電廠閉式循環(huán)冷卻水泵振動原因分析及解決措施

鄧成剛，汪 成，何鎮(zhèn)威

(中國能源建設集團廣東省電力設計研究有限公司，廣東 廣州 510663)

電廠閉式循環(huán)冷卻水泵振動原因分析及解決措施

鄧成剛，汪 成，何鎮(zhèn)威

(中國能源建設集團廣東省電力設計研究有限公司，廣東 廣州 510663)

振動位移是水泵的振動評價重要指標，其值滿足規(guī)范相應的規(guī)定是設備移交的必備條件之一。通過某電廠項目的閉式循環(huán)冷卻水泵振動的解決過程進行總結，分析了可能引起水泵振動原因并提出解決措施，最后得出泵進口壓力高是引起泵振動主要原因，同時也取到了一些經(jīng)驗教訓，為解決類似水泵振動問題提供參考。

水泵；振動；閉式循環(huán)。

1 概述

某300 MW級亞臨界循環(huán)硫化床電廠，位于廣東省西部湛江市東海島，總體規(guī)劃裝機容量為4×350 MW(摻燒煤氣燃煤機組)+ 2×160 MW CCPP機組。一期建設2×350 MW(摻燒煤氣燃煤機組)，已分別于2015年6月9日、8月27日投產(chǎn)。

調試及試運行其間，1號機組汽機房閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中的閉式循環(huán)冷卻水泵B泵(即主廠房擴建端側)的振動位移值一直偏大，不能滿足國家標準GB/T 5657《離心泵技術條件(III類)》的要求：位移值不大于80 μm。

閉式循環(huán)冷卻水泵的主要參數(shù)見表1，閉式循環(huán)冷卻水泵布置圖見圖1。泵入口管道架空布置，經(jīng)三通分支后，下降到地面上直至泵入口濾網(wǎng)，濾網(wǎng)出口管加異徑管后直接接到泵入口法蘭上，泵出口管道在布置止回閥、閘閥后接入地下埋管。

2 泵振動超標原因分析

導致水泵產(chǎn)生振動的原因較多，相關文獻也多，相關數(shù)據(jù)表明，內(nèi)部原因為引起振動的主要原因，占到泵振動故障的70%，結合本工程特點，引起閉式循環(huán)冷卻水泵的原因概括為四個方面：安裝原因、運行控制原因、布置設計原因、設備原因。

表1 閉式循環(huán)冷卻水泵的主要參數(shù)

圖1 閉式循環(huán)冷卻水泵總布置圖

2.1 安裝原因

因安裝原因引起的泵振動，主要體現(xiàn)如下：

(1)電機與泵對中超差

電動機通過聯(lián)軸器實現(xiàn)動力傳遞給泵，裝配時電機和泵的同軸度有嚴格的調整精度要求。如果泵組在運行狀態(tài)下，同軸度超差會破壞聯(lián)軸器工作的平衡狀態(tài)，為補償這種偏差，聯(lián)軸器的撓性原件便會產(chǎn)生交變的協(xié)調變形，從而產(chǎn)生交變的協(xié)調內(nèi)力，此力作用在泵和電機上，便引起泵組振動。

(2)基礎偏心

指泵組主要部件如泵體、電機放在不同基礎上，由于沉降等原因使基礎偏移，引起電機與泵對中超差等使泵振動超標，本工程是一體化基礎，故此原因不存在。

(3)泵基礎松動

水泵基礎松動、重量太輕、地腳螺栓固定不牢，或者水泵機組在安裝過程中形成彈性基礎，或者由于油浸水泡造成基礎剛度減弱，水泵就會產(chǎn)生與振動相位差180°的另一個臨界轉速，從而使水泵振動頻率增加，如果增加的頻率與某一外在因素頻率接近或相等，就會使水泵的振動增大。

