600 MW機(jī)組凝泵變頻改造后振動(dòng)模態(tài)治理研究

王 婷，劉明軍，吳志強(qiáng)

(1.上海交通大學(xué)，上海 200240;2.浙江浙能北侖發(fā)電有限公司，浙江 寧波 315800;3.國電浙江北侖第一發(fā)電有限公司，浙江 寧波 315800)

隨著變頻技術(shù)的成熟，許多火電機(jī)組在技術(shù)改造中，將凝泵由原來的定速運(yùn)行泵，改造為變頻無級(jí)調(diào)節(jié)運(yùn)行泵，這樣可以降低泵的用電量，減少運(yùn)行中的節(jié)流損失，實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的[1]。例如某公司通過采用1臺(tái)變頻器控制一用一備的2臺(tái)水泵變頻技術(shù)，不僅節(jié)約50%以上的投資，還具有控制回路簡單、安全可靠性高、運(yùn)行維護(hù)方便的優(yōu)點(diǎn)[2]。華能威海電廠采用變頻技術(shù)獲得了非?？捎^的經(jīng)濟(jì)效益，負(fù)荷率越低，取得的經(jīng)濟(jì)效益越高[3]。變頻改造中應(yīng)注意的問題:(1)設(shè)備選型問題;(2)旁路設(shè)計(jì)問題;(3)變頻器散熱問題;(4)定期工作問題[4]。

某電廠3號(hào)機(jī)凝結(jié)水泵3A于2008年進(jìn)行了變頻改造，在改造后的變頻調(diào)試中，振動(dòng)隨其轉(zhuǎn)速有所變化，振動(dòng)明顯增加區(qū)域是850～900 r/min。考慮到這個(gè)轉(zhuǎn)速區(qū)間是凝泵變頻運(yùn)行的最常用的轉(zhuǎn)速范圍，在這種情況下長期運(yùn)行，會(huì)給凝泵帶來很大的危險(xiǎn)，因此要解決在該轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)振動(dòng)值過大的問題。引起水泵振動(dòng)的原因一般可分為:(1)機(jī)械原因引起的振動(dòng)[5]，一般為量不平衡和安裝質(zhì)量不平衡[6];(2)水力原因引起的振動(dòng)[7];(3)電磁力引起的振動(dòng)[8]。該發(fā)電廠立式多級(jí)凝結(jié)水泵組振動(dòng)問題通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地測(cè)量，分析得出引起凝結(jié)水泵振動(dòng)的具體原因:(1)二次灌漿存在缺陷;(2)泵支撐法蘭臺(tái)板剛度欠佳[9]。

1 振動(dòng)分析

該電廠變頻改造后振動(dòng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)北南向振動(dòng)明顯增大，最高的位移振動(dòng)峰峰值達(dá)到204 μm，轉(zhuǎn)速在900 r/min，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 2008年變頻改造后調(diào)試振動(dòng)數(shù)據(jù) (單位:μm)

由于轉(zhuǎn)速750～900 r/min是變頻運(yùn)行的主要區(qū)域，無法避開，因此850～900 r/min之間的過大振動(dòng)會(huì)給凝泵帶來很大的危害，必須解決。針對(duì)凝泵3A存在振動(dòng)問題，2010年檢修時(shí)對(duì)其進(jìn)行了解體檢修，發(fā)現(xiàn)下橡膠軸承磨損嚴(yán)重，其余部件情況良好，在更換該軸承后裝復(fù)，但調(diào)試情況仍然不是很理想，在轉(zhuǎn)速880 r/min時(shí)振動(dòng)位移峰值達(dá)到252 μm，具體數(shù)據(jù)如表2所示。

從表2的振動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出，該泵存在共振現(xiàn)象;泵轉(zhuǎn)動(dòng)部件振動(dòng)幅值不大，可安全運(yùn)行;從電機(jī)驅(qū)動(dòng)端筒體振動(dòng)數(shù)據(jù)看，存在兩個(gè)共振峰，第一共振峰轉(zhuǎn)速低于780 r/min，而第二共振峰轉(zhuǎn)速為880 r/min，在其余轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，泵體振動(dòng)趨于正常值且穩(wěn)定。

