抽水蓄能機組推力外循環(huán)系統(tǒng)異常振動故障分析及處理

馬運翔,彭 輝,吳建標,曹 揚,殷 翔

(江蘇方天電力技術有限公司，南京 211102)

0 前 言

抽水蓄能水輪發(fā)電機推力軸承的運行可靠性是水輪發(fā)電機組能否安全運行的關鍵之一，大型水輪發(fā)電機推力軸承潤滑油冷卻方式原則上分內、外循環(huán)2種。經驗表明，外加泵外循環(huán)系統(tǒng)比內循環(huán)系統(tǒng)散熱效果好，可靠性大[1-2]。推力潤滑系統(tǒng)是水輪發(fā)電機組安全運行的重要環(huán)節(jié)，它主要是為機組下導瓦及推力瓦提供潤滑油，對系統(tǒng)起到潤滑保護作用。軸承潤滑系統(tǒng)的故障會嚴重影響機組的安全穩(wěn)定運行[3-4]，往往會造成機組的事故停機，更甚者導致燒傷軸瓦和主軸，嚴重損害主機設備，造成企業(yè)的直接經濟損失，主設備損壞導致機組非計劃停機造成不良的社會影響[5]。

國信溧陽抽水蓄能電站裝機6臺抽水蓄能機組，機組為哈爾濱電機廠有限責任公司生產的立軸、單級混流水泵水輪機，機組型號為HLNA1094-LJ-474，水輪機工況額定出力為255 MW，水泵工況最大出力為269 MW[6]。機組推力外循環(huán)油泵是由瑞典IMO公司供應的三螺桿泵，型號為LPQ140N1IRYP，工作轉速1 495 r/min，最大差壓16 bar[7]。機組在調試期間推力外循環(huán)系統(tǒng)出現(xiàn)異常振動故障，潤滑油泵和管道振動大，并伴有撞擊聲，噪聲超標，油泵運行過程中管道出口手動閥手輪脫落，長期運行會造成油管斷裂，甚至機組斷油造成燒瓦，嚴重影響機組安全運行。

1 振動試驗過程

2017年3月24日，現(xiàn)場對油泵振動、管道振動和噪聲進行測試試驗?，F(xiàn)場在4號機組2號推力外循環(huán)油泵上布置傳感器進行振動測量試驗。試驗傳感器采用Bently公司的9200速度傳感器，分別在油泵軸向方向、水平方向和管道出口處布置3個測點，圖1給出了傳感器布置示意圖?，F(xiàn)場在油泵和主機轉軸上貼反光條，安裝激光測速探頭測量轉速，配備Bently 408數(shù)據(jù)采集儀及分析軟件。

圖1 傳感器布置示意圖

2017年3月24日14：00，2號推力外循環(huán)油泵正常啟動，機組處于停機熱備工況，油泵在額定轉速1 490 r/min下運行穩(wěn)定，振動較小。機組轉速由零升速至額定，油泵振動、管道振動不斷增大，并伴隨撞擊聲。機組升速到額定轉速300 r/min時軸向振動4.8 mm/s、水平振動7.4 mm/s、管道振動25.3 mm/s、噪聲也由91.3 dB增大到103.6 dB。機組升速過程中各測點振動變化趨勢如圖2所示。可以看出，油泵振動及管道振動隨著機組轉速升高而增大，機組轉速超過120 r/min后油泵和管道振動增大速度明顯增大。各測點振動數(shù)據(jù)如表1所示。

圖2 機組升速過程中各測點振動變化趨勢圖

機組停機后推力外循環(huán)油泵采用變頻啟動，油泵設定初始轉速為800 r/min，油泵油流量為260 m3/h，滿足設計要求。分別在主機停機和機組運行2個工況下以50 r/min為間隔逐漸提高油泵轉速至額定。2個工況下油泵變頻升速過程中各測點振動變化趨勢如圖3、4所示，試驗數(shù)據(jù)如表2所示?？梢钥闯鰴C組停機狀態(tài)下，隨著油泵轉速的升高油泵振動和管道振動增大，但增大幅度很??；機組運行狀態(tài)下，隨著油泵轉速的升高油泵振動和管道振動大幅增大，并且管道振動增大較大；管道振動在轉速1 200 r/min存在一個峰值，圖5給出了油泵在1 200 r/min轉速下管道振動頻譜圖，振動幅值中1倍頻分量很小，以8倍頻分量為主。

圖3機組停機工況下油泵升速過程中各測點振動變化趨勢圖

圖4 機組運行時油泵升速過程中各測點振動變化趨勢圖

圖5 油泵在轉速1 200 r/min下管道振動頻譜圖

工況軸向振動/(mm·s-1)水平振動/(mm·s-1)管道振動/(mm·s-1)噪聲/dB機組停機0.90.62.391.3機組運行4.87.425.3103.6

