一起由变频器故障引发的二倍频振动案例分析

安如山郭瑞涛

(河北邯峰发电有限责任公司,河北 邯郸 056200)

二倍频是振动频谱中的常见现象,在振动频谱分析中,造成设备二倍频振动的主要原因有:联轴器不对中、轴弯曲、轴承安装问题、机械松动、阶次共振等,而变频器故障造成该类振动的研究较少。在一次凝结水泵振动超标故障诊断中,发现变频器出现了问题。

1 设备概况

河北邯峰发电有限责任公司(简称“邯峰电厂”)1号、2号汽轮发电机组为德国SIEMENS公司制造的660 MW 汽轮发电机组,一期工程安装4台凝结水泵。为进一步降低凝结水泵的厂用电率,2006年对11号凝结水泵进行了变频改造。

凝结水泵变频改造之后,通过调整凝结水泵转速来控制流量,随着凝结水泵转速的降低,减小了节流损失的同时,也降低了水泵的振动,凝结水泵的振动长期处在1 mm/s以下。根据《华能国际电力股份有限公司企业标准Q/HPI-1-017-2014旋转机械振动检测及诊断技术规范》中关于额定功率大于15 k W 多叶片叶轮并与原动机分开连接的泵/风机(离心式、混流式或轴流式)的振动判断标准,华能邯峰电厂凝结水泵的振动远低于“刚性支撑类型A/B 区域边界标准”2.3 mm/s,长期处于“A”(良好)区域。表1为该振动判断标准。

表1 分开连接的泵/风机(离心式、混流式或轴流式)的振动判断标准

2 故障情况及原因分析

2019年02月21 日,1号机组11号凝结水泵运行中突然发生较大振动和噪音,要求检修人员立即到现场处理。通过对11号凝结水泵进行了振动测量发现:11号凝结水泵轴瓦水平振动值为8.872 mm/s,超过了“刚性支撑类型C/D 区域边界标准”(7.1 mm/s),处于“D”(振动导致损坏)区域,需要立即停运查找原因。随即停运11号凝结水泵,倒为12号凝结水泵工频运行。

2.1 振动频谱表现

图1为11号凝结水泵突发振动前后的频谱图对比,(实线为突发振动前频谱,虚线为突发振动后频谱)从图中可以看出,11号凝结水泵正常运行期间,设备各振动成分的振动值都非常小,水平振动有效值只有0.653 mm/s,远低于振动警告值。振动故障发生后,11号凝结水泵水平振动有效值急剧增加,振动有效值从0.653 mm/s变化至8.872 mm/s,增幅达12.6倍。各倍频振动成分均有一定增幅,其中二倍频附近有一个明显波峰,振动频率38.672 Hz,单成分振幅7.494 mm/s,是引起11号凝结水泵振动的主要原因。如图1所示。

图1 11号凝结水泵故障发生前后振动频谱对比

2.2 振动频谱分析

2.2.1 故障可能原因分析

设备停运后,根据设备频谱表现,总结出可能出现的几种原因,加以一一排除。总结可能原因如下:

a.凝结水泵泵组中心不正或联轴器损坏。

b.凝结水泵推力瓦或导瓦磨损。

c.凝结水泵的阶次共振。

d.电机轴承故障。

e.电气原因,变频器输出故障。

2.2.2 故障可能原因排查

a.凝结水泵泵组中心不正或联轴器损坏。设备停运后分别对电机座螺栓、联轴器及其螺栓进行检查,均未发现异常。重新复查中心,各项数值均在标准范围内,因此排除凝结水泵泵组中心不正或联轴器损坏造成水泵振动超标原因。

b.推力瓦或导瓦磨损。设备运行期间,一旦瓦块出现磨损,将影响轴承室润滑油品质,使得润滑油变黑。通过11号凝结水泵轴承箱放油观察,发现11号凝结水泵放出的润滑油颜色正常,油中无磨损的钨金碎屑出现,因此可以排除推力瓦磨损原因。

c.阶次共振。在11号凝结水泵试运过程中,发现凝结水泵在1 100～1 200 r/min期间的振动较大,怀疑可能会有阶次共振的现象产生。通过对11号凝结水泵进行了锤击实验发现,11号凝结水泵的固有频率为174.141 Hz,与发生振动的频率无关,所以阶次共振原因可以排除。

d.电机轴承故障。图2为凝结水泵电机驱动端水平加速度频谱图,从图中可以看出,11号凝结水泵电机驱动端水平加速度峰值只有9.263 m/s2,即0.945 g(1 g=9.8 m/s2),且振动加速度与突发振动前无较大变化。说明电机驱动端轴承虽然有轻微损伤,但不是造成振动的主要原因。

