某机组风道异常振动故障分析诊断研究

刘振琦,刘振明

(1.北京国电电力有限公司上湾热电厂,内蒙古 鄂尔多斯 017209;2.国能亿利能源有限责任公司电厂,内蒙古 鄂尔多斯 017209)

0 引言

国内燃煤电厂设备复杂,由于实际运行工况与设计工况相差甚远,加上设备老化和选型不合理,导致设备振动问题频发。研究人员[1 -5]进行了大量研究工作。对此,谢永辉[5]等人研究了汽轮机带有减振护罩的叶轮叶片和长叶轮的振动特性,王彦博[6]、杨丽芳等[8]等进行了相应的计算分析相关参数的影响。薛翔[2]等研究了某300 MW机组感应积分升压后风机诱发振动的原因通过热测试、现场维护和振动测试。沈力等[11]通过增加回风旁通管解决了密封风机和出风管振动的问题。某热电站1、2号机组为循环流化床机组,每台机组配置两台豪顿华工程有限公司生产的L2N 2344.02.93 SBL6T型单进风离心风机。机组技改后,减少四台风机的一次风量,存在一次风机进口处消音管振动强烈的问题。

本文采用多种方法和思路对电厂振动问题进行测试、分析和讨论,找出其原因。

1 研究背景及初始数据

1.1 研究背景

(1)消音器元器件在风道内部矩阵式布置,通过振动测试和理论计算探究是否发生卡门涡街振动;

(2)根据风道图纸和现场观测可知,消音器布置在风道进口位置,上游无任何直管段或过渡段。通过数值计算,探究进口消音器所在风道系统流场分布均匀性;

(3)消音器设备与一次风机处在同一风道系统且距离较近,机组经过技术改造后机组一次风机风量减少明显,风机运行状态发生明显改变,因此需要探究其对风道运行系统的影响。

1.2 振动初始测试数据

当机组实际负荷为76 MW时,通过调节风机开度激活风道振动并进行试验。调节过程如下:调节期间,两侧逆变器频率保持在70%左右,风机开度由36%增大到39%,A侧加热一次,风量小幅增大,B侧一次热风量小幅减小,此时,B侧一次风机进风风道有较为明显的振动,A侧风道无明显振动。

2 相关振动因素分析与探究

2.1 卡门涡街问题分析

卡门涡街是指在特定条件下定常流体绕过物体时,在两侧周期性地脱落出有规则的、旋转方向刚好相反的双列线涡。脱落后的卡门涡流在管子的后方形成了垂直于气流方向与管子方向的气流脉动。当烟道的固有频率、气流声学驻波的频率或者卡门涡街脱落频率中的两个或者三个频率都相近,会引发强烈的振动。火力发电厂中,卡门涡街现象多出现在风道暖风器、低温省煤器、管式空预器等管排式布置的设备上,当介质流速、管束尺寸等参数设计不当,极易发生共振。可采用以下公式计算旋涡脱落的频率

fs=St×v/d

(1)

式中v——流体速度;

fs——卡门涡流脱落频率;

d——圆柱体外径;

St——斯特罗哈尔数,与雷诺数相关的无因次量。

本文研究对象消音器为矩阵式布置,消音器元件截面尺寸300 mm×300 mm,长3 000 mm,5×5阵列式布置,设计图纸如图1所示。根据公式(1)计算可得,旋涡脱落频率为2.5 Hz,与现场实测的13.13 Hz频率差别较大。同时,通过相关研究可知,卡门涡街引起的声学共振问题伴随有异常声音,而振动现场并无类似异常声音。因此,通过理论计算和现场振动特征,排除卡门涡街引起振动的可能性。

图1 消音器设计图纸

2.2 风道流场分布及风道刚性问题分析

根据风道设计图纸建立消音器风道模型,一次风机进口风道及消音器的布置情况如图2和图3所示。由图可知,消音器布置在一次风机进风口,上游未有直管段。

图2 一次风机进口风道示意图

图3 一次风机进口消音器示意图

风道内部为复杂三维的湍流流场,在进行数值计算过程中,假定流体不可以压缩、等温定常,采用标准κ-ε模型,壁面设置为无滑移壁面,出口给定压力边界条件,进口给定速度边界条件;对称中分面给定对称边界条件。

根据计算结果可知:

(1)消音器进口风道壁面存在明显的低速扰流区;

(2)消音器元件尾部存在尾迹低速涡流区;

因此,现有一次风机进口风道存在一定的优化空间。

同时,消音器现场示意见图4所示,现有消音器已运行8年以上,未进行过维修或者更换。消音器框架、壁面孔板、玻纤布等老化严重,甚至出现破损,钢框架焊缝存在开裂现象,整体刚性较差。

图4 现场消音器壁面示意图

2.3 风机气动性能分析

为探究现有一次风机实际运行状态,对其进行热态性能试验。根据机组的运行情况,将试验期间机组负荷分别安排在77 MW、112 MW及147 MW工况下进行。一次风机实测运行点在风机性能曲线上的位置如图5所示。

图5 一次风机实际运行点在其性能曲线上的位置

根据风机试验数据及以上数据可知,三个工况下风机实际运行工况点处于高效区,但基本位于风机出力极限,低负荷工况运行点距离失速线较近。风机失速裕度见表1所示,由表中数据可知,风机低负荷工况下的失速裕度小于规范中要求的1.35,具有较大的失速风险。

表1 风机失速裕度

3 机组振动优化改造

分析可知,目前一次风机及其进口消音器管道系统存在两个方面的问题:消音器风道流场分布较差、一次风机存在失速风险,需对其进行详细分析,探究与风道振动之间的关系。

3.1 风道优化改造

根据分析可知,消音器所在进口风道流场存在一定的优化空间,同时钢框架刚性需要进一步加强。首先计划通过以上两种途径缓解振动问题,具体措施如下:一次风机进口风道增加进口弧板+消音器尾部增加破涡板+消音器钢框架修补加固。几何模型示意图和内部流场图分别如图6所示:由计算结果可知,两种优化措施均对消音器所在风道附近流场存在一定的改善作用。

图6 优化措施几何模型和流场示意图

3.2 改造效果

经过上述改造,消声器框架的刚性得到了加强,改善了因空气进入而导致消声器本体流场不均匀的问题。同时,对管网系统进行了优化,减少了阻力一次风机所在市电系统,使风机工况点远离不稳定工况区域,工况变化时阻尼效果大大提高,兼顾安全性和经济性。

4 结论

结合一次风机性能试验数据,对振动频谱及历史SIS数据进行了详细分析。一次风机的进口管道振动前均发生了一次风机落入不稳定区的现象,即一次风机落入不稳定区是一次风机进口风道振动的诱因。

同时对于机组进行振动优化改造,经过改造之后,加强了消音器框架刚性,改善了由于进风口导致的消音器本体流场不均问题。同时优化了管网系统,降低了一次风机所在网系统阻力。