变频改造对电厂辅机安全性的影响分析∗

刘石杨建刚张楚高庆水邓小文杨毅

（1.广东电网有限责任公司电力科学研究院；2.东南大学火电机组振动国家工程研究中心）

变频改造对电厂辅机安全性的影响分析∗

刘石1杨建刚2张楚1高庆水1邓小文1杨毅1

（1.广东电网有限责任公司电力科学研究院；2.东南大学火电机组振动国家工程研究中心）

电厂辅机泵和风机在进行变频改造后的进行中，出现了一些设备故障，通过分析电厂变频改造实例，发现变频改造后的发电厂泵类设备容易出现一定区间内弯曲振动较大的现象，风机类设备容易出现轴裂纹、联轴器损坏和断叶片现象，设备上的滚动轴承还容易出现轴电流腐蚀现象。对上述现象的原因进行了分析，研究了轴泵弯曲和扭转振动，并给出了相应的预防和处理建议。

变频调速；风机；泵；扭转振动

0 引言

泵与风机是发电厂的主要辅机设备。为了避免出现大马拉小车以及由此引起的节流损失，很多电厂的辅机正在实施变频改造，即通过变转速运行来满足不同负荷工况的需求。这种方式因为能耗低，对负荷变化适应能力强，也因此成为电厂辅机节能降耗改造的主要技术途径。但是，变频改造后的一些辅机在运行一段时间后，出现了轴裂纹[1]、叶片损坏[2]、联轴器损坏[3-6]、一定转速区间运行时振动大以及轴承电流腐蚀等故障，对设备的安全运行产生了较大影响。一些设备被迫缩小变频运行区间，无法实现变频改造预期的节能效果。相比之下，这些故障在变频改造前定速模式下运行时并不突出。

本文结合电厂辅机变频改造实例，针对泵和风机，分析了变频运行对设备安全性的不同影响，指出变频改造后的泵与风机上发生的故障现象和性质并不相同，弯曲振动及其相关故障更容易发生在立式泵上，而扭转振动及其相关故障更容易发生在卧式布置的风机上，电机两端的滚动轴承还容易出现轴电流腐蚀。

本文对上述现象进行原因分析，并给出相应的预防和处理建议。

1 凝泵变频运行

电厂凝泵主要采取如图1所示的立式布置方式。电机位于最顶端，电机座通过螺栓与凝泵座相连，电机轴通过联轴器与水泵相连，径向力由电机上、下机架内的滚动轴承来承担。

图1 凝泵立式布置方式Fig.1Vertical arrangement of condensate pump

1.1 振动现象

大量实例表明，凝泵变频运行在一定转速区间内时，容易出现电机上端振动大的故障。电机下端固定在凝泵座上，振动较小，沿轴线方向形成典型的锥形涡动现象。

某厂2×640MW燃煤机组配套两台凝泵。原设计凝泵电机是工频运行，考虑到节能，每台机组增加一套变频装置，即一套变频装置带两台电机运行。投产以来，4台凝泵电机变频运行在800～1 200r/min时振动普遍较大。在电机顶端东西和南北方向各布置1个振动速度传感器，测试轴承处的壳振。如图2所示，变频区间内最大振动达到0.7mm，成为设备安全隐患。为了减小振动，被迫缩小变频调节区间，无法实现预期节能目标。这类振动现象不仅存在于该厂，也普遍存在于国内各大电厂类似设备，成为影响设备运行可靠性的关键共性技术问题。

图2 变频运行过程中振动变化情况Fig.2Change of vibration during varying variable frequency operation

1.2 振动原因分析

凝泵转轴为如图1所示的细长型。从图2试验实测数据可以看出，凝泵系统在600～1 200r/min内存在多个共振频率点，这些频率点所对应的临界转速低于泵最高工作转速1 500r/min。按转子动力学理论，应该被视作柔性转子。25Hz定速运行时可以避开这些模态，变频在一定转速范围内运行时，系统实际上处于共振区，这些模态就可能会被激发出来，从而导致进、出水管及泵体产生较大振动。因此，凝泵电机变频运行大幅振动实际上是由于转子-轴承-支撑系统共振所引起的。立式泵电机位于凝泵最上部，相对于泵体而言电机质量较大（约10t），并且支撑底座上开有大孔，支撑刚度较弱。电机“头重脚轻”结构对外加激振力较为敏感。

1.3 故障治理方案

常见的处理方案包括：筒体加固（轴向和周向加筋、在电机顶端或筒体等部位加约束支撑）；调整轴系对中（降低立式轴系垂直倾斜度，减少泵-电机轴系锥形涡动）；改变管道布置方向；加固基础（增加凝结水泵基础厚度、提高基础刚性）等。这类措施是电厂最容易和首先想到的，但减振效果有限。对于由质量、弹簧和阻尼所组成的单自由度振动系统而言，系统响应可以表示为：