图2 电机轴承振动加速度频谱

e.电气故障。在对频谱的分析过程中,发现图中一倍频频率为19.219 Hz,其振动主要成分的频率为38.672 Hz,并不是一倍频的整数倍成分。即在频谱中看到的二倍频,只能称之为“疑似两倍频成分”。因此怀疑是由于电气原因也就是变频器的频率混乱,或者和电机的转速构成谐振频率关系,造成水泵振动超标。为彻底排除变频器故障原因,通过在隔离变频器的条件下试运11号凝结水泵,其频谱如图3所示。

从图3中可以看出,11号凝结水泵的振动成分主要是一倍频和七倍频及其低噪。各项振动成分振幅最大均未超过1.2 mm/s,通频振动有效值为4.197 mm/s,未超过4.5 mm/s的“B/C”区域边界标准,处于“B”(合格)范围内。最重要的是,二倍频附近的波峰几乎消失。

图3 隔离变频器后11号凝结水泵振动频谱

分析认为,一倍频的原因是转子的轻微不平衡,七倍频及其低噪产生的原因是水泵汽蚀和出口节流引发的“气穴现象”,造成振动的主要成分“疑似两倍频”消失了。

由此推断,造成11号凝泵振动的主要原因是变频器故障造成的输出信号紊乱或者与电机的转速构成谐振频率关系。

2.2.3 故障原因确认

为确认排查结果,经查阅资料发现:变频器的三相输出不平衡,一般表现为马达抖动,转速不稳;变频器带电机抖动的具体表现为,电机转速快半圈慢半圈[1]。所以,在变频器故障的条件下,电机每转一圈,在一个方向上就会产生两次激励,从而引发较高幅值的“二倍频”。又因为其转速在一个旋转周期内快半圈慢半圈的原因,振动频率与普通的二倍频有微小的差异,造成“疑似两倍频”现象。

根据上述推断,加之此次振动为突发性振动,并非凝结水泵的长期缺陷,可以确认振动的原因就是变频器故障导致。

3 处理措施及效果

根据缺陷分析结论对变频器实施检修,检修中发现11号凝结水泵变频器C2模块与B2、A2模块电压不平衡,A4、A6模块光纤头有不平整现象,于是更换变频器C2模块和所有模块光纤头。变频器检修后,开泵一次成功,现场测试振动恢复正常。

图4为消除变频器故障前后11号凝结水泵振动频谱对比图。图中虚线部分为2019.02.21突发振动时的频谱,实线部分为消除变频器故障后的频谱。从图中可以看出,各振动成分均大幅下降,其中“疑似二倍频”成分完全消失。水平振动的通频值由8.872 mm/s降为0.839 mm/s,11号凝结水泵重新回归至“A”(良好)区域内。

图4 消除变频器故障后11号凝结水泵 振动频谱对比

4 结论

a.振动频谱分析是设备故障判断的主要手段,频谱分析的难点在于振动成分与设备故障并非一一对应的关系。机械设备只有受到激励,才能产生响应。激励是因,响应是果。振动产生的根源是激励,振动频谱产生的类型与设备受到激励的方式息息相关。

b.从振动机理分析设备故障,分为2个推理方向:首先是反向,根据频谱判断受力;其次是正向,根据受力判断频谱。当这2个过程的前后特征符合时,就可以确认设备的故障类型。在上述案例中,从“非标准二倍频”推算出设备的旋转周期异常,而变频器故障可以引起电机出现“快半圈,慢半圈”的现象,两者均推算出相同的特征,以此确认了设备振动原因为变频器故障。

c.迫于环保节能压力,现代电厂的很多大型用电设备,广泛使用变频装置。做为一个电子产品,不可避免的会出现许多缺陷和故障,为设备维护带来新的课题。文中通过发现疑似二倍频的振动成分,逐步排查故障原因,最终发现此振动成分为变频器三相输出电压不平衡造成,从而引起11号凝结水泵振动超标。为以后的发现类似振动成分的故障分析,提供了新的研究方向。