立式凝結水泵電動機變頻時的振動問題與減振方法

郭玉杰，王曉東，高宇，葉海庭

(1.河南電力試驗研究院，鄭州 450052；2.大唐信陽發電有限責任公司，河南 信陽 464100)

近年來，隨著變頻調速技術的日益成熟，大多數電廠把凝結水泵變頻改造作為一項重要的汽輪機專業節能技術措施。電廠凝結水泵的作用是將凝汽器中的凝結水輸送到除氧器中。傳統的凝結水泵是定速運行，屬于節流調節方式，水泵工作轉速在1 500 r/min左右，不隨汽輪發電機組有功負荷、除氧器水位變化而變化。

凝結水泵變頻調節主要是通過降低電動機的運行轉速，從而降低能耗達到節能效果，是變頻調速方式。其在運行中根據汽輪發電機組的有功負荷及除氧器水位要求而改變凝結水泵的運行轉速。某型超臨界660 MW汽輪發電機組配套的凝結水泵投產后變頻運行中出現了比較嚴重的振動問題，表現在某一轉速區域振動異常增大，類似汽輪發電機組柔性轉子的臨界轉速，導致無法變頻運行。

1 振動測試分析

電廠立式凝結水泵一般布置在汽輪機房零米以下，通過聯軸器與布置在零米基礎上部的電動機連接，如圖1所示。依據國家標準的有關規定，對于垂直的機器，能得到最大的振動測量讀數的位置應作為傳感器放置的方向，因此凝結水泵振動測量位置應靠近電動機上部軸承附近[1]。徑向振動測量方向需要互為垂直的兩個方向。

圖1 軸系簡圖

該型凝結水泵共4臺，機組每天配備2臺，一臺運行另一臺備用，即“一運一備”，2臺凝結水泵共用1個變頻調節器，變頻調速方式與工頻定速方式可以進行相互切換。試運行期間，4臺凝結水泵變頻運行中均出現了不同程度的振動問題，導致無法變頻調速，只能工頻定速運行。下面以其中的一臺為例進行分析。

該型電動機的主要結構參數為：長、寬、高分別為2 448 mm×1 260 mm×2 369 mm，質量為9 150 kg，額定功率為2 300 kW，額定電壓為6 000 V，額定電流為259 A。

該凝結水泵于2009年3月投產，工作轉速為1 500 r/min。2009年9月24日，對該凝結水泵進行了振動測試，現場振動試驗測量位置是電動機上部，測量方向是南北和東西方向，振動傳感器為速度傳感器。凝結水泵進、出水管道布置在南北方向，由于管道的支撐作用力影響，一般該方向振動值通常小于另一方向沒有管道連接的振動值。

測試工況有啟動升速、降速過程。運行方式采取變頻調速升速，升速到最高轉速1 500 r/min，手動打閘停機降速惰走。圖2為南北和東西方向的波德圖。

圖2 啟動升速、降速過程振動的波德圖

根據以上振動測試，該凝結水泵電動機振動特點如下：

(1)東西、南北方向軸承處振動頻率以基頻為主，無明顯低頻、高頻振動分量，振動性質為普通強迫振動；

(2)啟動升速過程中，在1 100 r/min時東西方向有一個振動峰值，達到955 μm，對應凝結水泵電動機變頻調速頻率為32 Hz，在1 100～1 200 r/min，振動峰值前后相位變化約173°；

(3)啟動升速過程中，在1 020 r/min時南北方向有一個振動峰值，達到788 μm，對應凝結水泵電動機變頻調速頻率是37.3 Hz，在900～1 100 r/min，最大振動峰值前后相位變化約151°；

(4)東西、南北方向的振動峰值前后區域基頻振動幅值、相位具有急劇變化的特點，與汽輪發電機組柔性轉子的動力學振動特性類似；

(5)最高轉速1 500 r/min時，東西方向振動大于南北方向，東西方向振動值達到81 μm，兩個方向相位差為61°；

(6)對比啟動升速與降速過程中的振動數據，相同轉速下振動變化不大，兩條曲線基本重合。

2 振動故障診斷

該立式電動機振動無明顯2倍頻振動，降速過程是在切斷電源后自然降速惰走下進行的，與啟動升速過程對比，兩條曲線基本上重合，說明電動機無熱彎曲現象，因此不存在定子電磁激振、動靜碰磨、氣隙不均勻、電動機發熱不均勻、轉子繞組故障等電氣方面的因素，也不存在轉子冷卻不均勻的故障[2]。

