泵站立式全調節軸流泵共振分析與改善措施

劉凱華 李 營 化全利

(北京市南水北調團城湖管理處,北京 100000)

泵站機組長時間振動異常,容易引起零部件的疲勞、斷裂,影響機組的穩定運行。當機組某特定振動頻率與泵站廠房等建筑物固有頻率接近時,將引發共振現象,危及整個泵站的安全。此類現象在大中型泵站和水電站中屢見不鮮。引起水泵機組振動的主要原因有機械力不平衡、水力不平衡、電磁力不平衡,分析振動產生的原因,才能更有效地采取措施。李航等[1]認為黑龍江省某灌溉泵站機組和廠房結構存在共振現象,并認為水力因素是產生共振的主要原因。肖燁等[2]針對淮安三站泵房結構動位移較大現象進行分析,得出產生振動的主要原因為泵房下部結構與脈動壓力發生共振。張河灣抽水蓄能電站廠房局部構件振動強烈的原因是激振源無葉區的壓力脈動[3]。李楊等[4]分析了江都泵站水泵振動值大的原因,認為水力和機械因素影響最大。

密云水庫調蓄工程梯級泵站自2015年運行以來,機組振動異常現象和泵站共振現象時有發生,經過交通橋時震感強烈,泵站中控室和辦公區域的樓板晃動明顯。為更加深入地了解機組運行現狀,掌握機組現階段存在的問題,分析振動產生的原因并有針對性地采取措施,以興壽泵站為例,依托在線監測,進行機組和交通橋振動試驗,分析影響振動的因素,并采取機組檢修、更換葉片調節機構、增設變頻啟動裝置變速等方式改善泵站機組的振動現象。采取措施后機組振動和泵站共振現象得到明顯緩解。

1 工程概況

1.1 興壽泵站基本情況介紹

密云水庫調蓄工程是南水北調北京市內配套工程的一個重要建設項目,對于消納南水北調來水、實現北京水資源優化配置具有重要作用。興壽泵站為密云水庫調蓄工程第四梯級泵站,其將第三梯級埝頭泵站來水提升輸送至第五梯級李史山泵站。泵站設計流量20m3/s,有立式軸流泵4臺(3工1備),單泵設計流量6.7m3/s,設計揚程1.97m,配套立式異步電動機,單臺功率355kW,泵站總裝機容量1.42MW,機組采用高壓固態軟啟動裝置啟動。

泵站等級為Ⅱ等,主要建筑物級別2級,次要建筑物級別為4級,采用塊基型結構,泵站廠房樓板布局從上而下依次為中控室層、電機層、聯軸層、水泵層。泵站進水流道為肘形流道,出水流道為虹吸式流道,斷流方式為真空破壞閥斷流,檢修閘門為平板鋼閘門,卷揚式啟閉機啟閉,檢修閘門前端設耙斗式清污機。泵站廠房建造在京密引水渠道上,前后分別利用進出水引渠與上下游渠道連接,檢修閘門與清污機之間設交通橋。泵站運行特征水位見表1。

表1 泵站運行特征水位 單位:m

1.2 興壽泵站存在的問題

密云水庫梯級泵站聯合調度運行期間,興壽泵站2號機組存在以下問題:

a.振動頻繁,振動原因復雜。2015年開機運行以來,興壽泵站機組在運行過程中都有不同程度的振動現象,交通橋振動感覺非常明顯,機組運行不平穩。引起水泵機組振動的因素復雜多樣,運行期間排除了水泵淹沒深度不夠、進水條件不良等制造、安裝精度不符合要求的問題,且在不考慮葉輪雜物、攔污柵阻塞、螺栓松動等外在條件的情況下,機組振動值依然偏高。

b.調水流量變化。泵站設計流量為20m3/s,受南水北調來水量和北京市水資源調度的影響,泵站小流量運行漸成常態化,運行經驗表明,機組在小角度(小流量)運行的情況下,機組運行狀態不佳,機組振動值明顯增大。調水量不穩定致使機組單雙機切換頻繁,機組頻繁開停機,啟動過程中振動值較大,且振動時間較長。運行過程中需要經常調節葉片角度,由于葉片調節機構軸承溫度偏高,易引起抬機等問題。