式中，A为响应幅值；mr为不平衡质量和半径的乘积；k为支撑刚度；ω,ωn为工作频率和固有频率；ξ为阻尼系数；α为灵敏度系数。

从式（1）可以看出，不平衡力mr确定后，振动响应A是灵敏度系数α的线性函数，α是转动频率的函数。变频运行到ω≈ωn时，α很大，振动响应对不平衡力敏感，导致振动很大。

传统电机采取工频运行模式，只要考虑工作转速附近系统没有共振频率点即可。电机变频运行改造后，则需要考虑整个变频运行区间内是否存在共振点，对轴系动力学设计提出了更高要求。设计时将系统共振频率点提高到工频以外是解决这类问题最本质的处理方法。但是，现场大多不具备这类彻底治理的条件。在这种情况下，为了满足现场运行需求，可以考虑减小作用在转轴上的激振力。

系统确定后，减小振动对激振力的灵敏度很困难，但减小激振力比较容易。激振力主要来自转子上的不平衡力，因此提高这类设备动平衡精度是很有效的处理方法。实践表明，工频运行时的动平衡精度往往不能满足变频运行对动平衡精度的要求。尽管如此，凝泵变频运行时还是应该尽量避开共振区。

图3给出了上述凝泵动平衡前后变频区间内振动比较，图中实线和虚线分别对应于平衡前和平衡后。动平衡后，变频区间内的振动大幅度减小。

图3 动平衡前后变频区间内振动比较Fig.3Comparison of vibration in the variable frequency zone before and after the balance

2 风机变频运行

2.1 弯曲振动

与立式凝泵不同的是，风机轴系的弯曲固有频率一般较高。图4给出了某台风机实测弯曲振动随转速变化曲线。从图中可以看出，随着转速的升高，振动增长很快，500～1 500r/min范围内没有共振峰值。因此，这类风机具有典型的刚性转子特点。变频在低负荷下运行时，振动随着转速的降低而减小，对减小弯曲振动来说是有益的。

图4 某台风机弯曲振动随转速变化情况Fig.4Changeofbendingvibrationwithrotatingspeedoffan

2.2 扭转振动

如图5所示的风机轴系可以简化为双质量块模型，两个质量块用短轴相连。这样的动力学系统，呈现“两头大、中间细”特征，扭振固有频率一般较低。变频运行时，如果出现与扭转固有频率相重合的激励频率，就容易形成扭转共振，导致轴系疲劳损坏。

2.3 扭转振动实例分析

以图5所示风机为例进行分析。驱动风机的电机的额定转速为596r/min，电机和风机转动部件的转动惯量分别为1 519kgm2和12 300kgm2，连接轴扭转刚度为1.6×107Nm/rad，计算所得机械系统一阶扭转振动固有频率为17.4Hz。

应用应变法测试了该风机升降速过程中传动轴扭矩脉动情况。图6给出了三次实验结果。第1次实验为空载升降速，最高转速367r/min，第2次实验为加载升降速，最高转速545r/min，第3次实验最高转速到600r/min。

图5 风机双质量块模型Fig.5The two-mass model of fan

图6 升降速过程中传动轴扭矩脉动情况Fig.6Shaft torque pulsation during run up and run down process

从图中可以看出：1）随着转速的升高，扭矩脉动幅度越来越大；2）转速升高到425r/min时，扭矩脉动幅度突然增加。转速越高，脉动幅度越大；3）3次开机实验，扭矩随转速脉动情况具有很好的重复性。图7给出了扭矩大幅脉动时的波形和频谱。扭矩出现大幅脉动时，扭矩频谱中出现了非常明显的17.6Hz频率分量，这正是转轴扭转固有频率，说明轴系发生了非常明显的扭转共振现象。

采用变频调节的电机，气隙扭矩中谐波丰富，包含整数阶和非整数阶分量[4]，输出扭矩脉动频率有可能高于工作频率，激发高频扭转共振。

2.4 电机变频运行扭振风险分析

变频驱动系统的工作原理是先把50Hz的交变工频整流到直流电源，再从直流电源转换成变频的交流电源。这种交-直-交（AC-DC-AC）方式将会导致脉宽调制脉冲信号的频率成分比较复杂，在转子与定子间的相互作用下，导致气隙扭矩中包含若干整数阶和非整数阶谐波，增加扭转激励风险。

