超高溫亞臨界煤氣發電廠鍋爐給水泵異常振動原因分析及處理

李 俊，高 強

(中國電建集團上海能源裝備有限公司，上海 201316)

鍋爐給水泵是傳統火力發電廠汽機系統的重要設備，給水泵的振動問題是影響鍋爐給水泵及汽機系統穩定運行的一個主要因素。導致水泵振動產生的原因有很多[1-5]，而鍋爐給水泵是多級給水泵，這里面的振動因素更加復雜，大致可分為外因和內因兩大部分。管路振動、中心不正、基礎松動、軸瓦磨損、電氣故障等都屬于外部因素，而轉子本身部件磨損、脫落、摩擦是引起振動的內因。從引起振動的機理來說，又可分為電氣、機械、水力和其他原因等[6]。

傳統的經驗排除法是有效方法之一，也是現在最常規的手段。但由于可造成振動的因素眾多，如果逐一排除，那必將耗時耗力。本文結合電廠運行實例，使用數字化振動數據采集裝置采集現場數據，通過頻譜分析法來進行鍋爐給水泵的振動分析，迅速找到癥結的所在并進行相應的處理消缺。

1 研究對象及運行故障特征

某鋼廠自備超高溫亞臨界煤氣發電廠配置2臺110%鍋爐BMCR容量的多級臥式電動調速給水泵，每臺泵組配置給水泵、齒輪箱、電動機及前置泵各一臺，變頻電動機主軸伸端通過增速齒輪箱驅動鍋爐給水泵，電動機副軸伸端驅動前置泵，給水泵組布置方式如圖1所示，給水泵組設計參數見表1。給水泵在驅動端及自由端的軸承座上各配置2個振動探頭，分別監測水平及垂直方向上給水泵的振動數據，同時配置轉速探頭，監測給水泵的轉速及反轉報警[7]。此泵型為傳統火電廠300 MW亞臨界機組常規產品，在高負荷的運行工況下可以穩定運行，并經過了時間的驗證。

圖1 給水泵布置圖

表1 給水泵設計運行參數

該機組在投運后經現場反饋，當機組運行至1號給水泵流量為260～270 t/h、轉速在3 800～4 200 r/min區間時，給水泵的振動探頭數據已超0.05 mm的報警值。切換2號泵時，在此區域內發生同樣情況。當2臺給水泵發生同樣問題時，即可排除是單臺給水泵自身的制造和裝配問題。通過與表1的數據進行對比，此時的負荷工況比THA工況略低，但仍屬于可運行區域內。

在排除制造和裝配問題后，能引起給水泵振動的原因依然很多，現場基礎安裝、進出口管道連接、設備間聯軸器對中的不到位，都會影響給水泵的振動數值。在使用排除法對現場問題逐一排除后，振動問題仍然沒有消失。

2 故障診斷及數據分析

為解決給水泵的振動故障，采用數字化振動數據采集裝置結合頻譜分析法來尋找給水泵的振動產生的根本原因。本次采用的設備是肆點靈智能科技(大連)有限公司的e-Hims4.0設備健康監測診斷系統，該系統能夠在線連續監測給水泵運行過程中的振動原始信號參數，自動存儲振動分頻、相位、波形等有診斷價值的數據，通過網絡進行數據傳輸，并提供多種專業診斷圖譜和報表及圖譜對比功能、尋峰功能、倍頻值定位等快速診斷功能。

將給水泵的流量控制在260 m3/h，然后將給水泵轉速通過變頻器調節逐步上升，從振動數據異常的轉速3 800 r/min開始記錄給水泵驅動端及自由端的軸振和軸承座振動數據，一直到4 600 r/min。

2.1 給水泵驅動端軸振數據診斷與分析

泵軸驅動端軸振趨勢圖如圖2～圖4所示。

圖2 泵軸驅動端軸振趨勢圖

圖3 驅動端軸振1多特征值趨勢圖

圖4 驅動端軸振2多特征值趨勢圖

從上述趨勢圖可以看出：不同轉速下，驅動端軸振1振動值總體平穩，峰值接近50 μm，在4 000 r/min附近時有小幅上升；不同轉速下，驅動端軸振2振動值總體平穩，峰峰值接近60 μm。

泵驅動端軸振在4 211 r/min時的波形頻譜圖如圖5和圖6所示。

圖5 泵驅動端軸振1在4 211 r/min時的波形頻譜圖

圖6 泵驅動端軸振2在4 211 r/min時的波形頻譜圖

從上述波形頻譜圖可以看出：2個驅動端軸振全部有幅值較小的2×、3×、4×、5×、6×、7×等整數倍頻成分，有時有幅值較小的1/2×、1/3×、1/4×等低頻成分；驅動端軸振1的7×倍頻約等于100%*1×倍頻。

驅動端軸振的耐奎斯特圖和波德圖分別如圖7～圖10所示。

圖7 驅動端軸振1耐奎斯特圖

圖8 驅動端軸振2耐奎斯特圖

圖9 驅動端軸振1波德圖

圖10 驅動端軸振2波德圖

從上述耐奎斯特圖及波德圖可以看出：驅動端2個軸振的1×倍頻隨著轉速上升而上升，軸振1的1×倍頻不超過20 μm，軸振2的1×倍頻不超過30 μm，因此驅動端平衡整體良好。

2.2 給水泵自由端軸振數據診斷與分析

為進一步分析給水泵自由端軸振對給水泵性能的影響，對軸振數據進行實時采集與分析。通過自由端軸振趨勢圖(見圖11～圖13)可以看出：自由端振動呈現明顯波動特性，且其幅值隨著工作轉速變化而發生微小波動。

