某泵站水泵機(jī)組振幅超標(biāo)原因分析

李縣林

(中山市水利水電勘測設(shè)計咨詢有限公司，廣東 中山 528403)

水泵機(jī)組的振動問題是泵站運行管理過程中的重點關(guān)注問題，水泵機(jī)組產(chǎn)生的異常振動，不僅影響水泵的運行效率，嚴(yán)重時還會因振動過大而危害工程安全。本文結(jié)合工程實例，從水泵裝置模型試驗、現(xiàn)場檢測選取的揚(yáng)程工況、現(xiàn)場檢測時的水流流態(tài)等多個方面分析研究了引起水泵機(jī)組振幅超標(biāo)的原因，希望引起更多工程建設(shè)者及管理者對此類問題的重視。

1 工程概況

某泵站設(shè)計排澇標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇24 h暴雨1 d排干、區(qū)內(nèi)不成災(zāi)。泵站設(shè)計排澇流量為60 m3/s，設(shè)計總裝機(jī)3臺，總裝機(jī)容量為3 000 kW，是一宗工程等別為Ⅱ等、規(guī)模為大(2)型的排澇泵站。工程主要任務(wù)以防洪潮、排澇為主，并結(jié)合改善圍內(nèi)水環(huán)境，工程于2011年12月開工建設(shè)，2013年12月完工。

泵站采用3臺2400ZLQ20.2-2.6型立式全調(diào)節(jié)軸流泵，其技術(shù)參數(shù)為：Q=20.2 m3/s，H=2.6 m，n=166.7 r/min。配套同步電機(jī)型號為TL1000-36/2 600型1 000 kW立式同步電動機(jī)，技術(shù)參數(shù)為：額定功率為1 000 kW，額定電壓為10 kV，額定轉(zhuǎn)速為166.7 r/min。泵站的運行水位組合及特征揚(yáng)程見表1。

表1 泵站特征水位及揚(yáng)程

泵站主要建筑物自內(nèi)河向外河有引渠、清污檢修橋、前池、進(jìn)水池、泵房、出水箱涵及防洪閘、出口消力池、海漫等[1]。泵站布置示意見圖1。

圖1 泵站布置示意

泵站自2013年12月完工投入運行以來，在凈揚(yáng)程小于1 m，且葉片正角度運行時，水泵層水泵轉(zhuǎn)輪室旁邊可以聽到類似放炮竹的噪音，葉片正角度越大，噪音越大，將水泵的葉片角度調(diào)小，噪音減小。2016年9月建設(shè)單位對機(jī)組進(jìn)行了振動現(xiàn)場檢測。

注：最低凈揚(yáng)程按出水池為最低運行水位，進(jìn)水池水位與出水池水位相同為0 m，水位差為0 m計算。

2 機(jī)組振動現(xiàn)場檢測

現(xiàn)場檢測采用北京東方振動和噪聲技術(shù)研究所研制的DASPV10便攜式模態(tài)測試系統(tǒng)，設(shè)備配置：DASP V10專業(yè)版數(shù)據(jù)采集與信號處理軟件、INV3018C型24位智能信號采集處理分析儀和INV9828 ICP型加速度傳感器[2]。

根據(jù)《泵的振動測量與評價方法》(GB/T 29531—2013)條款規(guī)定，泵非旋轉(zhuǎn)件的振動測量應(yīng)在泵的軸承箱(軸承座)或靠近軸承處進(jìn)行，因此，水泵機(jī)組振動檢測點布置在靠近水泵上水導(dǎo)軸承的主軸密封處(見圖2)。根據(jù)規(guī)范條款規(guī)定，每個測點要在3個互相垂直的方向進(jìn)行振動測量，因此在水泵主軸密封處安裝3只INV9828 ICP型加速度傳感器，分別位于X、Y、Z3個互相垂直的測量方向，其中水平垂直水流方向為X方向；水平沿水流方向為Y方向；垂直水平方向為Z方向。

在每一測試工況開始時與其他參數(shù)同步檢測，使用軟件的“手動觸發(fā)”功能，在機(jī)組每一工況下測量1次，每次采集200 s。使用DASP軟件的AVD功能將傳感器加速度信號積分為速度信號，反映出測點的振動速度大小。