图7扭矩大幅脉动时的波形和频谱Fig.7Torque waveform and spectrum with large pulsation

图8 给出了采用变频调节的电机典型谐波频率分布图。其中，斜线1～4为机组转速的前4阶谐波激励（1×～4×），斜线5和6为变频电机产生的前两阶整数阶谐波激励（6×和12×），斜线7～10反映了前2阶间谐波激励，分别为1倍和6倍的电机工频与电机输出频率之差。变频运行时当其中任意一个谐波频率与轴系扭振固有频率重合时，就会出现扭转共振。

图8 变频运行电机谐波频率分布图Fig.8The harmonic frequency distribution of motor with varying speed driven

轴系出现弯曲振动共振时，设备转动频率大多与共振频率相等，而当变频运行的设备轴系出现扭转共振时，转动频率与扭转共振频率大多不相等。

出现扭转共振后，传动轴和联轴器因为需要承受较大的脉动扭矩而容易出现裂纹和疲劳损坏。叶轮的叶根部位因为需要抵抗扭转变形，也容易出现开裂并导致叶片损坏等现象。

3 轴电流腐蚀

3.1 轴电流现象

典型的三相正弦电源是平衡的。变频电动机是由逆变器提供电源，逆变器大多采用脉宽调制技术（PWM）。电机变频运行时，三相电压矢量和不为零，容易形成轴电压。滚柱（滚珠）在轴承圈跑道上滚动和辗压跑道时，滚珠（滚柱）与滚道之间的接触面仅为一条线，在辗压接触地方接触电阻很小。当滚动体将要离开原位置时，产生小间隙。轴电流放电在转轴和轴承内圈的表面，产生很多蚀点，将跑道表面烧成如图9所示“搓衣板”式的凹槽条纹或麻点、伤痕，甚至还有裂纹出现。此时，电机轴承温度上升很快，并伴有润滑油脂的流出。线条的个数与轴电流频率、电机转速和轴承内状况有关。

图9 轴电流腐蚀Fig.9Corrosion caused by shaft current

实践表明，轴电流对滚动轴承损伤的影响很大。轴电流＞2A时，轴承只能运行几小时；轴电流在1～1.4A时，轴承也只能运行200～700h。按照IEEE112标准，轴电压峰值大于300mV时，就需对电机轴承采取绝缘保护等措施。

3.2 轴电流预防

轴电压以及闭合回路是轴电流产生的两个必要条件。电机变频运行时轴电压肯定存在，因此就需要采取绝缘措施，隔断闭合回路。变频改造后的电机应优先选用带有绝缘的滚动轴承，可以考虑在电机轴承座与轴承支架处增加绝缘隔板和垫圈、在紧固内外盖的螺栓上加绝缘套管和绝缘垫等，也可在轴承内圈内、外圈表面和端面用等离子喷涂法均匀喷涂50～100μm高性能绝缘层，或在电机轴承外盖上安装接地电刷，将电荷导入大地。

4 结论

发电厂变频改造后的风机和泵具有节能效果明显、调节灵活等优点，但同时也会带来一定转速区间内弯曲和扭转振动共振故障，对设备安全运行产生危害。变频改造后，轴电压现象加强，滚动轴承容易出现电腐蚀。

在变频改造前，应对轴系弯曲和扭转动力学特性进行研究，分析和评估轴系抗扭强度、叶片和联轴器强度，对电机轴承采取绝缘措施。轴系动平衡试验不仅仅是在定速工频下进行，还必须在低速变频工况下进行。变频运行在共振区时，振动对激振力比较敏感。相应地，动平衡精度也要提高一个等级。

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Influence of Frequency Conversion Renovation on the Security of Auxiliary Equipments in Power Plant

Shi Liu1Jian-Gang Yang2Chu Zhang1Qing-Shui Gao1Xiao-Wen Deng1Yi Yang1
（1.Electric Power Research Institute of Guangdong Power Grid Co.,Ltd;2.National Engineering Research Center of Turbo Generator Vibration,Southeast University）

Pump and fan as auxiliary equipment in a power plant showed a fault during the operation after a frequency conversion renovation.According to the analysis of such cases in power plants,faults such as large bending vibration in pumps,shaft cracks,coupling damage and blade breakage frequently occur for fans.Galvanic corrosion is often observed for rolling bearings in variable frequency motors.Reasons for these faults are identified by the analysis of shaft bending and torsional vibration.Suggestions for the treatment and prevention of such faults are given in this paper.

frequency conversion renovation,fan,pump,torsional vibration

TH43；TK05

1006-8155-(2017)03-0065-05

A

10.16492/j.fjjs.2017.03.0012

中国南方电网有限责任公司科技项目（大型变频辅机扭转振动故障机理分析与抑制技术研究（K-GD2014-203））

2016-11-12广东广州510080