c.振動緩解措施效果不明顯。在2015年運行期間,興壽泵站出水口很少淹沒。通過工程措施在出水池增加舌瓣閘對出水口淹沒深度進行調節。2016年運行期間觀察,交通橋振動改善并不明顯。

d.監測系統落后。泵站機組原有狀態監測系統振動測點布置在電機上機架外殼上,測量方向為水平面兩個互相垂直的方向,未檢測軸向振動,且振動傳感器測量精度低,受外界因素影響較大,經常出現錯誤高報的現象,導致測量數據可靠性低。

1.3 振動試驗測點布置

在線監測系統振動測點布置在2號和3號機組上,每臺立式軸流泵布置8個振動測點,引用原有2個擺度測點(電渦流傳感器)。振動測點采用低頻加速度傳感器MEAS8711LF-01-010進行測量。在電機驅動端和非驅動端軸承座上各安裝2個徑向振動傳感器(垂直V/水平H),在驅動端安裝1個軸向振動傳感器(軸向A);在機泵驅動端軸承座安裝2個徑向振動傳感器(垂直V/水平H),在機泵驅動端安裝1個軸向振動傳感器(軸向A)。擺度傳感器布置在電機和水泵的聯軸器處。交通橋布置兩個振動測點,測量水平/垂直振動。機組測點布置見圖1。

圖1 立式軸流泵機泵振動和擺度測點布置

2 振動緩解措施及效果分析

2.1 機組振動穩定性試驗

采用車輛激振法對交通橋進行振動測試,利用車輛過橋后的余振分析得到橋跨結構的基頻。測試得到橋體的某階共振頻率為82～86Hz。

進行單泵、雙泵、3臺泵組合運行試驗,盡量滿足滿負荷(電機設定滿負荷的70%)運行條件,通過在線監測記錄和振動數據結合離線數據,尋找引起交通橋振動的主振源和影響因素,分析機組振動產生的主要原因。

在雙泵試驗運行期間,橋體振動較大,并且中控室地板也感覺到明顯的振動。2號和3號雙機穩定性振動試驗顯示,2號泵電機軸向振動遠大于3號電機軸向振動,在線監測系統采集的對應時間點振動頻譜圖見圖2。

泵站機組擺度值是反映機組性能的另一個重要參數,擺度值過大將引起機組振動值增加,軸承或者大軸磨損,嚴重時導致葉輪碰殼。擺度增加的主要原因有:機械因素:由于推力頭與主軸配合不當導致推力瓦受力不均、軸瓦間隙不合適;水力因素:進水流道中由于不均勻流動產生漩渦,其形成的渦帶進入葉輪等[5]。圖3為2號機組軸擺渡頻譜圖。

依據相關試驗振動、擺度頻譜數據,得出以下分析:

a.2號電機軸向振動值以及振動特征頻率分布與橋體振動值和特征接近。橋體振動頻率范圍為80～100Hz;2號電機軸向振動頻譜中,在78～90Hz峰群集中,幅值略小于橋體振動。

b.2號泵軸擺度頻譜中有幅值不穩定的1/2、3/2、5/2、7/2等半頻及分數諧波(見圖3),推測2號機組電機推力軸承有可能輕微磨損,葉輪內存在渦帶。泵葉片配合間隙增大(由定位裝置間隙增大引起),葉片及流體軸向波動導致機組軸向振動過大,是引起橋面豎向振動的關鍵因素。

圖2 2號機組電機軸向振動與橋體振動對應時間點振動頻譜圖

圖3 2號機組軸擺渡頻譜圖(一)

