大型變頻凝結(jié)水泵異常振動分析及處理

馬思聰，李 俊，萬大偉，楊典兵，白洪宸，錢林鋒

(1.杭州意能電力技術(shù)有限公司，杭州 310014；2.哈爾濱電站科技開發(fā)有限公司，哈爾濱 150030)

0 引 言

隨著電力技術(shù)的不斷發(fā)展，變頻技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電廠節(jié)能改造中，主要應(yīng)用于300 MW以上大型機(jī)組的凝結(jié)水泵(以下簡稱“凝泵”)中，具有很好的節(jié)能效果[1-3]，有效地提高機(jī)組經(jīng)濟(jì)效益。大型機(jī)組的凝泵基本為定轉(zhuǎn)速水泵，但部分凝泵在變頻改造后，出現(xiàn)結(jié)構(gòu)共振等故障現(xiàn)象，使改造后的變頻凝泵只能部分投運(yùn)，甚至出現(xiàn)無法投運(yùn)的現(xiàn)象。

某1 000 MW機(jī)組的凝泵改造后，在變頻運(yùn)行區(qū)間內(nèi)，存在兩個轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)明顯的振動峰值現(xiàn)象，導(dǎo)致變頻改造無法高效投運(yùn)，影響設(shè)備安全運(yùn)行。嘗試通過振動測試分析，查找凝泵振動原因，結(jié)合檢修措施，以解決此問題。

1 設(shè)備故障狀況

1.1 設(shè)備性能

某電廠2臺1 000 MW機(jī)組配有6臺50%容量工頻凝泵，每臺機(jī)組配備3臺50%容量工頻凝泵，運(yùn)行方式為二用一備。該凝泵型號為NLT400-500×5S，電機(jī)型號為YLKS560-4三相異步電動機(jī)，整體型式為立式筒型離心泵，其額定轉(zhuǎn)速為1 480 r/min，如圖1所示。將凝泵工頻方式改造成變頻方式，能在當(dāng)機(jī)組負(fù)荷發(fā)生變化時，系統(tǒng)根據(jù)凝結(jié)水流量改變凝泵轉(zhuǎn)速，以達(dá)到節(jié)能的效果。

圖1 凝泵結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of condensate pump structure

1.2 故障狀況

在變頻改造后，電廠工作人員在巡檢時，發(fā)現(xiàn)4臺凝泵均存在在變頻轉(zhuǎn)速區(qū)域運(yùn)行時，出現(xiàn)振動值增大的現(xiàn)象，表現(xiàn)為在轉(zhuǎn)速變化過程中，電機(jī)自由端的振動出現(xiàn)明顯的波動現(xiàn)象，有個別凝泵電機(jī)振動遠(yuǎn)超過標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的4.5 mm/s限值，影響設(shè)備的安全運(yùn)行，同時導(dǎo)致變頻投運(yùn)率低。

2 振動特征

對4臺凝泵電機(jī)在變頻轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)進(jìn)行測試，除凝泵6B振動較小外，其余3臺凝泵在轉(zhuǎn)速升降過程中，在兩個特定的轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)，振動會出現(xiàn)明顯的峰值現(xiàn)象，具體表現(xiàn)為當(dāng)轉(zhuǎn)速在1 050 r/min至1 200 r/min(第1轉(zhuǎn)速區(qū)間)之間和1 250 r/min至1 400 r/min(第2轉(zhuǎn)速區(qū)間)之間振動均存在明顯的振動峰值。以凝泵5A為例：當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到1 104 r/min時，電機(jī)自由端振動8.2 mm/s；當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到1 326 r/min時，電機(jī)自由端振動4.9 mm/s，偏離上述兩個轉(zhuǎn)速區(qū)間后，振動迅速回落，整個振動趨勢重復(fù)性較好，如表1、圖2所示。

表1 3臺凝泵在轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)振動值Table 1 Vibration values of three condensate pumps in the speed range

圖2 凝泵5A電機(jī)自由端振動波特圖Fig.2 Vibration Bode diagram of the free end of the condensate pump 5A motor

3 振動分析

3.1 第1轉(zhuǎn)速區(qū)間分析

在第1轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)，頻譜特征均以1倍頻分量為主，無其他低、高頻分量，屬于典型的強(qiáng)迫振動，基本可排除不對中、軸承失效[4-5]、局部松動[6]等其他故障現(xiàn)象，如圖3所示,基本可認(rèn)定凝泵電機(jī)存在轉(zhuǎn)速頻率與本體存在結(jié)構(gòu)共振現(xiàn)象。