圖11 2個自由端軸振趨勢圖

圖12 自由端軸振3多特征值趨勢圖

圖13 自由端軸振4多特征值趨勢圖

自由端軸振在4 211 r/min時的波形頻譜圖如圖14和圖15所示。

圖14 自由端軸振3在4 211 r/min時的波形頻譜圖

圖15 自由端軸振4在4 211 r/min時的波形頻譜圖

從上述波形頻譜圖可以看出：2個自由端軸振全部有幅值較小的2×、3×、4×、5×、6×、7×等整數倍頻成分，部分自由端有幅值較小的1/2×、1/3×、1/4×等低頻成分；自由端軸振3的7×倍頻約等于100%*1×倍頻。

自由端軸振的耐奎斯特圖和波德圖分別如圖16～圖19所示。

圖16 自由端軸振3耐奎斯特圖

圖17 自由端軸振4耐奎斯特圖

圖18 自由端軸振3波德圖

圖19 自由端軸振4波德圖

從上述耐奎斯特圖及波德圖可以看出：自由端2個軸振的1×倍頻隨著轉速上升而上升且整體沒超過30 μm，因此自由端平衡整體良好。

2.3 故障采集結果診斷分析

通過軸振波形頻譜圖可以看出：1)驅動端、自由端4個測點的耐奎斯特圖及波德圖的1×倍頻數值均未超過30 μm，1×倍頻反映的是轉子平衡性能，因此，可判定給水泵轉子平衡良好，可以排除平衡原因導致的振動；2)全部軸振、全部有幅值較小的2×、3×、4×、5×、6×、7×等整數倍頻成分，有時有幅值較小的1/2×、1/3×、1/4×等低頻成分，這個問題的產生可能是給水泵的振動導致部件間的松動造成的；3)驅動端軸振1及自由端軸振3的7×=100%*1×；結合葉輪的葉片數量是7片，根據離心泵相關設計理論及手冊中描述，這可能是軸振1、3方向的葉片與導葉之間的間隙不良激發的流體力學原因造成的[8-11]。

3 優化方案及結果分析

根據頻譜分析的結果，由于已經排除了平衡的原因，筆者著重檢查葉片與導葉的間隙值，該泵型的葉輪葉片外徑為335 mm，導葉的葉片內徑為340 mm，葉輪與導葉的間隙為5 mm。

根據標準API610 11th[12]中5.1.17描述：“單級揚程超過200 m(650英尺)和單級功率超過225 kW(300bp)的泵可能需要特殊措施來減小葉輪葉片通過頻率振動和小流量時的低頻振動。對于這些泵，導葉或蝸舌與葉輪葉片外圓周之間的徑向間隙至少應當為最大葉輪葉尖半徑的3%(對于導葉式泵)和最大葉輪葉片尖半徑的6%(對于蝸殼式泵)。”

百分比間隙按下式計算：

(1)

式中，P是百分比間隙；R2是導葉頭部的半徑；R1是最大葉輪葉片尖的半徑。

計算得到目前這臺泵的間隙為1.5%，與標準中描述的存在一定差距。由于以往電廠運行長期處于高負荷工況，給水泵的特點就是越接近設計點，泵的效率越高效，同時運行也越穩定，結合流場與系統的原因，可能正好避開了振動區域。而本次電廠由于處于低負荷運行區間，非泵的高效區，因此泵的振動會比高效區偏大，同時結合間隙值偏小，葉輪葉片通過頻率振動和小流量時的低頻振動共同作用使得給水泵的振動超出標準值。

考慮標準API610 11th中5.1.18描述：“工作轉速高于3 600 r/min，單級功率在300 kW(400bp)以上的泵甚至可能需要更大的間隙和其他特殊的結構特點，對于這類泵，應當由買方和賣方共同商定特殊要求，把對各種具體泵型的實際運轉經驗考慮進去。”因此，對本問題的處理方案的重點是增加葉輪與導葉的間隙，使得轉子轉動過程中的能量能夠充分地釋放，降低流體通過葉輪葉片時的頻率振動。與此同時，過大的葉輪與導葉間隙將影響給水泵的效率，因此也不能盲目放大。將葉片外徑切割至329 mm，同時保留葉輪前后蓋板的高度不變，導葉葉片內徑加工到342 mm，頭部打磨修圓，保證內部流道的光滑。通過調整，使得葉輪與導葉的間隙達到3.95%，達到了API610 11th中規定的數值。

給水泵重新按照G2.5級動平衡后復裝重新運轉，在流量為260～270 m3/h、轉速為3 800～4 600 r/min的區間，復測給水泵軸承座振動值，數據達到設計值，數據見表2。給水泵異常振動問題通過數據采集、頻譜分析的方法迅速排除了各種可疑性，找到了問題的根源——葉輪與導葉間隙不足，同時結合相關標準與經驗對葉輪與導葉的間隙進行了優化，最終得到了較好的解決。

表2 處理后振動數據

4 結語

本文采用e-Hims4.0設備健康監測診斷系統，對鍋爐給水泵各運行工況數據進行了實時采集，診斷分析了該泵在不同工況點下的振動內在原因，通過優化修正給水泵的葉輪與導葉間的間隙，成功解決了給水泵異常振動問題，使得該型產品在滿足高效區穩定運行的同時又能達到調峰及降負荷時的運行要求。

傳統的經驗排除法固然可以幫助我們解決大多數的問題，但本文案例中因葉輪與導葉間隙產生的振動問題，如果不借用現代化新技術的頻譜分析法，很難會在一個成熟產品中去朝這個點剖析。通過新技術、新設備的運用，大多時候由于客觀原因容易被忽略的一些因素和原因就會通過系統診斷浮現在操作者面前，從而幫助操作者更迅速、精確地找到問題的根源，這就是新技術在給水泵故障診斷中的優勢和便利。