針對上述問題提出檢修建議:檢查2號電機推力軸承、泵葉片角度定位機構組件等部件配合間隙、泵上下導軸承。

2.2 小修后振動分析

2號機組自2015年7月投入運行以來,在運行中擺度超限達到155μm(泵站設定的擺度報警值為110μm),振動較大,機組運行不平穩,根據《密云水庫調蓄工程泵站主機組檢修規程》需要通過小修解決。機組小修主要項目[6]包括:測量調整機組鏡板水平度;測量調整電機定轉子磁場中心高度;測量調整電機定轉子氣隙;調整機組垂直同軸度;測量調整機組主軸擺度;測量調整機組主軸中心;檢查電機推力軸承,檢查研刮電機導軸承;測量調整水泵葉片與葉輪室間隙;檢查填料函及主軸軸徑磨損情況,更換盤根密封;檢查水泵和電機基礎、螺栓及連接螺栓的緊固性。

小修中發現的問題及處理如下:

a.電機推力軸承有明顯的磨擦痕跡(見圖4),證實了在線診斷監測的正確性。用三角刮刀研刮。保證接觸點每平方厘米不少于2點;局部不接觸面積每處不大于瓦面積的2%,其總和不大于瓦面積的5%。

圖4 2號機組推力軸承磨損痕跡

b.葉片調節機構連接小軸法蘭處松動,緊固連接法蘭內雙餅帽螺絲,加防動銷;泵葉片角度定位機構組件等部件緊固連接螺栓。

c.機組主軸擺度過大,通過盤車使擺度減小達到規范要求。

安裝完成后,調試結果表明各項指標均滿足規范要求,機組檢修質量良好,機組運行平穩。

2號機組檢修后,電機軸向振動速度最大值為1.41mm/s,對應的頻譜圖(見圖5)中,71Hz峰值為1.86mm/s。其余時間,軸向振動速度值均小于檢修前,并且頻譜中65～90Hz之間峰值很小。

圖5 2號機組電機驅動端軸向振動頻譜圖(一)

機組軸擺渡值趨勢較穩定,泵葉片角度變化對擺渡值趨勢影響不明顯。檢修前2號泵軸擺度頻譜中有幅值不穩定的1/2、3/2、5/2、7/2等半頻及分數諧波,檢修后并未消失(見圖6)。

圖6 2號機組軸擺度頻譜圖(二)

依據上面各圖中振動趨勢和頻譜數據,得出以下分析結論:

a.檢修后,2號泵葉片角度定位不良(泵葉片配合間隙增大)問題改善明顯,但并未徹底根除。

b.電機軸向振動較大波動頻繁的現象改善顯著,橋體及建筑物振動得到明顯抑制,但未完全消除。

2.3 更換葉片調節機構后振動分析

2號機組采用機械式葉片全調節機構,葉輪直徑為1460mm,葉片數為3片/臺。葉輪由葉片、輪轂體及葉片調角操作機構等組成。葉片調角操作機構為連桿轉臂機構,由轉臂、連桿、操作架等組成。操作架通過調節桿與調節機連接,將調節機推拉桿的上下運動轉化成葉片的轉動,實現調節角度的目的。機械式葉片調節機構結構問題多,安裝精度要求高,工作不可靠。具體表現為調節器軸承發熱燒壞,因本身原因引起抬機;工作范圍窄,調節器個頭高,不利于泵房機組檢修時吊裝[7]。

2017年11月15日更換2號機組葉片調節機構,將機械式調節機構更換為湖北拓宇水電科技有限公司生產的內置式液壓調節器[8],相對于傳統的液壓調節,它在本體內直接置換了外部的油壓裝置,采用上置式、內供油,基本上沒有滲漏,具有體積小、重量輕、造價低、檢修方便、便于維護等優勢。調節器本體位于機組主軸頂端,與主軸同步旋轉,改變了機械式調節器推力軸承的著力點,由機械傳動改用液壓傳動,提高了工作可靠性,從根本上消除了調節器軸承發熱、燒毀和抬機問題。

橋面振動頻譜圖(見圖7)顯示,2號機組更換葉片調節機構后,橋面振動速度值最大為0.44mm/s,均值為0.27mm/s,頻率峰值集中在67Hz,且僅有0.16mm/s。

圖7 橋面振動頻譜圖

圖8顯示,機組電機驅動端軸向振動與更換葉片驅動機構前相比較,振動頻譜特征與更換前近似,最大振動值基本接近,并且振動頻率接近建筑物固有頻率80～95Hz的持續時間極短,并且發生次數很少。