圖3 凝泵5A第1轉(zhuǎn)速區(qū)間振動頻譜圖Fig.3 Vibration frequency spectrum of condensate pump 5A in the first speed range

3.2 第2轉(zhuǎn)速區(qū)間分析

在第2轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)，頻譜特征均以5倍、7倍的高倍頻分量為主，且當(dāng)特征頻率出現(xiàn)時凝泵電機(jī)旁同時出現(xiàn)明顯的噪聲，而1倍倍頻分量較小且基本不變，該振動特征頻率與第1轉(zhuǎn)速區(qū)間的共振特征頻率明顯不同，但振動波特圖同樣存在峰值，因1倍頻分量較小且振動特征頻率隨轉(zhuǎn)速變化而變化，基本可排除質(zhì)量不平衡、不對中、軸承失效、轉(zhuǎn)子熱彎曲等原因，如圖4、圖5所示。

圖4 凝泵5A第2轉(zhuǎn)速區(qū)間振動頻譜圖Fig.4 Vibration frequency spectrum of condensate pump 5A in the second speed range

圖5 凝泵6A第2轉(zhuǎn)速區(qū)間振動頻譜圖Fig.5 Vibration frequency spectrum of condensate pump 6A in the second speed range

綜合上述振動特征，分析判斷得出3臺凝泵電機(jī)在變頻運(yùn)行區(qū)間內(nèi)存在2種類型的結(jié)構(gòu)共振。

3.3 振動試驗(yàn)與分析

為了進(jìn)一步驗(yàn)證分析判斷， 對其中1臺凝泵 6A 電機(jī)殼體進(jìn)行固有頻率測試試驗(yàn)，結(jié)果表明：一階頻率17.0 Hz、三階頻率116.9 Hz、四階頻率133.8 Hz、五階頻率166.9 Hz均與上述故障特征頻率相近，如圖6、表2所示。

圖6 凝泵6A電機(jī)殼體頻響函數(shù)幅值曲線Fig.6 Condensate pump 6A motor shell frequency response function amplitude curve

表2 凝泵6A電機(jī)殼體固有頻率數(shù)據(jù)Table 2 Condensate pump 6A motor shell natural frequency data

由圖6、表2所述，得出凝泵6A電機(jī)殼體固有頻率的一階頻率17.0 Hz接近轉(zhuǎn)速1 100 r/min(相當(dāng)于18.6 Hz)左右的頻率，可判定在第1轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)電機(jī)存在工頻結(jié)構(gòu)共振的現(xiàn)象。

而在第2轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)振動出現(xiàn)的高倍頻分量的故障現(xiàn)象，可能的原因分析如下：

1)電機(jī)內(nèi)部轉(zhuǎn)子出現(xiàn)斷條[7-8]現(xiàn)象，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子出現(xiàn)電流短路，形成電磁力不均勻和轉(zhuǎn)子熱變形的現(xiàn)象，引起電機(jī)振動1倍頻、2倍頻分量的大幅上升以及部分高倍頻分量的上升，而電機(jī)在單體試轉(zhuǎn)時，振動1.0 mm/s以下，故該故障可能性較小。

2)電機(jī)內(nèi)部定子線圈、鐵心等部件出現(xiàn)磨損、松動等故障現(xiàn)象，造成磁場不均勻，產(chǎn)生的新磁場頻率與本體鐵心機(jī)殼等機(jī)械部件產(chǎn)生諧振，兩者頻率相似或重合時，會產(chǎn)生共振現(xiàn)象。通常采取對電機(jī)進(jìn)行解體檢查和重新安裝，可基本消除，故該故障有存在的可能性。

3)葉輪組在高速旋轉(zhuǎn)時所產(chǎn)生的葉片“通過頻率”與電機(jī)本體機(jī)械固有頻率相近或重合，會形成高倍頻的結(jié)構(gòu)共振現(xiàn)象。如果葉輪組出現(xiàn)磨損、間隙較大等故障現(xiàn)象，會加劇結(jié)構(gòu)共振，故此故障有存在可能性。而該凝泵泵軸上共有5級葉輪，首級葉輪葉片數(shù)為5片，第2級至5級葉輪葉片數(shù)為7片，可計(jì)算出相應(yīng)的葉片通過頻率，計(jì)算式如下:

f=z·n/60

式中：f為葉片通過頻率，Hz；z為葉片數(shù)；n為轉(zhuǎn)速，r/min。

由式(1)計(jì)算可知，第2轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)的葉片通過頻率為105～170 Hz，與電機(jī)殼體固有頻率的三階頻率116.9 Hz、四階頻率133.8 Hz、五階頻率166.9 Hz較為接近，可判定葉輪所產(chǎn)生的葉片通過頻率可能與電機(jī)固有頻率兩者接近，形成高倍頻結(jié)構(gòu)共振的現(xiàn)象，而當(dāng)凝泵葉輪組安裝狀態(tài)偏差時，轉(zhuǎn)子偏心加劇，會引起較大的激振力，加劇結(jié)構(gòu)共振現(xiàn)象。