表2 油泵以額定頻率運行時振動和噪聲數(shù)據(jù)表

機組運行狀態(tài)下，油泵水平振動達7.4 mm/s，管道振動達25.3 mm/s，圖6、7給出了機組運行時油泵水平振動頻譜圖和油泵出口管道振動頻譜圖。由圖中可以看出，油泵在工頻運行時振動較大，管道振動幅值遠大于油泵振動，管道振動與油泵振動頻譜分布一致，頻譜分析圖譜表明振動成分中1倍頻分量較小，主要是以4X、8X和12X等倍頻分量為主，油泵和管道振動主要是由于泵內部流體力造成，且油泵出口管道剛度不足，振動幅值放大。

圖6 機組運行時油泵水平振動頻譜圖

圖7 機組運行時油泵出口管道振動頻譜圖

2 振動故障原因分析與處理

通過數(shù)據(jù)分析表明造成油泵振動大故障的主要激振力是流體力，可能原因有汽蝕和系統(tǒng)進入空氣。

當液體在泵內流動時，若局部壓力低于一定值，則在液體內的雜質、微小固體顆?；蛞后w界面的縫隙中存在的氣核會迅速生長為人眼可見的空泡?？张蓦S液流到達高壓區(qū)后，受到周圍液體壓力的壓縮，并經過反彈，直到最后完全潰滅，這一過程稱為汽蝕[8]。為了避免螺桿泵汽蝕現(xiàn)象的發(fā)生，泵的安裝應在距離油箱液面一定高度范圍之內，否則當泵安裝過高時極易造成泵的汽蝕，并導致泵及管路系統(tǒng)的振動和噪聲[8-10]。溧陽電站推力外循環(huán)油泵現(xiàn)場安裝設計留有足夠的汽蝕余量，因此由汽蝕原因造成的振動故障可以排除。

潤滑油系統(tǒng)內進入空氣。機組運行時，推力頭及鏡板在油中旋轉，攪起泡沫，導致油內挾附的氣體較多，油泵運行時，油泵吸油腔內產生一定負壓。隨著壓力的降低，油中的空氣被釋放并作為微氣泡出現(xiàn)，當油流通過運行中的螺桿泵的螺桿嚙合區(qū)進入油泵壓油腔時，這些微氣泡突然暴露于較高的壓力中，受到周圍液體的壓縮，其中一些迅速潰滅，此時，產生極大的壓強。當這個過程發(fā)生在固體邊界附近時，邊界面就受到強烈的沖擊作用，產生振動和噪聲[11-12]。

公式[13-14]：

A=F/K

式中：A為振動幅值；F為激振力；K為剛度。

由以上公式可知，在相同作用力下振動幅值與剛度成反比，與激振力的大小成正比。在相同工況下，機組油泵管道振動與油泵振動頻譜一致，油泵管道振動遠大于油泵本身振動是由于管道剛度不足，可以通過增大剛度和減小激振力方法減小管道振動[15]。油泵在800 r/min轉速下變頻運行，降低了激振力，油泵和管道振動降低，保證了油泵的安全運行。油泵在800 r/min轉速下油泵油流量為260 m3/h，能夠滿足機組運行設計要求，為了保證機組安全，機組正常運行狀態(tài)下推力外循環(huán)油泵運行轉速設置為900 r/min。表3給出了機組推力外循環(huán)油泵改造前后下導瓦和推力瓦瓦溫穩(wěn)定試驗數(shù)據(jù)對比，由表3可以看出油泵變頻改造前后機組正常運行時下導瓦和推力瓦瓦溫穩(wěn)定值基本不變，油泵變頻能保證機組安全穩(wěn)定運行。

表3給出了機組推力外循環(huán)油泵改造前后下導瓦和推力瓦瓦溫穩(wěn)定試驗數(shù)據(jù)對比，由表3可以看出機組變頻運行工況下下導瓦和推力瓦瓦溫穩(wěn)定后基本不變，油泵變頻能保證機組安全穩(wěn)定運行。

表3 機組瓦溫數(shù)據(jù)表

機組推力外循環(huán)油泵進行變頻改造后不僅解決了油泵及管道振動大、噪聲大的問題，油泵在變頻運行下能耗大大降低，油泵功率由原來的120 kW降低至35 kW。

每臺機組按年運行 6 000 h計算，年總節(jié)電數(shù)為:

(120-35)×6000= 510 000 kWh

按0.36元/kWh 計算，年總效益折合人民幣: 510 000×0.36=18.36 萬元

節(jié)能收益明顯 。

3 結 語

溧陽抽水蓄能電站推力外循環(huán)油泵及管道振動大、噪聲大根本原因是機組運行過程中潤滑油使油系統(tǒng)帶入空氣，油泵出口管道支撐剛度不足是油泵管道振動大的又一個主要原因。

對推力外循環(huán)油泵進行變頻改造，減少了氣體吸入量并降低油泵出口壓力，降低了激振力，有效降低了油泵及管道振動。

改造后提高了推力外循環(huán)油泵系統(tǒng)的可靠性，保障了機組的安全穩(wěn)定運行，同時降低了油泵能耗，提高了經濟效益。