一次風機進口消音器風道異常振動故障診斷及治理

盧福平,魯躍峰,李昊燃

(1.北京國電電力有限公司上灣熱電廠,內蒙古 鄂爾多斯 017209;2.西安熱工研究院有限公司,陜西 西安 710049)

0 引言

燃煤電廠在國內的設備客觀情況復雜,同時伴隨設備老化、偏離設計工況等不合理的問題,進而引起振動問題高頻次發生。研究人員對此進行了大量研究[1-6]。謝永慧等[7]研究了蒸汽輪機的阻尼圍帶長葉輪葉片的振動特性。王延博[8]對大型汽輪發電機組進行了軸系不對中對設備振動影響的研究。楊利芳等[9]通過有限元計算分析得到風機進口消音器對風機振動的影響效果。薛翔等[10]通過熱態試驗、現場檢修和振動測試,分析得到某300 MW機組引增合一后引風機振動原因。沈利等[11]通過加設再循環旁路風道的措施,解決了密封風機及出口風道振動問題。由于火力發電廠設備繁多,振動原因復雜,針對一次風機進口消音器管道振動的研究相對較少。

某火電廠1、2號機組為循環流化床機組,每臺機組均配備兩臺豪頓華工程有限公司生產的型號為L2N 2344.02.93 SBL6T的單吸離心風機。四臺風機自進行降低一次風量的機組技術改造以來,均存在一次風機進口消音器管道振動劇烈的問題。本文采用多種方法及思路對該電廠振動問題進行試驗、分析、討論,找到原因。

1 設備概況及振動情況

1.1 設備概況

該機組為循環流化床機組,鍋爐為自然循環、單汽包、超高壓、單爐膛一次中間再熱,島式布置的循環流化床鍋爐,型號為DG520/13.7-I1型。機組主要性能參數如表1所示。

表1 機組主要設計參數

每臺機組風煙系統配置豪頓華工程有限公司生產的型號為L2N 2344.02.93 SBL6T的單吸離心風機,額定轉速1 485 r/min,變轉速運行,主要設計參數如表2所示。

表2 一次風機主要設計參數

1.2 振動情況

機組一次風機進口風道存在振動偏大現象。振動歷史及振動特征如下:

(1)2009年機組投產,一次風機未加變頻器,定轉速運行,無振動現象發生。

(2)2014年至2015年左右進行了變頻改造和進口消音器改造。改后出現一次風機進口消音器風道振動現象。高負荷擋板門滿開時(100%開度),偶爾出現振動變大現象,因此,實際運行過程中將進口擋板開度固定在70%左右,調節轉速運行。

(3)2021年下半年機組進行技改,將總一次風量最大由220 000 Nm3/h以上降至140 000 Nm3/h左右,改后低負荷工況下極易出現進口風道振動現象:高負荷期間進口擋板開度固定在70%左右,利用轉速調節,隨著負荷降低至120 MW以下開始出現振動現象,需將擋板開度降至40%左右才可避免振動現象的發生。

(4)兩臺機組四臺風機的風機型號、進出口管道布置、消音器型式完全相同,振動特征也完全一樣。

2 振動實驗測試及故障分析

2.1 振動實驗測試

為了了解振動特征,對處于振動狀態下的風道進行振動測試。

機組實際負荷76 MW工況時,通過調整風機開度觸發風道振動,并進行測試。調整過程如下:調整期間機組負荷穩定在76 MW,兩側變頻器頻率維持在70%左右,風機開度從36%升至39%(其中B側風機開度增加相對較大),A側熱一次風量略微增加至70 078 Nm3/h,B側熱一次風量略微減少至62 035 Nm3/h,此時B側一次風機進口風道發生振動,A側風道未振動,機組主要參數如表3所示。

表3 機組主要運行參數

振動測試主要數據如表4所示。

表4 振動測試數據(單位mm/s)

由以上數據可知:

(1)振動發生前后機組運行狀態未發生明顯變化;

(2)通過調整兩側風機運行出力配合,可以觸發振動發生;

(3)進口風道振動數值較大,主要存在13.13 Hz異常頻率。

2.2 振動故障分析

一次風機熱態性能試驗數據表明風機運行工況點距離不穩定運行區域較近,無足夠安全裕量,風機運行的可靠性較差,當風機變工況調節時,易進入非穩定區域運行。風機在不穩定區域運行時,流體在葉輪葉片表面易發生邊界層分離,使某個或數個葉輪流道發生堵塞,產生失速區(不穩定運行區域)。失速區并不是固定于某個或某幾個葉片上,而是相對旋轉的工作輪作反向旋轉,產生小于風機旋轉頻率的頻率。同時,風機發生失速時做功能力下降,出力降低。