本次機(jī)組振動現(xiàn)場檢測按照《泵的振動測量與評價方法》(GB/T 29531—2013)的要求進(jìn)行測點布置，所有的測量儀器、儀表都經(jīng)國家認(rèn)可的計量檢定機(jī)構(gòu)檢定，取得檢定合格證書，并處于檢定有效期內(nèi)，檢測方法及參數(shù)的確定合理、科學(xué)。

機(jī)組振動按照《泵的振動測量與評價方法》(GB/T 29531—2013)及《泵站設(shè)備安裝及驗收規(guī)范》(SL 317—2015)的要求，每個測點分為空間中3個方向，分別為：X方向、Y方向、Z方向。1#水泵機(jī)組振動檢測時的凈揚(yáng)程工況從1.18～0.30 m；2#水泵機(jī)組振動檢測時的凈揚(yáng)程工況從1.11～0.31 m；3#水泵機(jī)組振動檢測時的凈揚(yáng)程工況從0.24～1.13 m；每臺機(jī)組均檢測6個凈揚(yáng)程工況。3臺機(jī)組實測的水泵機(jī)組振動檢測值見表2。

表2 水泵機(jī)組振動檢測值 mm

1#機(jī)組檢測6個工況，實測振幅最大值為0.114 mm(X方向，相應(yīng)凈揚(yáng)程為1.0 m)，振動頻率為50 Hz；2#機(jī)組檢測6個工況，實測振幅最大值為0.186 mm(X方向，相應(yīng)凈揚(yáng)程為揚(yáng)程0.65 m和0.31 m)，振動頻率為25 Hz；3#機(jī)組檢測6個工況，實測振幅最大值為0.149 mm(X方向，相應(yīng)凈揚(yáng)程為0.24 m)，振動頻率為41.5 Hz。3臺機(jī)組水平垂直水流方向的X方向振幅超過了《泵站設(shè)備安裝及驗收規(guī)范》(SL 317—2015)要求的振幅限值0.09 mm，其余的水平沿水流方向的Y方向、垂直水平方向的Z方向振幅小于規(guī)范要求的振幅限值0.09 mm。

3 引起機(jī)組振幅超標(biāo)的原因分析

3.1 從水泵裝置方面分析

本泵站在建設(shè)過程中由江蘇大學(xué)流體機(jī)械質(zhì)量技術(shù)檢驗中心有限公司進(jìn)行了裝置模型試驗，分別進(jìn)行水泵裝置能量試驗、空化試驗、飛逸特性試驗。

1) 從水泵葉輪最小淹沒深度方面分析

裝置模型空化試驗在閉式試驗臺上進(jìn)行，裝置模型空化試驗的葉片角度為-6°、-4°、-2°、0°、+2° 共5個角度。試驗按有關(guān)規(guī)程規(guī)范，采用效率下降的方法測試：試驗在每個角度的5個流量點下進(jìn)行該工況點測試，測量工況點數(shù)大于10個，在試驗曲線變化較大的區(qū)域加密試驗點，取水泵效率下降1%時的汽蝕余量作為臨界汽蝕余量NPSHc，試驗測得最小臨界汽蝕余量NPSHc為10.00 m[3]。

水泵葉輪最小淹沒深度hg按下列公式計算：

(1)

[NPSH]=K·NPSHc,且[NPSH]≥NPSHc+1 m

(2)

式中 [NPSH]為許用氣蝕余量；K為氣蝕安全余量系數(shù)，一般取K=1.10～1.30[4]，臨界氣蝕余量小則氣蝕安全余量系數(shù)取大值，反之取小值，本次取K=1.15。經(jīng)計算hg為1.90 m，設(shè)計采用的hg為2.00 m，滿足要求，由此判斷機(jī)組振幅超標(biāo)不是由于水泵葉輪最小淹沒深度不足引起。

進(jìn)水流道進(jìn)口上緣高程為-1.50 m，淹沒在最低運行水位以下1.00 m，滿足進(jìn)口上緣應(yīng)淹沒在進(jìn)水池最低運行水位以下至少0.5 m的要求，由此判斷機(jī)組振幅超標(biāo)不是由于進(jìn)口上緣最小淹沒深度不足引起。