(4)聯(lián)軸器故障或松動，或不同心

聯(lián)軸器起到把水泵軸與原動機軸聯(lián)接起來一同旋轉并傳遞扭矩的作用，當聯(lián)軸器現(xiàn)現(xiàn)如下現(xiàn)象：連接螺栓的周向間距不良，對稱性被破壞；聯(lián)軸器加長節(jié)偏心，將會產(chǎn)生偏心力；聯(lián)軸器錐面度超差；聯(lián)軸器靜平衡或動平衡不好；彈性銷和聯(lián)軸器的配合過緊，使彈性柱銷失去彈性調節(jié)功能，造成聯(lián)軸器不能很好地對中；聯(lián)軸器與軸的配合間隙太大；聯(lián)軸器膠圈的機械磨損導致的聯(lián)軸器膠圈配合性能下降；聯(lián)軸器上使用的傳動螺栓質量互相不等。這些原因都會造成聯(lián)軸器不同心，引起水泵的振動。

(5)進出口管線與泵中心偏差大，存在較大預應力

泵的殼體受外力作用或其他因素的影響發(fā)生變形，造成轉子與殼體不同心。通常在試車時就表現(xiàn)出泵振動大，泵的水平振動明顯大于垂直和軸向振動，且呈周期性波動。

(6)進出口管道及設備的安裝不符合設計要求

泵的出口管道支架剛度不夠，變形太大，造成管道下壓在泵體上，使得泵體和電機的對中性破壞；管道在安裝過程中使勁太大，進出口管路與泵連接時內(nèi)應力大；進、出口管線支吊架安裝與設計不符，出現(xiàn)松動，使約束剛度下降甚至失效。這些原因都會直接或者間接地導致泵和管路的振動。

2.2 運行控制原因

因運行控制原因引起的泵振動原因有如下現(xiàn)象：

(1)泵進出口管道存在空氣

若在運行中，進口管道高處放氣管沒開，或管系充水時空氣沒排干凈，在此處會積存空氣。當泵運行時，此空氣團受到介質壓力及流速沖擊的作用而壓縮，當介質壓力和流速變化時，空氣團就會出現(xiàn)或大或小情況，從而使管道內(nèi)流速產(chǎn)生變化，引起水擊現(xiàn)象，當變化較大時，就會引起泵汽蝕而產(chǎn)生振動。通常管道內(nèi)積存空氣會在水流運行過程中被水慢慢帶走，使這種振動逐步減輕。但如果經(jīng)過一段較長的時間仍沒消除，則必須在積存空氣位置設置放氣閥排出空氣。

(2)泵進口壓力過低

當進口管道內(nèi)有雜物堵塞、入口濾網(wǎng)實際阻力超過允許值等時，就有可能使泵進口壓力小于或等于介質的飽和壓力，即泵進口壓力低于泵有效汽蝕余量，造成泵內(nèi)介質汽化，而產(chǎn)生汽蝕。當泵產(chǎn)生汽蝕現(xiàn)象時，可聽到泵內(nèi)有噼噼啪啪的響聲，泵體尤其是進口處振大，出口壓力表指針變動大。

(3)進出口閥門的閥板掉落

當泵前后閥門如關斷閥、止回閥等的閥板掉落，將使管道的通流能力受到很大影響，在掉落處，就會形成節(jié)流，可能使泵入口壓力過低或泵流量過小，從而引起泵汽蝕或泵偏離額定工況太多而振動。當然，此種情況一般幾乎不會出現(xiàn)，只有在閥門的閥板與絲桿自行脫落才可能將閥門關閉。

(4)運行流量嚴重超出額定流量

每臺離心泵有一個最佳工作范圍，泵的振動在最佳工作范圍內(nèi)最小，并隨流量增大或減小而增加。當運行控制出現(xiàn)異常如泵入口電動閥誤關或關小、出口流量調整過低等時，泵的流量將偏離額定太多，引起泵振動增大。

(5)潤滑效果差，溫度超標

當泵軸承的潤滑油變質、雜質含量超標等而導致的潤滑故障，就會造成軸承工況惡化，引發(fā)振動。本工程由于是泵調試運行就存在振動，且運行過程中，嚴格控制軸承的溫度，故此原因可排除。