風機發生失速時的流量、壓力的快速波動,可能會造成消音器流場發生急劇變化,產生振動?？梢酝ㄟ^對振動發生前后歷史SIS數據和振動期間振動測試數據分析,探究振動發生前風機是否進入不穩定運行狀態,從而誘發消音器所在風道振動。

根據每次振動發生時間,調取發生振動一側風機的歷史SIS曲線,通過數據分析發現:本次振動發生前,通過調整風機轉速及開度,1號機組B側一次風機出力突然降低,風機電流和出口壓力突然下降,風機振動變大,現場消音器及所在風道發生振動。振動期間風機出口壓力稍有回升,但仍低于振前壓力值。之后通過提高風機運行轉速,使風機出力增加,風機出口壓力和電流明顯突然增大,風機擺脫不穩定運行狀態,現場振動消失。

2.3 頻譜分析

一次風機入口風道振動發生期間,對風道進行了振動測試,典型頻譜圖如圖1所示,振動頻率與風機轉頻關系總結于表5。

圖1 風道振動頻譜圖

表5 風道振動頻率與轉頻關系

根據圖表數據可知:

(1)風道振動頻率是變化的;

(2)風道振動頻率與一次風機轉頻成倍數關系,是轉頻的0.73～0.78倍。

根據離心風機旋轉失速狀態下流體動力學特征的相關研究可知,風機旋轉失速頻率一般是轉頻的2/3倍左右,受風機實際運行性能、失速程度等影響,失速團傳播頻率會略有變化。

綜上所示,本項目現場風道振動特征頻率符合風機旋轉失速頻率范圍。

3 振動解決方案

3.1 優化風機運行方式

(A)優化管網系統

降低一次風機所在管網系統阻力,比如加強爐渣的清理或優化爐床高度等,控制一次風機出口壓力維持在較低水平,提高風機失速安全裕度。

(B)優化風機運行方式

現有調節方式下風機效率較高,但是運行工況點距離不穩定運行區域較近,風機運行安全性較差。鑒于此,本節提出如下優化思路:降低風機調節門開度,適當提高風機運行轉速,使風機運行工況點遠離不穩定運行區域,兼顧安全性和經濟性。根據實測數據對日后風機開度與轉速的調整配合提出以下建議:

(1)機組110 MW工況以下,可將風機開度固定在30%～40%之間,僅通過調整轉速適應負荷變化出力需求。

(2)機組110 MW工況以上,且風機轉速超過1 250 r/min,可增加風機開度至50%～70%,適當提高風機運行經濟性。

(3)機組負荷調整過程中(特別是降負荷過程),控制機組負荷變化率,盡量降低一次風機開度和轉速的調節速度,有利于風機性能穩定變化,避免風機進入不穩定運行狀態。

3.2 對風機本體實施改造

為了減小風機運行在不穩定區域的風險,可選擇與現有一次風機系統更加適配的風機。根據風機性能試驗數據,可得到新的風機選型參數,如表6所示。新的選型參數對應的風機風量和風壓均小于原設計參數,電機和變頻器可利舊。

表6 新風機選型參數

3.3 對消音器所在風道壁面進行優化

當一次風機在不穩定狀態下運行時,其風量會發生明顯的波動,造成消音器所在腔室產生氣流脈動。由于消音器腔室壁面為8 mm厚的孔板、玻纖布、憎水玻璃棉等軟質復合透氣材料組成,在氣流脈動的作用下其軟質壁面會產生與風機不穩定運行頻率同步的扇動,進而帶動整個框架振動。

因此,將消音器所在腔室的壁面由軟質材料更換成硬質不透氣材料,可解決壁面隨氣流脈動扇動的問題。若對煙道壁面材質進行更換,需根據增加的重量對煙道支撐強度進行校核。

4 結論

針對某機組一次風機進口消音器管道振動劇烈的問題,本文通過理論計算、振動測試、現場風機性能試驗、數值模擬計算等多種方法,排除了卡門渦街引起的聲學共振問題。通過振動測試、風機試驗和數值模擬,確定了主要原因。最后,根據提出方案進行運行優化調整,解決消音器管道振動問題,目前風機運行良好。

由于離心風機失速范圍小,在火電機組運行中,與其相關的振動問題主要是由動平衡、軸承故障、對中不齊等因素引起的,而由于其本身氣動性能原因引起的消音器管道振動問題比較少見。本文解決該問題的思路和方法對以后相關問題的處理具有明顯的借鑒和指導意義。