火電廠凝結(jié)水泵系統(tǒng)動(dòng)力特性分析

李坤

摘? 要：火電廠當(dāng)中，凝結(jié)水泵系統(tǒng)是極為重要的組成部分，經(jīng)過技術(shù)改造該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)變頻運(yùn)行，但常常出現(xiàn)振動(dòng)，嚴(yán)重影響了變頻節(jié)能效果。為此，本文以優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行為目標(biāo)，結(jié)合實(shí)際對火電廠凝結(jié)水泵系統(tǒng)的動(dòng)力特性加以分析。實(shí)踐中，依托于科學(xué)試驗(yàn)探討各項(xiàng)變頻影響因素對系統(tǒng)動(dòng)力特性的影響。

關(guān)鍵詞：凝結(jié)水泵系統(tǒng);動(dòng)力特性;火電廠;軸承

火電廠是電力生產(chǎn)的最重要基礎(chǔ)，生產(chǎn)過程中需要消耗大量電能。在實(shí)踐中，以凝結(jié)水泵系統(tǒng)為代表的大容量輔機(jī)，普遍具有能耗高的問題。所以，在運(yùn)用變頻調(diào)速技術(shù)后，凝結(jié)水泵系統(tǒng)完成了變頻改造，降耗需求得以滿足。但受到振動(dòng)問題影響，降耗效果常常難以發(fā)揮，此時(shí)，解決振動(dòng)問題十分必要。

1系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析模型

為實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗，火電廠紛紛基于變頻調(diào)速技術(shù)改造凝結(jié)水泵系統(tǒng)。經(jīng)過改造可借助于流量實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的自動(dòng)調(diào)節(jié)，十分有利于維持正常水位。不過，在凝結(jié)水泵系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)節(jié)，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到特定區(qū)間時(shí)容易出現(xiàn)大幅振動(dòng)。這種情況嚴(yán)重干擾了系統(tǒng)的正常運(yùn)行，也讓機(jī)組安全受到影響，更阻礙了變頻改造節(jié)能效果發(fā)揮。為了明確火電廠凝結(jié)水泵系統(tǒng)的動(dòng)力特性，我們需要構(gòu)建系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析模型，以便根據(jù)模型分析找到系統(tǒng)運(yùn)行振動(dòng)的主要原因和影響因素，進(jìn)而有效處理系統(tǒng)故障問題[1]。

在本次研究中，案例火電廠中的凝結(jié)水泵系統(tǒng)由“600MW單元制凝汽式機(jī)組+NLT500-57筒袋式立式多級離心泵（凝結(jié)水泵）+YKSL630-4電機(jī)”組合而成，離心泵的變頻調(diào)節(jié)范圍在900-1500r/min。從凝結(jié)水泵系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)上來看，電機(jī)位于立式結(jié)構(gòu)的最上方，基于支座連接泵體;而泵體則通過“水泥基礎(chǔ)平臺(tái)+基座”固定。在泵基礎(chǔ)下方，設(shè)有筒帶式結(jié)構(gòu)，筒體分內(nèi)外雙層，前者進(jìn)出水管相連，而后者則與進(jìn)水管相連;兩個(gè)水管不僅連通整個(gè)管道系統(tǒng)，更與各類閥門、濾網(wǎng)相連。在火電廠凝結(jié)水泵系統(tǒng)運(yùn)行過程中，凝結(jié)水的流動(dòng)路線如下：（1）進(jìn)水管;（2）內(nèi)外筒體之間;（3）內(nèi)筒體;（4）出水管。系統(tǒng)中，“轉(zhuǎn)子+內(nèi)筒體”形成抽芯式結(jié)構(gòu)，電機(jī)軸與泵軸利用聯(lián)軸器連接。而且，泵組的軸向力和徑向力分別由推力瓦和滾動(dòng)軸承承擔(dān)。在對凝結(jié)水系統(tǒng)震動(dòng)問題加以分析時(shí)，相關(guān)工作人員可根據(jù)該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)打造三維有限元分析模型。在此環(huán)節(jié)，需要建立的部件三維實(shí)體模型主要包括以下幾種：其一是電機(jī)支座;其二是水流管道;其三是筒體;其四是葉輪。建模完成后可基于實(shí)際工況組裝并劃分網(wǎng)絡(luò)，計(jì)算時(shí)需要加入邊界條件。為了有效分析凝結(jié)水泵系統(tǒng)的震動(dòng)類型和來源，應(yīng)分別開展整機(jī)分析以及轉(zhuǎn)子系統(tǒng)分析。

2差異化模態(tài)頻率影響因素分析

2.1整體系統(tǒng)模態(tài)頻率分析

整體系統(tǒng)模態(tài)頻率分析環(huán)節(jié)，應(yīng)該分別對系統(tǒng)中的各階模態(tài)頻率加以統(tǒng)計(jì)。在實(shí)際作業(yè)環(huán)節(jié)，案例凝結(jié)水泵系統(tǒng)的變頻范圍在15-25Hz;系統(tǒng)當(dāng)中內(nèi)筒體、整機(jī)以及外筒體的一振型分別為3.13Hz、19.1Hz和22.9Hz;而內(nèi)筒體的二階模態(tài)以及電機(jī)支架的固定頻率則分別是23.7Hz和24.2Hz。從這些數(shù)據(jù)中不難看出，內(nèi)筒體一階模態(tài)頻率并不在變頻工作范圍內(nèi)，且與變頻范圍差距相對較大，所以不會(huì)對振動(dòng)產(chǎn)生過大影響;但整機(jī)一階振型外筒體一階振型、內(nèi)筒體二階振型以及電機(jī)支架的固有頻率都處于系統(tǒng)變頻工作范圍，所以它們都會(huì)對相應(yīng)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)產(chǎn)生影響。基于科學(xué)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)模態(tài)頻率為19-24Hz時(shí)，整體系統(tǒng)存在多階模態(tài)。如果凝結(jié)水泵系統(tǒng)以25Hz為定速運(yùn)行，則不會(huì)出現(xiàn)上述模態(tài);反之，若系統(tǒng)仍然以變頻方式運(yùn)行，則容易激發(fā)模態(tài)增加大幅振動(dòng)。為解決振動(dòng)問題需要強(qiáng)調(diào)結(jié)構(gòu)約束，著力基于改變泵體的約束條件，讓其固有頻率發(fā)生變化。比如，加強(qiáng)進(jìn)水管與出水管約束;豐富外筒體約束。