2) 從水泵流量方面分析

由江蘇大學(xué)流體機(jī)械質(zhì)量技術(shù)檢驗中心有限公司分別進(jìn)行水泵裝置能量試驗、空化試驗、飛逸特性試驗[5]。經(jīng)水泵裝置模型試驗?zāi)芰吭囼灀Q算得出的原型泵(葉片角ψ=0°，n=166.7 r/min，D=2 400 mm)裝置綜合性能表見表3。

表3 原型泵(葉片角ψ=0°)裝置綜合性能

由原型泵(葉片角ψ=0°)裝置綜合性能表可以查出裝置模型試驗采用的水力模型換算得出的原型泵在設(shè)計凈揚(yáng)程及最高凈揚(yáng)程工況的單機(jī)流量。水泵主要性能參數(shù)比較見表4。

表4 水泵主要性能參數(shù)比較

由表4可知，設(shè)計凈揚(yáng)程工況設(shè)計要求的原型泵單機(jī)流量為20.2 m3/s，裝置模型試驗采用的水力模型換算得出的原型泵設(shè)計凈揚(yáng)程工況單機(jī)流量為26.82 m3/s，超流量32.77%；最高凈揚(yáng)程工況設(shè)計要求的原型泵單機(jī)流量為17.1 m3/s，裝置模型試驗采用的水力模型換算得出的原型泵最高凈揚(yáng)程工況單機(jī)流量為22.81 m3/s，超流量33.39%。水泵生產(chǎn)制造廠家按照裝置模型試驗采用的水力模型生產(chǎn)制造出的原型泵流量遠(yuǎn)超設(shè)計要求的原型泵流量，由于土建的進(jìn)出水流道尺寸及水泵泵體的過流尺寸還是按照原來設(shè)計要求的原型泵流量進(jìn)行設(shè)計，從而導(dǎo)致過流斷面的流速遠(yuǎn)超原設(shè)計要求的流速，流速的增加導(dǎo)致了進(jìn)出水流道及水泵泵體不良流態(tài)的產(chǎn)生，加劇了水泵的汽蝕，從而加劇了機(jī)組振動。

3.2 從現(xiàn)場檢測時的凈揚(yáng)程工況方面分析

由于泵站的現(xiàn)場條件限制，機(jī)組振動檢測時進(jìn)出水池水位差即凈揚(yáng)程0.24～1.18 m，而水泵的實際設(shè)計凈揚(yáng)程為1.79m，檢測時的凈揚(yáng)程偏離實際設(shè)計凈揚(yáng)程較大，造成水泵在超低揚(yáng)程工況點運行[6]，流量大大超過原設(shè)計流量，從而導(dǎo)致水泵性能狀態(tài)不佳，引起實測振動超過規(guī)范要求的振動限值。

3.3 從現(xiàn)場檢測干擾因素方面分析

本次現(xiàn)場檢測進(jìn)行了水泵流量測試，根據(jù)該泵站的現(xiàn)場條件，本次測試采用流速儀法。測流斷面尺寸及流速測點布置見圖3。

圖3 測流斷面流速測點布置示意(單位：高程m，尺寸mm)

在進(jìn)行機(jī)組振動現(xiàn)場檢測時，同時進(jìn)行水泵流量測試，流速儀螺旋槳及固定螺旋槳的框架及橫梁位于泵站流道進(jìn)口檢修門槽內(nèi)，對機(jī)組的流態(tài)造成干擾，導(dǎo)致了不良流態(tài)的產(chǎn)生，加劇了水泵的汽蝕，從而加劇了機(jī)組振動[7]。

3.4 從進(jìn)水池水流流態(tài)方面分析

從泵站布置示意圖可以看出，為了使進(jìn)水池兩側(cè)的鉆孔灌注樁排樁擋墻穩(wěn)定，在鉆孔灌注樁排樁擋墻頂部設(shè)置了砼冠梁，在砼冠梁之間設(shè)置了6根垂直水流方向的砼對撐橫梁。由于泵站進(jìn)水池垂直水流方向跨度達(dá)23～30 m，對撐橫梁跨度較大，在進(jìn)水池中間設(shè)有6根支撐對撐橫梁的圓形立柱，直徑為1 m，立柱順?biāo)鞣较蜷g距為5 m。當(dāng)機(jī)組運行時6根立柱造成前池水流流態(tài)紊亂，特別是機(jī)組不對稱開機(jī)運行時，前池水流流態(tài)更加紊亂。據(jù)機(jī)組振動現(xiàn)場檢測時的觀察，進(jìn)水前池及進(jìn)水流道進(jìn)口有漩渦形成，造成機(jī)組汽蝕，同時在水泵層水泵轉(zhuǎn)輪室邊上可以明顯聽到啪啪的汽蝕噪音。

