閉式冷卻水泵及出口管道的振動分析與改進

崔 超，鄒 兵，高英偉

(華能營口熱電有限責任公司，遼寧 營口 115000)

0 概 述

某2×330 MW機組的汽輪機為亞臨界、一次中間再熱、單軸、兩缸、兩排汽、單抽供熱式汽輪機。2臺機組于2009年12月投產。1號、2號機組的閉式循環水系統，分別設有單級雙吸水平中開蝸殼式離心泵。閉式水系統的供水主要由位于機組20 m高度的閉冷水箱提供，水源為除鹽水及凝結水，可為發電機、汽輪機及鍋爐輔助設備提供冷卻水。閉式水系統的冷卻水采用開式水源。冷卻系統內設有2臺板式換熱器，正常運行時，1運1備。單臺板式換熱器的傳熱面積，為448.24 m2。

1 設備運行參數

振動是機械設備運行中較為常見的問題[1]，不僅影響機械設備的穩定運行，還會產生很大的噪聲。2號機組的A、B閉式水泵的泵體及出口管道，一直存在振動及噪聲大等問題。經測量，振動的振幅值仍在正常范圍內，約為0.048 mm，符合離心泵技術條件(Ⅲ類)的要求[2]，但與1號機組閉式水泵的振幅相比，2號機水泵的振幅較大。閉式冷卻水泵的主要參數，如表1所示。電動機的主要參數，如表2所示。2機組A閉式冷卻水泵的布置，如圖1所示。

表1 閉式冷卻水泵主要參數

表2電機主要參數

項目主要參數轉速/(r·min-1)1479額定電流/A30.3額定功率/kW250額定電壓/V6000功率因數0.86絕緣等級F冷卻方式風冷

圖1 2號機組A閉式冷卻水泵的布置

現結合2號機組實際運行的特點，從系統布置、設備及運行控制等方面，分析閉式冷卻水泵及其出口管道振動異常的原因。

2 水泵及管道的振動原因

2.1 設備安裝的原因

設備安裝的不完善，可能是引起閉冷泵及管道振動的主要原因。

(1)發現設備基礎松動

水泵、電機及管道的重量較大、地腳螺栓固定不牢固、土建地基的基礎松動、墊鐵破損、管道固定支架不牢固，或地基被油水浸泡后，均會引起水泵振動，若振動時的相位差為180°，且轉速恰為某振動的臨界轉速[3,4]，從而使振動頻率增加，水泵和管道的振幅也將增大。在處理振動前，應考慮多種因素并進行綜合治理，適當加固地基基礎，重新緊固地腳螺栓，更換損壞的墊鐵，以減少不必要的損失。

(2)聯軸器松動或故障

電動機軸與水泵軸由聯軸器進行聯接。當聯軸器的膠圈因機械磨損后，將影響聯軸器旋轉時的穩定性。若聯軸器動、靜平衡較差，或聯軸器與軸的配合間隙不均勻，均會引起水泵振動。

(3)管道布置松動

正常運行時，閉式水泵也將產生一定的振動，如果連接的管道未被牢固固定，則兩者物體的振動將互相傳遞，發生結構共振，將增大兩者振動的振幅。

(4)管道設計與安裝不合理

當離心泵偏離了額定工況，水泵的內壓力和流量將產生異常，引起流量的波動。若連接管道支架的剛度不夠，或變形較大，則管道重量將下壓在泵體上，造成泵體中心和電機中心線的位置差。若因管線支架安裝與設計要求不符，引起支架剛度的約束力下降甚至失效，或者安裝的作用力太大，管道與泵體連接后的內應力變大，均會直接或間接地導致水泵和管道產生振動。

2.2 設備原因

由于雙吸離心泵的內部結構較為復雜，引起水泵振幅增大，主要有多個方面的原因。

(1)轉子不平衡

當轉子的運動中心偏離軸線時，便會產生偏心質量。高速轉動的轉子會產生方向不斷變化的離心力，該離心力作用在軸承上，便會導致水泵軸承部位的不規則振動[5]。

(2)軸承磨損或松動

軸承支撐著機械轉動部分的重量，是承受運行設備軸向力和徑向力的關鍵部件。如果軸承損壞或有質量問題，都將引起水泵振動，并伴隨有發熱現象和異常響聲。運行時，如果軸承溫度的超過了額定溫度，應及時更換新軸承，以防止水泵振動。

(3)葉輪腐蝕

葉輪在運行中長期受到水流沖刷，導致葉輪磨損并產生偏心，將加劇泵體的振動。水泵運行時，尤其在啟、停過程中，要合理調整水泵的運行工況，及時監測水泵振動值，應避免在不穩定工況下運行。

