閉式冷卻水泵及出口管道的振動分析與改進

崔 超，鄒 兵，高英偉

(華能營口熱電有限責任公司，遼寧 營口 115000)

0 概 述

某2×330 MW機組的汽輪機為亞臨界、一次中間再熱、單軸、兩缸、兩排汽、單抽供熱式汽輪機。2臺機組于2009年12月投產(chǎn)。1號、2號機組的閉式循環(huán)水系統(tǒng)，分別設(shè)有單級雙吸水平中開蝸殼式離心泵。閉式水系統(tǒng)的供水主要由位于機組20 m高度的閉冷水箱提供，水源為除鹽水及凝結(jié)水，可為發(fā)電機、汽輪機及鍋爐輔助設(shè)備提供冷卻水。閉式水系統(tǒng)的冷卻水采用開式水源。冷卻系統(tǒng)內(nèi)設(shè)有2臺板式換熱器，正常運行時，1運1備。單臺板式換熱器的傳熱面積，為448.24 m2。

1 設(shè)備運行參數(shù)

振動是機械設(shè)備運行中較為常見的問題[1]，不僅影響機械設(shè)備的穩(wěn)定運行，還會產(chǎn)生很大的噪聲。2號機組的A、B閉式水泵的泵體及出口管道，一直存在振動及噪聲大等問題。經(jīng)測量，振動的振幅值仍在正常范圍內(nèi)，約為0.048 mm，符合離心泵技術(shù)條件(Ⅲ類)的要求[2]，但與1號機組閉式水泵的振幅相比，2號機水泵的振幅較大。閉式冷卻水泵的主要參數(shù)，如表1所示。電動機的主要參數(shù)，如表2所示。2機組A閉式冷卻水泵的布置，如圖1所示。

表1 閉式冷卻水泵主要參數(shù)

表2電機主要參數(shù)

項目主要參數(shù)轉(zhuǎn)速/(r·min-1)1479額定電流/A30.3額定功率/kW250額定電壓/V6000功率因數(shù)0.86絕緣等級F冷卻方式風冷

圖1 2號機組A閉式冷卻水泵的布置

現(xiàn)結(jié)合2號機組實際運行的特點，從系統(tǒng)布置、設(shè)備及運行控制等方面，分析閉式冷卻水泵及其出口管道振動異常的原因。

2 水泵及管道的振動原因

2.1 設(shè)備安裝的原因

設(shè)備安裝的不完善，可能是引起閉冷泵及管道振動的主要原因。

(1)發(fā)現(xiàn)設(shè)備基礎(chǔ)松動

水泵、電機及管道的重量較大、地腳螺栓固定不牢固、土建地基的基礎(chǔ)松動、墊鐵破損、管道固定支架不牢固，或地基被油水浸泡后，均會引起水泵振動，若振動時的相位差為180°，且轉(zhuǎn)速恰為某振動的臨界轉(zhuǎn)速[3,4]，從而使振動頻率增加，水泵和管道的振幅也將增大。在處理振動前，應(yīng)考慮多種因素并進行綜合治理，適當加固地基基礎(chǔ)，重新緊固地腳螺栓，更換損壞的墊鐵，以減少不必要的損失。

(2)聯(lián)軸器松動或故障

電動機軸與水泵軸由聯(lián)軸器進行聯(lián)接。當聯(lián)軸器的膠圈因機械磨損后，將影響聯(lián)軸器旋轉(zhuǎn)時的穩(wěn)定性。若聯(lián)軸器動、靜平衡較差，或聯(lián)軸器與軸的配合間隙不均勻，均會引起水泵振動。

(3)管道布置松動

正常運行時，閉式水泵也將產(chǎn)生一定的振動，如果連接的管道未被牢固固定，則兩者物體的振動將互相傳遞，發(fā)生結(jié)構(gòu)共振，將增大兩者振動的振幅。