4 引起機(jī)組振動超標(biāo)的原因

低揚(yáng)程大流量立式軸流泵的振動原因比較復(fù)雜，該泵站水泵機(jī)組現(xiàn)場檢測機(jī)組振動幅值超過規(guī)范限值原因主要有以下幾個方面：

1) 從水流流態(tài)來看，水流從進(jìn)水到出水，有兩個90°拐彎，容易產(chǎn)生脫流，因而出現(xiàn)壓力脈動導(dǎo)致產(chǎn)生振動，這是由泵站的型式?jīng)Q定的，是不可避免的。

2) 水泵生產(chǎn)制造廠家按照裝置模型試驗采用的水力模型生產(chǎn)制造出的原型泵流量遠(yuǎn)超設(shè)計要求的流量，超流量嚴(yán)重，運行時的實際流量與設(shè)計工況流量有較大的偏差，當(dāng)偏差超過+20%時，原流道與流量不匹配使流速過大產(chǎn)生流道過水?dāng)嗝媪魉俨痪鶆蛞l(fā)振動。

3) 根據(jù)以往運行情況，大部分實際的運行揚(yáng)程低于設(shè)計揚(yáng)程，運行流量偏大，屬于偏工況運行誘發(fā)振動。

4) 水流經(jīng)過葉片、導(dǎo)葉體等過流部件時，存在固液耦合壓力脈動情況。

5) 由于泵站的現(xiàn)場條件限制，檢測時的凈揚(yáng)程偏離實際設(shè)計凈揚(yáng)程較大，造成水泵沒有在最優(yōu)工況點運行[6]，從而導(dǎo)致水泵性能狀態(tài)不佳，引起實測振動幅值超過規(guī)范要求的振動限值。

6) 機(jī)組振動現(xiàn)場檢測時，檢測不規(guī)范，對機(jī)組的流態(tài)造成干擾，導(dǎo)致了不良流態(tài)的產(chǎn)生，加劇了水泵的汽蝕，從而加劇了機(jī)組振動[7]。

7) 前池內(nèi)的立柱造成前池水流流態(tài)紊亂，進(jìn)水前池及進(jìn)水流道進(jìn)口有漩渦形成，造成機(jī)組汽蝕。

5 結(jié)語

本文通過分析水泵裝置模型試驗數(shù)據(jù)及現(xiàn)場檢測時的水流流態(tài)，分析了可能引起某泵站水泵機(jī)組現(xiàn)場檢測時實測振動幅值超過規(guī)范限值的原因，提出了在類似泵站機(jī)組建設(shè)及振動檢測中應(yīng)注意的問題，得出以下建議：

1) 低揚(yáng)程大流量軸流泵設(shè)計時建議選用合適的進(jìn)出水流道，減少大角度的拐彎。

2) 水泵生產(chǎn)制造廠家選用的水力模型，通過裝置模型試驗結(jié)果換算的水泵原型裝置流量不應(yīng)大于水泵設(shè)計流量的+10%。

3) 合理選擇水泵的設(shè)計揚(yáng)程，避免設(shè)計揚(yáng)程與實際運行揚(yáng)程偏差過大。

4) 水泵過流部件應(yīng)按高精度零件加工制作，提高水泵的抗汽蝕性能[9]。

5) 應(yīng)選用與實際運行相符合的揚(yáng)程工況點進(jìn)行機(jī)組振動現(xiàn)場檢測。

6) 機(jī)組振動現(xiàn)場檢測時應(yīng)規(guī)范檢測，避免人為造成干擾因素。

7) 大中型泵站建設(shè)過程中應(yīng)對泵站總體布置的進(jìn)出水流態(tài)進(jìn)行CFD優(yōu)化計算研究。

8) 大型泵站建設(shè)過程中有條件時應(yīng)對泵站總體布置的進(jìn)出水流態(tài)進(jìn)行水工模型試驗研究，優(yōu)化進(jìn)出水流態(tài)。

9) 應(yīng)采用抗汽蝕性能好的水力模型，提高水泵的抗汽蝕性能[8]。