(4)平衡裝置失效

平衡裝置可平衡葉輪運行時產生的軸向作用力，如果平衡裝置出現問題，水泵的運行效率將下降，出現振動加劇及電流增大等現象。

(5)電機問題

若存在電機結構件松動、軸承定位裝置松動、轉子質量存在偏差、轉子彎曲等問題，均將間接地引起水泵振動。

當電機定子與轉子繞組中心線的重合度偏差較大時，將產生不均勻磁場，進而產生不平衡的電磁力，這種電磁力是引起振動的電氣原因[6]。

2.3 運行控制中的原因

若在運行控制中存在問題，也將引起的水泵及管道振動。

(1)水泵泵體及管道內存有空氣

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在水泵泵體及管道中，必然有空氣存在。空氣在水泵壓力及水泵水流的沖擊作用下被壓縮，當水泵壓力和流速變化時，空氣體積就會出現變化，進而使管道內水流流速發生變化，發生水擊現象。當空氣體積變化較大時，就會引起水泵汽蝕，并產生劇烈的振動。

(2)水泵發生汽蝕

當水泵進口管道被異物堵塞，有可能使泵的進口壓力小于或等于水的飽和壓力，造成泵內水發生汽化，進而產生汽蝕，引起泵體和進口管道處的振動較為強烈。

(3)運行流量超出額定流量

當離心泵工作在最佳工作范圍內，泵體的振幅值最小。當運行中的控制出現問題，造成水泵進口電動門誤關、出口流量調整過低，水泵流量偏離額定值太多，必將引起水泵振動的增大。

(4)油質差且油溫高

(5)系統管路

在閉式水系統中，由于用戶較多和管線較長，在途徑各個用戶時，水溫將發生溫降，另外，各個用戶對閉式水溫度的需求不一致，導致回水的溫差較大，回水被匯集到回水管道，因水溫不同，必將引起管道振動。所以，應對整個閉式水系統，尤其應對汽機廠房0m附近的閉式水用戶的供回水管道，逐一檢查管道的固定狀況。

3 改進措施

結合電廠機組的運行情況，分析了引起振動的各項因素。在2號機組停機檢修期間，對閉式水泵及其整個系統進行了改進。

3.1 改進措施

(1)在2號機組投產前，已對電機進行過多次空載試驗和帶載調試，振動值均滿足國家標準。在檢修期間，結合電機生產廠家的意見，對電機定子、轉子及內部繞組進行檢測，沒有發生接線松動現象，繞組絕緣值和耐壓試驗也均符合要求。

對水泵解體檢查，水泵葉輪內部無裂紋，僅有輕微磨損(不影響運行)，但為保證長期穩定運行，還是更換了葉輪。

對地腳螺栓和設備基礎進行了加固處理，加固了管道支撐及懸梁。1號機組與2號機組的設計與系統布置相同，均通過了設計驗收，排除了管道設計方案上的問題。

(2)A、B閉式冷卻水泵的出口壓力值，如圖2所示。經現場觀察，水泵出口壓力表的指針沒有擺動現象。電機運行的電流數值穩定，可排除水泵發生汽蝕現象。

A泵出口壓力 B泵出口壓力

圖2 A、B閉式冷卻水泵出口壓力表

(3)在運行及啟停過程中，及時排除泵體處、濾網處、出進口管道處和管道高點處的空氣。時刻注意水泵進、出口門的狀態，防止誤操作將其關閉或電氣故障關門。日常巡檢時，使用測溫槍對泵體軸承、電機軸承分別進行測溫，實地監測軸承的運行溫度。

A閉式冷卻水泵空氣門及過濾器空氣門，如圖3所示。空氣門的開關操作較為方便，當空氣門見水后，即可將空氣門關閉。

過濾器空氣門 泵體空氣門

圖3 過濾器及泵體空氣門

3.2 改進后效果

檢修了閉式水系統后，對系統進行了試轉，并測量了電機軸承溫度、繞組溫度、泵體軸承溫度，以及水泵的振動值。

1號與2號機組的振動值與運行時間關系曲線，如圖4所示。從圖4可知，1號機組水泵的振動均值，為0.035 mm。2號機組水泵的振動均值，為0.037 mm。在運行的前20 h內，1號機組與2號機組閉式水泵的振動值相差較大，運行時仍有異音，但振動值符合國家標準，不影響水泵運行。運行20 h之后，隨著2號機組閉式水泵振動值的緩慢下降，2臺水泵的振動值基本相同，泵體及出口管道的異音漸消,運行狀態良好。

圖4 振動值與運行時間的關系曲線

在不同溫度下，振動值與運行時間的關系曲線，如圖5所示。從圖5可知，水泵振幅的大小，隨著外界環境溫度的升高而增加；水泵的振動值，隨著運行時間的增加而下降，直至趨于穩定值。

圖5 振動值與運行時間的關系曲線

4 結 語

通過分析，對2號機組A、B閉式水泵實施了改進措施。改進后，降低了水泵的振幅值，并消除了水泵運行時的異音。

在日常運行時，要嚴格執行設備的定期輪換操作，定期檢查前后軸承油室內的潤滑油或進行更換，確保油質合格。日常巡檢時，要注意地腳螺栓的松動情況，檢查墊鐵是否完整、地面是否有積水。密切注意閉式水箱水位、電流、出口壓力、出口溫度等各項運行參數的變化，及時解決水泵及管道的振動問題，才能使閉式水系統長期穩定地運行。