針對(duì)凝結(jié)水泵3A的振動(dòng)問題，現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)過檢修，基本排除了由泵體本身引起的振動(dòng)因素，但是轉(zhuǎn)子－軸承－基礎(chǔ)系統(tǒng)共振現(xiàn)象仍然存在，因此為了避免變頻器的工作頻率進(jìn)入凝泵固有頻率區(qū)域引起共振現(xiàn)象，擬采用改變筒體固有頻率來強(qiáng)化基座筒體剛度的方法以提高筒體的固有頻率而避開共振區(qū)[10]，以使泵在變頻運(yùn)行范圍內(nèi)能夠避開基座筒體的固有頻率，從而在工作轉(zhuǎn)速下能正常運(yùn)行。

表2 2010年凝泵3A大修后振動(dòng)數(shù)據(jù) (單位:μm)

2 模態(tài)計(jì)算分析

為了改變筒體本身固有頻率以避開變頻運(yùn)行范圍，電廠曾經(jīng)增加四根豎筋，但沒有任何變化，為了有的放矢的改造，使得改造效果更好，所以本次改造之前先進(jìn)行理論建模計(jì)算分析，然后選取效果較好且便于實(shí)施的方案進(jìn)行改造。

模態(tài)分析采用ANSYS軟件對(duì)基座桶體進(jìn)行建模，然后對(duì)基座筒體避開變頻運(yùn)行區(qū)域內(nèi)共振的加固措施進(jìn)行方案篩選，以指導(dǎo)改造實(shí)施，減少改造的盲目性。模態(tài)分析屬于動(dòng)力學(xué)問題，描述其系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)通用方程可以由式(1)表示

式中M——系統(tǒng)的質(zhì)量;

C——系統(tǒng)的阻尼;

K——系統(tǒng)的剛度矩陣;

Z——廣義坐標(biāo);

F——系統(tǒng)上的廣義外力。

在本系統(tǒng)分析中由于內(nèi)部的阻尼很小，又不存在廣義外力，因此C和F為零。

該凝結(jié)水泵屬于立式泵，是懸掛在一個(gè)筒式支座上，水泵本體對(duì)泵的筒式支座剛度沒有影響，但泵體的質(zhì)量對(duì)筒體的自振頻率是有影響的。因此在進(jìn)行泵的筒體模態(tài)分析時(shí)，考慮了水泵的質(zhì)量載荷對(duì)筒體的影響。凝泵支座筒體材質(zhì)為鋼，其物性參數(shù)為:密度 7 800 kg/m3，彈性模量2.11 ×1011Pa，泊松比為0.3;水泵的質(zhì)量為32 200 kg(圖紙?zhí)峁?;位移邊界條件:支座底部位移約束為零，其余為自由邊界。

通過對(duì)凝結(jié)水泵3A進(jìn)行簡化，得到的原始模型如圖1所示。對(duì)該模型采用ANSYS軟件的自由網(wǎng)格劃分，該模型具有節(jié)點(diǎn)數(shù)目263 903個(gè)，網(wǎng)格顯示如圖2所示。

圖1 原始模型

圖2 原始模型網(wǎng)格圖

通過對(duì)原始模型進(jìn)行模態(tài)分析后得到，南北向和東西向的固有頻率分別是14.8 Hz和14.31 Hz，如表3所示，對(duì)應(yīng)的臨界轉(zhuǎn)速為 888 r/min和858 r/min，和南北向?qū)崪y(cè)的臨界速880基本一致，誤差在1%以下，這說明所建的力學(xué)模型是正確的。

表3 原始模型一階固有頻率

3 凝泵治理改造過程

原始模型雖然增加了垂直的四條豎筋，但是筋板沒有全部緊固在上法蘭上，所以對(duì)于筒體的剛度影響很小(僅增加了一點(diǎn)質(zhì)量)。為了增加筒體的固有頻率，設(shè)計(jì)的思路是加強(qiáng)筒體垂直方向上的剛度，為此設(shè)計(jì)了19個(gè)方案，主要是分析筋板的厚度以及上法蘭對(duì)筋板壓緊的方法對(duì)模態(tài)的影響情況。