2.2轉(zhuǎn)子系統(tǒng)模態(tài)分析

在凝結(jié)水泵系統(tǒng)當(dāng)中，轉(zhuǎn)子是最為重要的轉(zhuǎn)動(dòng)部件，也是引發(fā)振動(dòng)的主要原因。通常來說，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的模態(tài)頻率是否與變頻工作范圍重合，將直接影響轉(zhuǎn)子振動(dòng);若二者重合，則系統(tǒng)運(yùn)行階段轉(zhuǎn)子的振動(dòng)明顯，且振動(dòng)會(huì)基于軸承傳遞至其他系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，最終引起管道和其他部件振動(dòng)。案例系統(tǒng)當(dāng)中，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)以及其支承方式，是最為主要的模態(tài)頻率影響因素;而軸承支承則是影響轉(zhuǎn)子特性的主要結(jié)構(gòu)。在探討軸承支撐特性時(shí)必須重點(diǎn)關(guān)注軸承磨損情況以及軸承的布設(shè)情況[2]。當(dāng)支承模式不同時(shí)，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)一階振型和二階振型的模態(tài)頻率也存在差異。具體表現(xiàn)為，當(dāng)上下導(dǎo)軸承和級間軸承同時(shí)運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子固有頻率會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出系統(tǒng)變頻上限，此時(shí)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)運(yùn)行可無視共振問題;當(dāng)系統(tǒng)中的軸承出現(xiàn)磨損時(shí)，磨損部位以及程度差異，會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子固有頻率差異。

2.3試驗(yàn)分析

為進(jìn)一步研究火電廠凝結(jié)水泵系統(tǒng)的動(dòng)力特性，筆者還基于凝結(jié)水泵轉(zhuǎn)子錘擊試驗(yàn)以及凝結(jié)水泵電機(jī)起動(dòng)振動(dòng)試驗(yàn)進(jìn)行分析。在轉(zhuǎn)子錘擊試驗(yàn)中，系統(tǒng)處的支承狀態(tài)是基于2個(gè)上下導(dǎo)軸承支承，受到脈沖激勵(lì)的泵軸出現(xiàn)峰值頻率點(diǎn)，其中符合凝結(jié)水泵變頻范圍的有兩個(gè)：其一是2.8Hz;其二是10.4Hz;與這一支撐模式下的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)一階振型和二階振型相近。在振動(dòng)實(shí)驗(yàn)當(dāng)中，支承狀態(tài)同樣是基于上下2個(gè)導(dǎo)軸承支承，經(jīng)計(jì)算發(fā)現(xiàn)接近650r/min出現(xiàn)共振峰值，其對應(yīng)頻率點(diǎn)是10.3Hz，同樣符合該支承模式下的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)模態(tài)頻率。由此可見凝結(jié)水泵系統(tǒng)當(dāng)中，若出現(xiàn)了軸承大面積磨損就會(huì)導(dǎo)致約束失效。

經(jīng)過此次研究可知，多系統(tǒng)共振是導(dǎo)致火電廠凝結(jié)水泵系統(tǒng)電機(jī)振動(dòng)的根本原因。在特定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，凝結(jié)水泵系統(tǒng)會(huì)進(jìn)入共振區(qū)，因此當(dāng)電機(jī)變頻運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)出現(xiàn)較強(qiáng)振動(dòng)。系統(tǒng)運(yùn)行過程中，為避免激發(fā)振動(dòng)需有效控制凝結(jié)水泵系統(tǒng)的變頻轉(zhuǎn)速。通常來說，需規(guī)避19-20Hz區(qū)間，若想要避免振動(dòng)則可以25Hz為基準(zhǔn)開展定速運(yùn)行;若繼續(xù)按照變頻運(yùn)行，則十分容易引發(fā)振動(dòng)。

結(jié)束語

火電廠凝結(jié)水泵系統(tǒng)的振動(dòng)問題與軸承轉(zhuǎn)動(dòng)有直接關(guān)系;在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，轉(zhuǎn)子、軸承以及支承系統(tǒng)共振是引發(fā)凝結(jié)水泵系統(tǒng)電機(jī)振動(dòng)的根本原因。從現(xiàn)實(shí)角度來看，解決凝結(jié)水泵系統(tǒng)變頻運(yùn)行階段的振動(dòng)問題，必須提高系統(tǒng)的固有頻率，所以相關(guān)工作人員需要做好軸承檢修和裝配。

參考文獻(xiàn)：

[1]宗緒東.凝結(jié)水泵運(yùn)行中出力降低故障樹診斷方法研究[J].山東電力技術(shù)，2020，47（07）：72-76.

[2]盧英欣.變頻調(diào)節(jié)電控系統(tǒng)在凝結(jié)水泵改造中的應(yīng)用[J].機(jī)電信息，2019（18）：65-66.DC644009-F855-4523-8E4E-478FCE6E4BB3