2.3 設計布置原因

設計時可能有些要求沒有達到設備的規(guī)定，引起泵的振動，主要表現(xiàn)在：

(1)泵入口壓力過低，使泵易產(chǎn)生汽蝕

設計時，如泵吸入液面過高、泵進口管道系統(tǒng)阻力過高等，將使泵入口壓力降低，達到一定值時，泵進口水便會發(fā)生氣化，形成氣泡。氣泡向前流動，進入高壓區(qū)后會迅速縮小并潰滅，周圍液體質點將高速填充空穴，發(fā)生強烈水力沖擊，產(chǎn)生振動和噪聲。

(1)管道布置過柔，與泵產(chǎn)生共振

水泵本身會有一定的振動，如果管線和泵體沒有固定好，這些微振會通過流體的流動由泵傳遞給管線，在管路系統(tǒng)剛度不夠的情況下，會發(fā)生一種結構共振，使泵振動增大。

(3)進出口管道布置不合理，使入口流量不均

設備運行中，離心泵偏離額定工況點后，泵內(nèi)水力流態(tài)異常，造成水力波動增大，從而會導致水泵振動超標。

(4)基礎設計剛性過小，與泵產(chǎn)生共振

離心泵的基礎底座及錨固件通常澆筑在混凝土中。設備本身及外圍設備運行時，各種振動通過基座相互影響，情況非常復雜。在某些情況下，可能導致基礎松動，造成設備振動加劇，甚至引發(fā)共振。

2.4 設備原因

因泵結構型式多樣，配置不一，引起的原因也復雜多變。根據(jù)臥式雙吸離心泵型式，分析其本身的質量問題引起的水泵振動超標的主要原因有：

(1)轉子動不平衡

當轉子的質心偏離圓轉軸線時，便會產(chǎn)生偏心質量。高速轉動下的轉子便會產(chǎn)生方向周期變化的離心力，該力作用在支撐軸承上，便誘發(fā)了軸承部位的振動。主要現(xiàn)象有：轉子存有較重的不平衡量；葉輪和軸的配合間隙大；泵軸彎曲變形；葉輪磨損、斷裂或被異物堵塞，造成不平衡量增大。

(2)軸承損壞、磨損或松動

軸承為支承轉動部分的重量和承受在運行中軸向力和徑向力的部件，如果損壞或其本身有質量問題，那么在運行中就會引起水泵振動，并伴隨有發(fā)熱現(xiàn)象并出現(xiàn)異常響聲。水泵正常運行的滑動或滾動軸承溫度如果超出額定溫度，軸承內(nèi)部可能就會出現(xiàn)磨損，此時應更換新軸承，以防水泵振動。

(3)葉輪腐蝕

葉輪流道如果受到?jīng)_刷腐蝕，就會導致葉輪產(chǎn)生偏心，將會加劇泵的振動。

(4)平衡裝置失效

平衡盤裝置是用來平衡泵葉輪運行時產(chǎn)生的軸向力，如果平衡盤裝置出現(xiàn)問題將會導致泵出現(xiàn)效率下降、振動、超電流、出力不足等問題。

(5)軸瓦間隙過大

對于滑動軸承，如果軸瓦頂部間隙過小或瓦蓋緊力過大，都會造成軸與上瓦的部分接觸，接觸點的摩擦力作用于轉子旋轉的相反方向上，迫使轉子激烈地振動旋轉。這種振動是一種自激振動，與轉速無關。如果軸瓦兩側間隙不合適，則無法形成工作油囊，造成干摩擦，也會引起自激振動。

(6)泵吸入壓力過高

有研究表明，在較高吸入壓力的情況下，泵的振動值有上升的現(xiàn)象。產(chǎn)生這些現(xiàn)象的原因，可能是因為泵在不同吸入壓力的作用下，其內(nèi)部結構零件的剛度在發(fā)生相應的變化，相對運動零件間的間隙也有所改變，從而導致機組固有頻率的變化。吸入壓力增高時，泵組的固有頻率降低，從而更接近現(xiàn)有頻率，使振動和噪聲值增高。

