电厂直接空冷系统大直径风机振动分析

秦亚飞

摘要：直接空冷系统最大的特点就是节水，在大力倡导节约用水的今天，直接空冷系统的这一特点使其在国内得到了广泛的应用，市场一片大好。但是，直接空冷系统风机振动的问题仍然没有得到很好的解决，作为直接空冷系统的设计难点之一，研究清楚风机振动的原因及特性是当前急需解决的事项。本文将通过实测的方式，分析引起风机桥振动的各重要因素，并对此提出改善方案，希望能够对电站直接空冷系统的设计及风机组风机桥振动的改善有所帮助。

关键词：发电厂；直接空冷系统；风机组；振动分析

Absrtact:Thebiggestcharacteristicofdirectair-coolingsystemiswatersaving.Today,thedirectair-coolingsystemiswidelyusedinChinaandhasagoodmarket.However,theproblemoffanvibrationindirectair-coolingsystemhasnotbeenwellsolved.Asoneofthedifficultiesinthedesignofdirectair-coolingsystem,itisurgenttostudythecausesandcharacteristicsoffanvibration.Thispaperwillanalyzetheimportantfactorsthatcausethevibrationofthefanbridgebythewayofactualmeasurement,andputforwardtheimprovementplan,hopingtobehelpfultothedesignofthedirectaircoolingsystemofpowerplantandtheimprovementofthevibrationofthefanbridgeofthefanunit.

Keywords:powerplant;directaircoolingsystem;fanset;vibrationanalysis

前言：机械通风空冷凝汽器（ACC直接空冷系统）对水资源的消耗最少，在煤炭资源丰富而淡水资源又十分有限的地区大力发展电厂直接空冷技术就成为合理的选择。直接空冷系统主要由主排汽管道、蒸汽分配管道、翅片管换热器、支撑结构和平台、风机及其驱动装置、抽真空系统、排水和凝结水系统、控制系统和仪表等部分组成。直接空冷系统所采用的风机一般均为大直径风机。以一个2x300MW的火力发电为例，直接空冷系统需要配置60台直径为9.144米的风机。而风机及其驱动装置的运转会产生较大振动，因此有必要进行振动分析，一是要对风机的自身承重结构进行安全评估，二是为合理设计隔振器提供依据。每个风机单元主要由风机、电机、传动机构和风机桥架等组成，并配有防逆转机构。

一、直接空冷系统及风机简介

直接空冷系统主要由主排汽管道、蒸汽分配管道、翅片管换热器、支撑结构和平台、风机及其驱动装置、抽真空系统、排水和凝结水系统、控制系统和仪表等部分组成。直接空冷系统所采用的风机一般均为大直径风机，每个风机单元主要由风机、电机、传动机构和风机桥架等组成，并配有防逆转机构。风机及其驱动装置的运转会产生较大振动，对振动的研究分析，有利于对承重结构的安全评估，并能够为设计隔振器提供可靠的资料。图1为风机单元的结构简图。

图1风机单元简图

二、引起振动的原因

引起机械振动的原因根据风机的具体结构分析，主要的振动原因有以下几方面：（1）运转机械的不平衡。这里主要是电机转子的不平衡，其振动具有明显的规律性，其频率等于电机的转数。（2）传动轴系的振动。按照振动的特性又可分成以下三类：①由电机的转矩不均匀引起的扭转振动；②由轴承间距和转速的不利配合引起的横向振动；③由风机的不均匀推力引起的纵向振动。（3）风机扰动。一般风机扰动常成为通风设备振动的主要根源。按振动的性质可分两种：一种是其扰动频率和风机的转数相等，称为一次扰动或轴频扰动，它主要是由风机的制造、安装误差引起的；一种其扰动频率等于风机的转数与叶片数的乘积，称为高次扰动或叶频扰动，它主要是由于叶片工作在风筒的不均匀伴流中，因此产生了周期变化的空气动力，从而引起振动。

三、扰动频谱分析

对于该风机系统，其扰动主要为风机的一次扰动、风机的叶频扰动、电机的一次扰动。因工艺要求，电机转速范围为名义转速的30%～110%（名义转速为n=1490rpm），速比为16.56，风机为六叶片。从下面的扰动频谱图可以看出扰动频带是很宽的，可供选择的频率范围非常有限。

四、振动分析条件

要想进行振动分析，必须确定参与振动部分的质量m、隔振器的刚度K及阻尼比ξ，风机（叶轮）和电机的惯性激振力幅值F。在正常使用条件下，振动部分的质量主要为设备自重。隔振器的刚度K可根据隔振器的材料进行计算，根据以往成熟经验，选取氯丁橡胶垫作为隔振器。氯丁橡胶压缩时的动刚度Ky动≈40kN/mm，剪切时的动刚度Kr动≈2kN/mm。隔振器的阻尼比ξ≈0.1。风机（叶轮）的惯性激振力幅值范围为7～94N，电机的惯性激振力幅值范围为26.5～356N。

