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(tái)鍋爐引風(fēng)機(jī)在試運(yùn)行階段均出現(xiàn)在永磁調(diào)速器加載到50%時(shí)電機(jī)出現(xiàn)強(qiáng)烈振動(dòng)。振動(dòng)值超過(guò)驗(yàn)收規(guī)范，且由于高振動(dòng)鍋爐無(wú)法達(dá)到滿負(fù)荷運(yùn)行，引風(fēng)機(jī)機(jī)組的可靠性于穩(wěn)定性也無(wú)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(duì)中，經(jīng)建設(shè)方與業(yè)主在實(shí)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(duì)中狀況時(shí)(無(wú)固定規(guī)律)，通過(guò)調(diào)整對(duì)中情況，前述故障能夠在2#爐A/B引風(fēng)機(jī)系統(tǒng)得到緩解，并引風(fēng)機(jī)系統(tǒng)能加載到100%負(fù)載，但是在加載過(guò)程中需要控制不能出現(xiàn)過(guò)快的加載速度，否則還會(huì)出現(xiàn)高振動(dòng)現(xiàn)象[1]。而1#爐A/B與3#爐A/B引風(fēng)機(jī)振動(dòng)故障始終未能緩解，表明高振動(dòng)的根本原因尚未解決。而且同一臺(tái)引風(fēng)機(jī)系統(tǒng)在不同的操作窗口，其針對(duì)數(shù)字也無(wú)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(jì)負(fù)荷，進(jìn)行了一系列分析與測(cè)試，問(wèn)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(tái)鍋爐的6臺(tái)引風(fēng)機(jī)(0754-C-402A～F)在提速試驗(yàn)中均發(fā)生電機(jī)高振動(dòng)，其中A/B臺(tái)通過(guò)調(diào)整永磁調(diào)速器對(duì)中解決了振動(dòng)問(wèn)題(由對(duì)中狀態(tài)調(diào)整為不對(duì)中狀態(tài)，對(duì)中數(shù)據(jù)無(wú)規(guī)律)，但是C/D/E/F四臺(tái)無(wú)法通過(guò)調(diào)整對(duì)中減輕振動(dòng)。在風(fēng)機(jī)負(fù)荷快速提升，并達(dá)到某一負(fù)荷以上，通常是電機(jī)電流在14A以上，就會(huì)突然發(fā)生高振動(dòng)，并且振動(dòng)持續(xù)，只有大幅度降低負(fù)荷才能減緩振動(dòng)。但是緩慢增加負(fù)荷過(guò)程中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)振動(dòng)發(fā)生。振動(dòng)特征頻率范圍為49.3～52.1 Hz，電機(jī)非驅(qū)動(dòng)端振動(dòng)最大，調(diào)速器軸承也有振動(dòng)但振幅顯著小于電機(jī)，風(fēng)機(jī)與基礎(chǔ)沒(méi)有振動(dòng)或振動(dòng)微小。電機(jī)單試正常(未安裝永磁調(diào)速器)。調(diào)試過(guò)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(duì)中狀況時(shí)(無(wú)固定規(guī)律)，能減輕振動(dòng)。由于振動(dòng)影響，(0754-C-402B/F)這兩臺(tái)風(fēng)機(jī)負(fù)荷只能限制在50%以下。機(jī)組傳動(dòng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 機(jī)組傳動(dòng)結(jié)構(gòu)

2 故障分析與測(cè)試

2.1 故障分析

基于現(xiàn)場(chǎng)現(xiàn)象以及測(cè)試數(shù)據(jù)，利用故障樹(shù)分析，發(fā)現(xiàn)鍋爐引風(fēng)機(jī)系統(tǒng)高振動(dòng)原因可能在以下八個(gè)方面：

