火電廠凝結水泵系統動力特性分析

李坤

摘? 要：火電廠當中，凝結水泵系統是極為重要的組成部分，經過技術改造該系統可實現變頻運行，但常常出現振動，嚴重影響了變頻節能效果。為此，本文以優化系統運行為目標，結合實際對火電廠凝結水泵系統的動力特性加以分析。實踐中，依托于科學試驗探討各項變頻影響因素對系統動力特性的影響。

關鍵詞：凝結水泵系統;動力特性;火電廠;軸承

火電廠是電力生產的最重要基礎，生產過程中需要消耗大量電能。在實踐中，以凝結水泵系統為代表的大容量輔機，普遍具有能耗高的問題。所以，在運用變頻調速技術后，凝結水泵系統完成了變頻改造，降耗需求得以滿足。但受到振動問題影響，降耗效果常常難以發揮，此時，解決振動問題十分必要。

1系統動力學分析模型

為實現節能降耗，火電廠紛紛基于變頻調速技術改造凝結水泵系統。經過改造可借助于流量實現轉速的自動調節，十分有利于維持正常水位。不過，在凝結水泵系統運行環節，當電機轉速達到特定區間時容易出現大幅振動。這種情況嚴重干擾了系統的正常運行，也讓機組安全受到影響，更阻礙了變頻改造節能效果發揮。為了明確火電廠凝結水泵系統的動力特性，我們需要構建系統動力學分析模型，以便根據模型分析找到系統運行振動的主要原因和影響因素，進而有效處理系統故障問題[1]。

在本次研究中，案例火電廠中的凝結水泵系統由“600MW單元制凝汽式機組+NLT500-57筒袋式立式多級離心泵（凝結水泵）+YKSL630-4電機”組合而成，離心泵的變頻調節范圍在900-1500r/min。從凝結水泵系統的結構上來看，電機位于立式結構的最上方，基于支座連接泵體;而泵體則通過“水泥基礎平臺+基座”固定。在泵基礎下方，設有筒帶式結構，筒體分內外雙層，前者進出水管相連，而后者則與進水管相連;兩個水管不僅連通整個管道系統，更與各類閥門、濾網相連。在火電廠凝結水泵系統運行過程中，凝結水的流動路線如下：（1）進水管;（2）內外筒體之間;（3）內筒體;（4）出水管。系統中，“轉子+內筒體”形成抽芯式結構，電機軸與泵軸利用聯軸器連接。而且，泵組的軸向力和徑向力分別由推力瓦和滾動軸承承擔。在對凝結水系統震動問題加以分析時，相關工作人員可根據該系統結構打造三維有限元分析模型。在此環節，需要建立的部件三維實體模型主要包括以下幾種：其一是電機支座;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際工況組裝并劃分網絡，計算時需要加入邊界條件。為了有效分析凝結水泵系統的震動類型和來源，應分別開展整機分析以及轉子系統分析。

2差異化模態頻率影響因素分析

2.1整體系統模態頻率分析

整體系統模態頻率分析環節，應該分別對系統中的各階模態頻率加以統計。在實際作業環節，案例凝結水泵系統的變頻范圍在15-25Hz;系統當中內筒體、整機以及外筒體的一振型分別為3.13Hz、19.1Hz和22.9Hz;而內筒體的二階模態以及電機支架的固定頻率則分別是23.7Hz和24.2Hz。從這些數據中不難看出，內筒體一階模態頻率并不在變頻工作范圍內，且與變頻范圍差距相對較大，所以不會對振動產生過大影響;但整機一階振型外筒體一階振型、內筒體二階振型以及電機支架的固有頻率都處于系統變頻工作范圍，所以它們都會對相應結構的振動產生影響。基于科學計算發現，系統模態頻率為19-24Hz時，整體系統存在多階模態。如果凝結水泵系統以25Hz為定速運行，則不會出現上述模態;反之，若系統仍然以變頻方式運行，則容易激發模態增加大幅振動。為解決振動問題需要強調結構約束，著力基于改變泵體的約束條件，讓其固有頻率發生變化。比如，加強進水管與出水管約束;豐富外筒體約束。

2.2轉子系統模態分析

在凝結水泵系統當中，轉子是最為重要的轉動部件，也是引發振動的主要原因。通常來說，轉子系統的模態頻率是否與變頻工作范圍重合，將直接影響轉子振動;若二者重合，則系統運行階段轉子的振動明顯，且振動會基于軸承傳遞至其他系統結構，最終引起管道和其他部件振動。案例系統當中，轉子系統的結構以及其支承方式，是最為主要的模態頻率影響因素;而軸承支承則是影響轉子特性的主要結構。在探討軸承支撐特性時必須重點關注軸承磨損情況以及軸承的布設情況[2]。當支承模式不同時，轉子系統一階振型和二階振型的模態頻率也存在差異。具體表現為，當上下導軸承和級間軸承同時運行時，轉子固有頻率會遠遠超出系統變頻上限，此時轉子系統運行可無視共振問題;當系統中的軸承出現磨損時，磨損部位以及程度差異，會導致轉子固有頻率差異。

2.3試驗分析

為進一步研究火電廠凝結水泵系統的動力特性，筆者還基于凝結水泵轉子錘擊試驗以及凝結水泵電機起動振動試驗進行分析。在轉子錘擊試驗中，系統處的支承狀態是基于2個上下導軸承支承，受到脈沖激勵的泵軸出現峰值頻率點，其中符合凝結水泵變頻范圍的有兩個：其一是2.8Hz;其二是10.4Hz;與這一支撐模式下的轉子系統一階振型和二階振型相近。在振動實驗當中，支承狀態同樣是基于上下2個導軸承支承，經計算發現接近650r/min出現共振峰值，其對應頻率點是10.3Hz，同樣符合該支承模式下的轉子系統模態頻率。由此可見凝結水泵系統當中，若出現了軸承大面積磨損就會導致約束失效。

經過此次研究可知，多系統共振是導致火電廠凝結水泵系統電機振動的根本原因。在特定轉速范圍內，凝結水泵系統會進入共振區，因此當電機變頻運轉時會出現較強振動。系統運行過程中，為避免激發振動需有效控制凝結水泵系統的變頻轉速。通常來說，需規避19-20Hz區間，若想要避免振動則可以25Hz為基準開展定速運行;若繼續按照變頻運行，則十分容易引發振動。

結束語

火電廠凝結水泵系統的振動問題與軸承轉動有直接關系;在系統運行過程中，轉子、軸承以及支承系統共振是引發凝結水泵系統電機振動的根本原因。從現實角度來看，解決凝結水泵系統變頻運行階段的振動問題，必須提高系統的固有頻率，所以相關工作人員需要做好軸承檢修和裝配。

參考文獻：

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

[2]盧英欣.變頻調節電控系統在凝結水泵改造中的應用[J].機電信息，2019（18）：65-66.DC644009-F855-4523-8E4E-478FCE6E4BB3