通過對(duì)不同方案的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)支撐筒體的剛度下降是由筒體上的開孔所致，因此在對(duì)筒體加強(qiáng)時(shí)特別關(guān)注對(duì)筒體上所開的圓孔和方孔進(jìn)行加固。在圓孔和方孔對(duì)應(yīng)兩邊加豎筋，以增加垂直剛度，上法蘭處加八只耳朵(上法蘭連接加強(qiáng)筋板的突出體)壓緊豎筋以達(dá)到加固的效果。最終選擇的加固方式如圖3的改造模型，該模型計(jì)算筒體固有頻率北南向是 18.55 Hz，對(duì)應(yīng)的北南向共振峰轉(zhuǎn)速為1 113 r/min，應(yīng)該能避開850 r/min到900 r/min的變頻運(yùn)行區(qū)域，因?yàn)檫@個(gè)轉(zhuǎn)速區(qū)間是凝泵變頻運(yùn)行的最常用的轉(zhuǎn)速范圍。

電廠按照該方案進(jìn)行了改造，改造后北南向的振動(dòng)頻率由原來的880 r/min提高到980 r/min，最高的位移振動(dòng)峰峰值為167 μm。改造后的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 改造后凝泵3A變頻試轉(zhuǎn)情況(單位:μm)

由計(jì)算值和測(cè)量值的對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，改造所用的模型其理論計(jì)算值北南向的共振峰轉(zhuǎn)速為1 113 r/min，但實(shí)測(cè)結(jié)果是980 r/min，為理論計(jì)算固有頻率的88.1%;這說明計(jì)算結(jié)果與實(shí)際改造后效果有一定的差距，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因是理論計(jì)算模型和實(shí)際改造之間存在一定的模型差異，因此實(shí)際凝泵支座筒體剛度增加量達(dá)不到理論計(jì)算值，導(dǎo)致實(shí)測(cè)的共振峰轉(zhuǎn)速小于理論計(jì)算值，這一結(jié)論和類比數(shù)據(jù)為以后計(jì)算結(jié)果與實(shí)際效果預(yù)測(cè)提供了參考。

從本次測(cè)試數(shù)據(jù)和頻譜分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn):(1)筒體南北向有兩個(gè)頻譜線，第一頻譜在轉(zhuǎn)速770 r/min左右，結(jié)合以前的測(cè)試數(shù)據(jù)，可以確定這個(gè)是電機(jī)和泵的軸系臨界轉(zhuǎn)速，它不隨筒體的固有頻率的改變而改變;而主要的譜線為共振峰轉(zhuǎn)速即筒體的固有頻率轉(zhuǎn)速980 r/min;(2)筒體在990 r/min(改造后筒體固有頻率)下運(yùn)行，其振動(dòng)峰峰值最大值在170 μm左右，比改造前筒體固有頻率880 r/min下的振動(dòng)幅值下降了35%左右。這說明振動(dòng)治理是有效果的;

通過加固措施，最終凝泵北南向的共振峰轉(zhuǎn)速移到了980 r/min，在850 r/min到900 r/min的變頻運(yùn)行轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)振動(dòng)明顯下降，可長期安全運(yùn)行。這樣解決了凝泵3A在850 r/min到900 r/min轉(zhuǎn)速下振動(dòng)過大的問題，基本達(dá)到目的要求。

4 結(jié)論

本文采用ANSYS模態(tài)分析作為理論指導(dǎo)，通過加固的辦法進(jìn)行調(diào)頻，充分提高筒體結(jié)構(gòu)剛度，保證變頻范圍的振動(dòng)尖峰不至于過大。通過結(jié)構(gòu)方面的優(yōu)化使凝泵能在變頻轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)安全工作，以達(dá)到預(yù)期的目的。同時(shí)也避免了現(xiàn)場(chǎng)加工的盲目性，節(jié)省了大量的人力和物力。

由于該廠的泵和電機(jī)以及基礎(chǔ)經(jīng)過檢修檢查認(rèn)為均合格，所以本文采取的是改變或避開共振區(qū)域的辦法，但是尋找共振原因還是需要在以后的凝泵檢修過程中予以關(guān)注。通過本文凝結(jié)水泵變頻改造后多個(gè)轉(zhuǎn)速下振動(dòng)超標(biāo)的治理，積累了經(jīng)驗(yàn)，為變頻改造后的機(jī)組振動(dòng)處理提供切實(shí)可行的辦法，可以為其它電廠的改造提供寶貴的借鑒。

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