(1)電機(jī)轉(zhuǎn)子固有頻率發(fā)生改變。因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)電機(jī)單轉(zhuǎn)振動(dòng)值正常，在與磁力耦合器導(dǎo)體轉(zhuǎn)子裝配后，電機(jī)振動(dòng)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(jī)的驅(qū)動(dòng)端改變了電機(jī)的固有頻率；(2)引風(fēng)機(jī)模塊基礎(chǔ)剛度不足或者軟腳。鍋爐引風(fēng)機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)采用架空式鋼結(jié)構(gòu)，電機(jī)四個(gè)地腳螺栓處通過(guò)紅丹粉進(jìn)行接觸面測(cè)試，存在接觸面積不足；且電機(jī)與耦合器系統(tǒng)重量在10 T左右，運(yùn)行時(shí)底座出現(xiàn)振動(dòng)；(3)永磁調(diào)速器質(zhì)量與功率損耗。磁耦質(zhì)量問(wèn)題會(huì)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(duì)稱性，增大運(yùn)行振動(dòng)，增加運(yùn)行功耗；(4)電機(jī)、磁力耦合器軸承失效。狀態(tài)監(jiān)測(cè)正常；(5)電機(jī)轉(zhuǎn)子不平衡。電機(jī)單試正常；(6)電機(jī)線電壓不穩(wěn)。電機(jī)單試正常；(7)永磁調(diào)速器操作調(diào)節(jié)速度過(guò)快；(8)相鄰機(jī)組引起的共振。

2.2 測(cè)試驗(yàn)證

(1)永磁調(diào)速器快速升速(本次測(cè)試的升速幅度均在20%以上)過(guò)程中、電機(jī)啟動(dòng)瞬間出現(xiàn)的高振動(dòng)現(xiàn)象(較高振動(dòng)發(fā)生在電機(jī)兩側(cè)水平H方向，峰值振動(dòng)達(dá)20 mm/s RMS以上，其他如電機(jī)V，電機(jī)A/PMG A，電機(jī)基礎(chǔ)H/PMG H)，是由扭振激勵(lì)，并誘發(fā)電動(dòng)機(jī)H方向結(jié)構(gòu)共振造成的。機(jī)組異常振動(dòng)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(guò)程中會(huì)出現(xiàn)較大振動(dòng)(較高振動(dòng)發(fā)生在電機(jī)兩側(cè)水平H方向，峰值振動(dòng)達(dá)20 mm/s RMS以上，其他如：電機(jī)V、電機(jī)A/PMG A、電機(jī)基礎(chǔ)H/PMG H)，且調(diào)速閥一到位振動(dòng)即開(kāi)始回落[2]。穩(wěn)定運(yùn)行情況下，振動(dòng)均在4 mm/s RMS以下。另外電機(jī)啟動(dòng)瞬間也出現(xiàn)相似頻率成分的振動(dòng)突變。根據(jù) PMG 調(diào)速時(shí)輸出轉(zhuǎn)矩波動(dòng)特性，以及主要頻率接近扭振測(cè)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(guò)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(dòng)的激振力來(lái)源于扭振。永磁轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速趨勢(shì)如圖2所示。

(2)通過(guò)結(jié)構(gòu)敲擊測(cè)試，發(fā)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)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(jī)水平方向發(fā)生的高振動(dòng)，與較大的扭轉(zhuǎn)激振力引起電機(jī)H方向結(jié)構(gòu)共振有關(guān)。另外，高振動(dòng)時(shí)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)端(DE)左側(cè)地腳V方向與電機(jī)非驅(qū)動(dòng)端(NDE)右側(cè)地腳V方向是對(duì)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(dòng)幅值呈現(xiàn)對(duì)角不對(duì)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(shí)，雖然電機(jī)轉(zhuǎn)子依然在全速運(yùn)行，電機(jī)所有地腳振動(dòng)幅值卻很小且均勻，這一點(diǎn)可以基本排除軟腳問(wèn)題。因此推測(cè)橫扭耦合振動(dòng)使得電機(jī)地腳呈現(xiàn)橫扭振型[3]。結(jié)構(gòu)敲擊測(cè)試數(shù)據(jù)如圖3所示。

圖3 結(jié)構(gòu)敲擊測(cè)試數(shù)據(jù)