五、风机组振动实测、分析及减振措施

（一）风机组振动实测

图2为进行实测的风机单元实测测点布置（该实测风机单元风机叶片数为5），电站的直接空冷风机系统，其安装顺序从上往下依次为：电机、减速机、风机轴、扇叶，风机系统安装在风机桥架上。使用手持式测振仪对风机的振动速度、振幅以及振动加速度做实测，使用平衡仪对风机的振动频率做实测，得到如下图3的数值。表3实测结果表明：（1）风机组主振动对应的频率（又称通过频率）约为5（风机叶片数）倍的风机转动频率；（2）测点①风机桥振幅满足风机结构振动限值的要求；（3）电动机振幅较大，远远超过标准的要求。

图2风机单元实测测点布置

注：图中所示测点①为风机组支座台板（风机桥）测点；测点②为减速机顶板测点；测点③测点④为电机中部测点。

表3风机组的振动实测值

（二）振动分析和减振措施

风机桥自振频率的对风机振动的影响及改进措施。风机组各转速对应的通过频率见表4。

表4不同运行工况下风机组的通过频率

风机桥结构自振频率值见表五。

表5风机桥自振频率

由表4和表5可以看出，风机桥第1阶次的自振频率为7.0359Hz，与风机转速为83r/min时的通过频率几乎相等，并且与93r/min转速时的通过频率相差也不是很大。风机组在转速为73-115r/min运行时，与风机桥会存在共振，导致风机组振动。为改变风机桥结构的动力特性，使风机桥的自振频率避开风机运行时的通过频率，可在风机桥水平面加设4根钢管，以增加风机桥的水平支撑。风机桥增加侧向水平支撑后自振频率如下表6所示。数据显示，增加水平支撑后风机桥第1阶次的自振频率为14.007HZ，比风机组通过频率大两倍左右，有效避开了风机组的通过频率，降低风机振动。

表6增加水平支撑后风机桥的自振频率

风机组扰力的影响及改正措施引起风机桥振动的扰力源主要有：电机、风机轴的偏心、风机叶片平面外振动等。根据风机组振动的实测结果，风机组主振动为低频振动，其大小约等于风机运行的通过频率，因此，风机组由于扰力影响的减振分析仅考虑风机引起的低频振动。在增加水平支撑的基础上，将非对称的5叶片风机改为3组两对称的6叶片风机，之后对风机组的振动进行再一次实测。下表7为增加水平支撑后风机组的振动实测值，表8为由5叶片变为6叶片风机的风机组振动实测值；表中α1为增加水平支撑后各测点的振幅与增加水平支撑前各测点振幅（表3）的比值。表中α2为6叶片风机电动机测点振幅与5叶片风机电动机测点振幅（表7）的比值。

表7增加水平支撑后风机组的振动实测值

表86叶片风机的风机组振动实测值

对比表三与表七的振动实测值可以得出，增了风机桥水平支撑后，风机组振动明显减小，对比表七与表八的振动实测值又可以得出，6叶片风机的风机组较之5叶片风机，振动有了十分明显的降低。其实5叶片与6叶片风机在自身的质量上没有任何差别，之所以用在风机组中会导致如此大的振动差，是由于叶片不对称导致风机桥振动所致。

结语:为了达到风机减振的效果，在直接空冷系统风机组结构设计上，风机桥的自振频率要避开风机的通过频率，通过增加风机桥的水平刚度可以达到频率避让的目的从而改善风机组的振动。另外，采用双数叶片风机使风机组的振动明显要小于采用单数叶片的风机。

参考文献：

[1]赵春莲，李红星，冉颢，等.1000Mw直接空冷机组支架结构体系研究[J].武汉大学学报:工学版，2017，（41）（增刊）.

[2]屈铁军，窭瑞杰，安栋.电厂直接空冷风机系统扰力测试研究[J].地震工程与工程振动，2010，30（4）.

[3]戴振会，等.国内外直接空冷系统的发展及现状[J].电站系统工程，2009，（3）.

[4]王建平，张国平，陈岚.630MW火电机组直接空冷系统节能分析及技术改造[J].陕西电力，2013（06）：79-82.

[5]邵罡北，王玉山，刘滨.2×300MW直接空冷机组改造可行性研究[J].发电技术，2011，32（04）：86-90.

[6]樊小朝，党岳，史瑞静，等.600MW直接空冷机组加装尖峰冷却装置改造及性能分析[J].汽轮机技术，2013，31（03）：300-302.