于机壳为转子主支撑传力部件，因安装不良导致的壳体变形将破坏机壳的原有设计强度及刚度，造成轴系的运行状态不稳定，使轴系对中无法保持精度，导致风机振动上升，同时反过来加剧机壳支撑部位的振动受力，造成机壳焊缝及筋板开裂，风机无法维持运行，给整个机组造成严重影响。因此，设备安装需要严格执行安装规程及规范，安装运行应符合相关厂家图纸、说明书要求，同时定期对风机进行维护和检查，包括调节系统的行程范围、灵活性、准确性、各调节叶片动作一致性及其实际开度与指示仪表的一致性等[4]，从而保证风机乃至整个机组的安全稳定。
        参考文献：
        [1] 聂鹏飞，马杰.600MW机组增压风机失速分析及失速检测装置的维护.风机技术，2011（4）：63-65.
        [2] 王冒成.有限元法[M].北京:清华大学出版社，2003.
        [3] 张朝晖.ANSYS 12.0结构分析工程应用实例解析[M].北京:机械工业出版社，2010.
        [4] 刘家钰.电站风机改造与可靠性分析.北京：中国电力出版社，2001.