機械方面的因素主要有軸承失效、中心不正、質量不平衡及局部松動等。結合運行中軸承溫度、聲音和振動頻譜，基本上可以排除軸承異常問題。

由圖2可知，類似汽輪發電機組柔性轉子動力學的振動特性，主要表現在東西、南北方向基頻振動幅值和相位變化急劇，相位變化接近180°，分析振動原因是轉子-軸承-外殼系統共振。結合振動相位變化，可以確定東西方向的共振轉速為960 r/min，南北方向的共振轉速為1 140 r/min。還可確定共振放大因子，東西方向約為11.6，南北方向約為9.6，通常認為這時系統阻尼處于邊緣狀態[3]。

從圖2中還可以看出，電動機在變頻工作區域中存在明顯的振動峰值，而正常設計是不允許出現這種情況的，因此說明該型電動機的動剛度偏低。

機械因素造成的振動原因有：(1)轉子激振力大，處理方法是動平衡；(2)支承剛度偏低，處理措施是增加支承剛度，比如常用的現場加固等。從工作轉速下的振動值和經驗上判斷，認為該轉子激振力不大，應從增加支承剛度上開展工作，進行現場加固試驗。

3 處理措施和效果

2009年12月，采取了現場加固電動機的減振方法。實施方案為：首先焊接一個固定支架，并與基礎埋鐵進行焊接固定，進行探傷檢查，確保焊縫無裂紋、夾渣、未熔合等缺陷。然后用力錘激振法測試支架的固有頻率，避免支架共振。如果支架共振會使凝結水泵電動機振動放大，因此該項工作十分必要。最后是采用8個螺栓同時加固，如圖3所示，對稱方向同時加力，主要是解決剛度不足或不對稱的問題。凝結水泵電動機靜止時，利用力矩扳手進行螺栓預緊固。螺栓預緊固后，再次測量支架的固有頻率，測量結果應明顯高于未緊固時的頻率。

圖3 電動機加固受力示意圖

設備運行后，由于南北、東西方向剛度的不同及加固螺栓松緊度的變化，可能造成電動機振動的變化，根據設備振動狀況進行再次緊固。

處理后振動數據見表1。可以看出，東西方向共振轉速960 r/min時，電動機上部振動值降低到78 μm。南北方向共振轉速1 140 r/min下，電動機上部振動值降低到66 μm。整個變頻運行區域，東西、南北方向的振動值均小于78 μm，振動值處于合格范圍，可以滿足運行要求。

振動值的計算式為

(1)

式中：P為激振力；Kd為部件的動剛度，表示部件產生單位振幅所需的交變力。

對比圖2和表1可以看出，電動機加固后振動幅值明顯減小。由(1)式可知，在激振力P不變時，振動幅值A與動剛度Kd成反比。因此，可以證明加固后動剛度得到顯著提高。

另外3臺凝結水泵也采取了相同處理方法，效果非常明顯，基本上解決了變頻運行中的振動問題。至此，該型4臺凝結水泵均可以采取變頻調速方式運行。

需要強調的是，引起立式電動機振動的因素很多，有定子電磁激振、氣隙不均勻、轉子繞組故障、質量不平衡、軸承失效、中心偏差大、結構共振等，對應有不同的檢查和處理方法。

4 結論

(1)立式凝結水泵變頻運行中，一個主要特點是某個方向在某個轉速下出現振動峰值，同時該轉速前后基頻相位也發生較大變化，東西、南北方向振動與轉速關系特性類似。振動頻率以工頻為主，振動性質為強迫振動。引起立式凝結水泵變頻運行的振動原因是轉子-軸承-外殼系統共振。通過現場加固，有效降低了立式凝結水泵變頻運行的振動水平，可以滿足運行要求。

(2)共振轉速前后，振動出現明顯峰值，相位變化接近180°。

(3)立式凝結水泵變頻運行中的振動問題，應引起制造廠家的高度重視，在設計階段應考慮到此問題，在變頻運行轉速之內應避免轉子-軸承-外殼系統產生共振。