圖8 2號機組電機驅動端軸向振動頻譜圖(二)

通過在興壽泵站的使用情況來看,液壓調節器運行平穩,沒有進行維修,維護也比較簡單,葉片調節方便準確,機組運行中的振動、擺度均比其他機組偏小。

依據上面各圖中振動趨勢和頻譜數據,得出以下分析結論:

a.機組振動值與更換之前相比,尤其是軸向振動值,有一定改善。

b.2號機組更換葉片調節機構后,機組電機驅動端軸向振動值小于1.0mm/s,葉片角度定位不良情況改善明顯。

2.4 更換變頻啟動裝置后振動分析

2號機組之前采用高壓固態軟啟動裝置啟動,機組轉動頻率不可調節。受上游來水量不確定的影響,密云水庫調蓄工程前六級泵站的輸水量變化較大,即使水泵采用葉片調節的運行方式,葉片機構調節角度范圍為-4°～+4°,而與之對應的流量調節范圍為5.7～8.2m3/s,雙機流量調節范圍為11.4～16.4m3/s,不能滿足8.2～11.4m3/s之間的流量調節區域要求,且機組在小角度運行時機組振動明顯,橋體和建筑物有明顯共振現象。機組運行切換頻繁、振動大等問題給設備安全運行帶來隱患。

2號機組安裝ACS580MV變頻調速器,頻率設定為35～50Hz,對應的流量調節范圍為4～8.2m3/s,拓寬了機組的工作范圍,減少了切換機組的頻次[9]。設備試運行中,變頻器運行良好,主機組各項工況數據良好。電機驅動端軸向振動最大值小于0.9mm/s,持續時間很短,并且只出現1次,其余時間軸向振動值均小于0.5mm/s,趨勢波動幅度很小,已經不足以引起橋體和建筑物較明顯的振動。機組各測點振動值均在良好區間,電機軸向振動速度值和對應橋面振動烈度較小(見圖9和圖10)。機組啟停過程中振動現象得到明顯抑制。

3 結論與展望

通過泵站在線監測系統和交通橋橋體、機組穩定性試驗數據分析可以得出以下結論:

a.2017年9月20日檢修前,2號機組電機推力軸承有磨損,泵葉片角度定位不良。因2號泵葉片松動導致機組軸向振動過大,是引起橋面豎向振動的關鍵因素之一。

圖9 橋體軸向振動頻譜圖

圖10 2號機組電機驅動端軸向振動頻譜圖(三)

b.2017年10月11日檢修后,2號泵葉片角度定位不良現象有所好轉,但并未徹底根除。

c.2017年11月15日2號機組更換內置式液壓葉片調節機構后,泵電機驅動端軸向振動值小于1.0mm/s,葉片角度定位不良情況改善明顯。

d.2018年6月15日2號機組安裝變頻調速器后,電機軸向振動速度值和對應橋面振動烈度較小,已經不足以引起橋體和建筑物較明顯的振動。

通過對振動和擺度數據的在線監測,可以及時地發現設備的潛在隱患,通過機組與橋體建筑物振動試驗,找到了橋體建筑物振動的根本原因。證明在線監測系統可以起到實時監測設備運行狀態,提供故障診斷依據的作用。今后要考慮增加更多參數的監測,找到精準的故障點,智能化分析故障原因,為設備高效率維修決策提供依據,減少非計劃停機,降低維護成本,推進智慧化泵站建設[10]。

振動分析結果以及多年來的運行情況表明,采用機組檢修、液壓式調節機構和變頻調節裝置等措施對泵站機組及建筑物的振動情況的緩解均有一定效果。設備故障率降低,通過多機組、多工況優化調度,保證了機組在較大工作范圍內的平穩運行,順利完成了歷年的調水任務。

泵站機組振動的改善還需要進一步的探索和研究,綜合考慮經濟、安全、效率等多方面因素尋求最優的解決方案。同時根據立式泵電機承重基礎特性,考慮采取一定加固措施改變該橫梁的固有頻率,以徹底消除建筑物共振。