(3)機(jī)組固定運(yùn)行在調(diào)速器一定開(kāi)度下(本次測(cè)試到了35%和100%左右)一段時(shí)間后，較高振動(dòng)的測(cè)點(diǎn)幅值正常，但出現(xiàn)長(zhǎng)周期波動(dòng)現(xiàn)象(平均10s左右周期)，分析認(rèn)為可能存在與相鄰機(jī)組的拍振現(xiàn)象，或扭振波動(dòng)。

基于所測(cè)數(shù)據(jù)的詳細(xì)評(píng)估，結(jié)論如下：①永磁調(diào)速器重量190 kg，裝在電機(jī)軸端，從而會(huì)影響電機(jī)的幾何中心和質(zhì)心，造成固有頻率改變；②磁耦質(zhì)量問(wèn)題會(huì)導(dǎo)致磁通量不均勻；③永磁調(diào)速器快速升速(本次測(cè)試的升速幅度均在20%以上)過(guò)程中、電機(jī)啟動(dòng)瞬間出現(xiàn)的高振動(dòng)現(xiàn)象(較高振動(dòng)發(fā)生在電機(jī)兩側(cè)水平H方向，峰值振動(dòng)達(dá)20 mm/s RMS以上，其他如電機(jī)V，電機(jī)A/PMG A，電機(jī)基礎(chǔ)H/PMG H)，是由扭振激勵(lì)，并誘發(fā)電動(dòng)機(jī)H方向結(jié)構(gòu)共振造成的；④機(jī)組固定運(yùn)行在調(diào)速器一定開(kāi)度下(本次測(cè)試到了35%和100%左右)一段時(shí)間后，較高振動(dòng)的測(cè)點(diǎn)幅值正常，但出現(xiàn)長(zhǎng)周期波動(dòng)現(xiàn)象(平均10 s左右周期)，分析認(rèn)為可能存在與相鄰機(jī)組的拍振現(xiàn)象，或扭振波動(dòng)。

3 改造方案

永磁調(diào)速器改造前后對(duì)比圖如圖4所示。

圖4 永磁調(diào)速器改造前后對(duì)比圖

(1)根據(jù)測(cè)振頻譜分析，永磁調(diào)速器的安裝位置向電機(jī)側(cè)移動(dòng)了4 cm，即永磁調(diào)速器和電機(jī)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(cè)可能與新電機(jī)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(jī)連接導(dǎo)體盤轉(zhuǎn)子的扭振頻率，改變轉(zhuǎn)子參數(shù)時(shí)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(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)固有頻率，將400 kV電機(jī)更換500 kW電機(jī)。新?lián)Q5輻板導(dǎo)體轉(zhuǎn)子在與新電機(jī)轉(zhuǎn)子裝配條件下，電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(jī)的配合下的固有頻率(接近38 Hz)更高，說(shuō)明新?lián)Q電機(jī)轉(zhuǎn)子與導(dǎo)體轉(zhuǎn)子配合的整體剛度升高，由于此時(shí)PMG的特有頻率為61 Hz，避開(kāi)了相關(guān)固有頻率，從而避免了高振動(dòng)[4]；

(4)安裝時(shí)注意對(duì)放大振動(dòng)因素的調(diào)整，對(duì)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(kāi)度升速時(shí)振幅雖有增加但相對(duì)較小，平穩(wěn)運(yùn)行時(shí)振動(dòng)幅值基本正常，運(yùn)行時(shí)避免大幅設(shè)置升速調(diào)速閥開(kāi)度。

4 改造效果

通過(guò)上訴改造措施(如圖5所示)，6臺(tái)風(fēng)機(jī)振動(dòng)都達(dá)到設(shè)計(jì)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，且在運(yùn)行操作過(guò)程中不在出現(xiàn)高振動(dòng)現(xiàn)象，現(xiàn)場(chǎng)故障得以完美解決[5]。

圖5 改造前后振動(dòng)數(shù)值對(duì)比