(7)電機原因

電機設備引起的振動主要如下：

①電機零部件損壞、磨損或松動。如結構件松動、軸承定位裝置松動、鐵芯硅鋼片過松、軸承磨損等引起振動；

②轉子質量存在偏差。質量偏心，轉子彎曲或質量分布問題導致的轉子質量分布不均，造成靜、動平衡量超標而引起泵振動。

③電機轉子與定子繞組中心線重合度超差。由于電機轉子與定子繞組中心不對應，因而導致產(chǎn)生的磁場不均勻，產(chǎn)生了不平衡的電磁力，這種電磁力成為激振力引發(fā)振動。

3 解決措施

結合泵組實際情況，對照上述原因分析一一對比，采取措施按先易后難的原則，前后經(jīng)歷幾次改進措施，直致最后消除泵振動，對主要過程及采取的措施進行介紹如下。

3.1 首次原因分析及解決措施

綜合安裝、設計、運行及制造廠商意見，首次會議分析得如下結論：①電機安裝前，經(jīng)過空轉，經(jīng)測試后其振動值比較小，較好的滿足要求，初步排除電機設備本身原因。②水泵已在廠里面經(jīng)過動平衡試驗，并進行了振動試驗并符合要求，且此泵為廠商常用型號，已生產(chǎn)了超過1000臺，故排除泵本身原因；③根據(jù)進口壓力及溫度，排除了泵汽蝕、閥門斷裂、濾網(wǎng)堵塞等運行控制原因；④由于管道布置設計已經(jīng)過同類工程應用，且后進行了加固處理，也基本排除管道布置設計原因。

最后分析其存在原因可能是：①電機與泵對中不符合要求；②管道與泵接口位置存在較大偏差，法蘭固定后可能存在使泵偏離；③管道振動傳遞泵。為此提出的解決措施是重新對電機、泵、進出口管道對中，使其安裝后滿足要求；④進出口管道加裝膨脹節(jié)，在進口管道入口加裝剛性支架，出口止回閥下方加裝剛性支架。

上述措施實施后，開泵測得的振動值見表2。

表2 泵測試數(shù)據(jù)

結果表明，其振動值比之前大，說明沒有找到振動基本原因。為此，懷疑是泵的問題，隨后要求泵制造廠更換泵。廠商為此更換了兩次，但仍然沒多少改善。后懷疑是泵及管道與基礎共振引起的，但在中科院測試后，排除了共振原因。

3.2 第二次原因分析及解決措施

為徹底解決閉式循環(huán)冷卻水泵振動事宜，2015年1月由設計院主持，邀請中科院、安裝單位、監(jiān)理、泵廠及有關泵專家，召開第二次會議。在之前，泵廠同意了第三次換泵，為防止再次更換泵，廠家要求設計院進行了現(xiàn)場見證出廠前的廠內(nèi)試驗，泵在額定流量下，測得的泵振動值見表3，其值符合要求。但相比現(xiàn)場條件，實驗時有如下幾個不一致：①基礎條件跟現(xiàn)場條件相差大。②泵進口壓力是真空，約為－1 mH2O，而實際是高正壓，大于35 mH2O。③實驗時泵殼有抽真空。

表3 泵測試數(shù)據(jù)

專家就引起振動原因再一次進行了充分排查，排除了基礎設計、管道布置、泵及電機本身及設備安裝等問題，判斷可能的原因及其解決措施是：①泵進口管道存在高位點積氣，故需實測管道的水平度，檢查落實放氣點設置是否與設計相符，否則仍按設計要求加裝放氣點；②設備基礎固定時的剛度不夠，建議將設備底座的槽鋼加大、地腳螺栓加強或在縱向增焊幾根底座槽鋼、二次灌漿到泵底部(即泵底座也需灌漿)等方法將基礎補強；③振動消除后，建議取消泵進出口的膨脹節(jié)，以利減小振動。