4 振動處理

4.1 動平衡處理

針對第1轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)的結(jié)構(gòu)振動現(xiàn)象，采取對凝泵電機(jī)進(jìn)行動平衡的方法，經(jīng)查詢電機(jī)結(jié)構(gòu)圖，可知共有3處配重平面，分別為電機(jī)自由端、電機(jī)驅(qū)動端、凝泵聯(lián)軸器，如圖7所示。

圖7 凝泵電機(jī)配重平面示意圖Fig.7 Plan view of the counterweight of the condensate pump motor

凝泵為立式布置方式，其振動具有自下而上逐漸增大的特征。按振動理論將最大振動位置進(jìn)行動平衡處理后，相應(yīng)地電機(jī)整體振動幅值也會一并減小。決定在電機(jī)自由端處配重，相比另外兩處配重平面(電機(jī)驅(qū)動端安裝相對復(fù)雜，聯(lián)軸器配重塊較重[9-10])不僅安裝方便而且配重塊的質(zhì)量較輕，還可明顯降低激振力，達(dá)到減振目的，效果好于其他兩處配重平面，如圖8所示。

圖8 電機(jī)自由端平衡面Fig.8 Free end balance surface of the motor

3臺凝泵電機(jī)動平衡后，振動明顯下降，均可在第1轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)正常安全運(yùn)行，配重前后試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表3。

表3 配重前后共振區(qū)振動對比Table 3 Comparison of vibration in resonance zone before and after counterweight

4.2 葉輪檢修處理

針對第2轉(zhuǎn)速區(qū)間的結(jié)構(gòu)共振現(xiàn)象，決定采用改變電機(jī)殼體固有頻率、增加阻尼、減小激振力為目的處理措施，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，采取以下處理措施：

1)檢查電機(jī)內(nèi)部是否存在松動，緊固各連接面，以改變固有頻率和阻尼；

2)對凝泵葉輪葉片、導(dǎo)向軸承等的磨損程度進(jìn)行檢查與檢修，減小葉片通過頻率引起的激振力。

利用調(diào)停機(jī)會，對凝泵6A電機(jī)本體與凝泵葉輪進(jìn)行檢修，電機(jī)本體內(nèi)部無明顯松動與磨損，但發(fā)現(xiàn)凝泵泵軸上葉輪底部的導(dǎo)向軸承磨損嚴(yán)重，間隙已達(dá)0.62 mm，已明顯超標(biāo)(最大允許磨損間隙為0.52 mm)，進(jìn)行更換與調(diào)整。啟動后，該轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)振動明顯下降，最大振動2.7 mm/s，如圖9所示，并計(jì)劃將此檢修項(xiàng)目安排于其他2臺凝泵上。

圖9 凝泵6A葉輪處理后振動波特圖Fig.9 Vibration Bode diagram of condensate pump 6A impeller after treatment

5 結(jié) 語

通過對某電廠4臺凝泵電機(jī)的振動測試，通過測試、分析與處理，結(jié)論如下：

1)采用在電機(jī)自由端進(jìn)行動平衡的方式成功解決了在第1轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)振動大的現(xiàn)象，在此轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)可正常運(yùn)行。建議同類型的凝泵變頻改造后出現(xiàn)以1X倍頻分量的結(jié)構(gòu)共振現(xiàn)象，應(yīng)最先在電機(jī)自由端進(jìn)行配重，但如果電機(jī)自由端無平衡位置，再考慮其他加重平面或在電機(jī)自由端加裝動平衡盤。

2)凝泵電機(jī)轉(zhuǎn)速在第2轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)產(chǎn)生高倍頻振動，經(jīng)分析判斷是由凝泵葉輪葉片產(chǎn)生的葉片通過頻率與電機(jī)本體的固有頻率相近或重合的可能性較大。采用對凝泵葉輪的檢修，可有效減少葉輪通過頻率產(chǎn)生的激振力來抑制和降低振動。