在完成換泵及上述解決措施后，其泵振動值測得見表4，由表可見泵的振動值超標更嚴重。另外，通過測試泵的基礎振動位移最大值為10 μm，因此得出基礎也不是引起泵振動的主要原因的結論。

表4 泵測試數(shù)據(jù)

3.3 第三次原因分析及解決措施

就此問題第三次分析，就之前的原因重新排查，但也無法得到具體原因從而給出行之有效的解決措施，最后綜合制造廠及設計意見，給出如下解決辦法：①更換入口管道，由濾網(wǎng)出口至泵進口之間管道采用與泵進口規(guī)格一致的直管；②更換泵，采用另一個廠生產(chǎn)的產(chǎn)品。

按解決辦法①實施后，測得其改造前后的對比振動值見表5，由表中可知：入口管道改小后，入口流速增加到6.7 m/s，泵振動在軸向及垂直向的振動加大，泵徑向(即泵進出口管道相接方向)振動減小，總體說明對泵振動反而更不利。

表5 泵測試數(shù)據(jù)

最后，采用另一廠商的泵后，泵的底座也有相應更改，其它不變的情況下，測得的振動值見表6，由表中可知所有的振動值都符合要求。由此可分析得到是泵內(nèi)部問題，其原因估計是泵進口壓力過高所致，與2.4節(jié)7)原因分析相同。

表6 泵測試數(shù)據(jù)

4 總結

更換水泵后，在相同測試條件下進行振動測試，測試結果完全滿足振動位移≤80 μm的要求，水泵運行完全正常，振動和噪聲達標，目前該水泵運行正常穩(wěn)定。

通過此電廠工程的閉式循環(huán)冷卻水泵振動超標的解決過程進行總結，得到以下經(jīng)驗教訓可供借鑒。

(1)通過更換水泵進口管道，入口流速高達6.7 m/s，超過GB50764《電廠動力管道設計規(guī)范》要求的流速0.5～1.5 m/s較多，經(jīng)過測試泵的振動位移增大，說明入口管道流速過高對泵振動會產(chǎn)生較大不利影響。

(2)通過測試數(shù)據(jù)分析，在換泵前后及泵進出口處加裝膨脹節(jié)前后，泵的振動位移都大于管線振幅，且加裝膨脹節(jié)后，泵的振動位移更大，因此明確泵主體振動超標是引起管線振動過大的主要原因。在以后的碰到類似問題，建議在泵設備本體方面查找。

(3)泵出廠前性能試驗及振動測試，能排除泵自身如轉子不平衡、零部件松動、軸彎曲等方面的而引起泵振動的原因，但不能排除因工作條件與試驗不符如泵吸入壓力過高等原因。且通過更換同類泵的測試數(shù)據(jù)分析表明，換泵不能消除泵不適應工作條件而引起的振動。為此，應找到有泵振動綜合測試的單位進行重點分析，以找出主要原因，提出針對性的解決措施。

(4)通過振動數(shù)據(jù)測試表明，泵基礎及二次灌漿影響泵振動很小，與泵及管系共振機率很低。

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Analysis of Vibration Causes of Closed-cycle Cooling Water Pump Unit in Power Plant and Its Solution

DENG Cheng-gang, WANG Cheng, HE Zhen-wei
(Guangdong Electric Power Design Institute of China Energy Engineering Group, Guangzhou 510663, China)

Vibration displacement is an important evaluation index for pumps, it must meet the requirements from corresponding standards before putting into use. In this paper, the solutions or processes for closed-cycle water pump vibration causes from a power plant were summarized. Some causes were considered and treated. Finally, it was the high input water pressure that caused the pump vibration problems. The solutions used in this paper can provide good referece for similar pump vibration problems in power plants.

water pump; vibration; closed cycle.

TM621

B

1671-9913(2017)02-0019-06

2015-09-23

鄧成剛(1974- )，男，廣東韶關人，高級工程師，長期從事發(fā)電廠熱機專業(yè)設計及研究工作。