(4)管道設(shè)計與安裝不合理

當離心泵偏離了額定工況，水泵的內(nèi)壓力和流量將產(chǎn)生異常，引起流量的波動。若連接管道支架的剛度不夠，或變形較大，則管道重量將下壓在泵體上，造成泵體中心和電機中心線的位置差。若因管線支架安裝與設(shè)計要求不符，引起支架剛度的約束力下降甚至失效，或者安裝的作用力太大，管道與泵體連接后的內(nèi)應(yīng)力變大，均會直接或間接地導致水泵和管道產(chǎn)生振動。

2.2 設(shè)備原因

由于雙吸離心泵的內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，引起水泵振幅增大，主要有多個方面的原因。

(1)轉(zhuǎn)子不平衡

當轉(zhuǎn)子的運動中心偏離軸線時，便會產(chǎn)生偏心質(zhì)量。高速轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)子會產(chǎn)生方向不斷變化的離心力，該離心力作用在軸承上，便會導致水泵軸承部位的不規(guī)則振動[5]。

(2)軸承磨損或松動

軸承支撐著機械轉(zhuǎn)動部分的重量，是承受運行設(shè)備軸向力和徑向力的關(guān)鍵部件。如果軸承損壞或有質(zhì)量問題，都將引起水泵振動，并伴隨有發(fā)熱現(xiàn)象和異常響聲。運行時，如果軸承溫度的超過了額定溫度，應(yīng)及時更換新軸承，以防止水泵振動。

(3)葉輪腐蝕

葉輪在運行中長期受到水流沖刷，導致葉輪磨損并產(chǎn)生偏心，將加劇泵體的振動。水泵運行時，尤其在啟、停過程中，要合理調(diào)整水泵的運行工況，及時監(jiān)測水泵振動值，應(yīng)避免在不穩(wěn)定工況下運行。

(4)平衡裝置失效

平衡裝置可平衡葉輪運行時產(chǎn)生的軸向作用力，如果平衡裝置出現(xiàn)問題，水泵的運行效率將下降，出現(xiàn)振動加劇及電流增大等現(xiàn)象。

(5)電機問題

若存在電機結(jié)構(gòu)件松動、軸承定位裝置松動、轉(zhuǎn)子質(zhì)量存在偏差、轉(zhuǎn)子彎曲等問題，均將間接地引起水泵振動。

當電機定子與轉(zhuǎn)子繞組中心線的重合度偏差較大時，將產(chǎn)生不均勻磁場，進而產(chǎn)生不平衡的電磁力，這種電磁力是引起振動的電氣原因[6]。

2.3 運行控制中的原因

若在運行控制中存在問題，也將引起的水泵及管道振動。

(1)水泵泵體及管道內(nèi)存有空氣

大數(shù)據(jù)背景下，民航服務(wù)在迎來全新發(fā)展機遇的同時，也遇到了相應(yīng)的挑戰(zhàn)。比如在服務(wù)內(nèi)容方面。民航服務(wù)人員通常將自身服務(wù)內(nèi)容局限在安全、禮貌及微笑等層面上，將服務(wù)范圍限制在服務(wù)過程上。但在當前大數(shù)據(jù)時代中，面對移動智能網(wǎng)絡(luò)及設(shè)備，旅客的需求有了明顯的轉(zhuǎn)變，航班信息服務(wù)是當代民航服務(wù)的核心內(nèi)容。旅客需要運用大數(shù)據(jù)移動網(wǎng)絡(luò)來提前了解航班所有的服務(wù)信息，從旅行開始到結(jié)束的相關(guān)服務(wù)內(nèi)容。這些要求，完全顛覆了民航服務(wù)以往的服務(wù)認知，需要民航服務(wù)充分利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，為旅客提供更加全面的信息服務(wù)。

在水泵泵體及管道中，必然有空氣存在?？諝庠谒脡毫八盟鞯臎_擊作用下被壓縮，當水泵壓力和流速變化時，空氣體積就會出現(xiàn)變化，進而使管道內(nèi)水流流速發(fā)生變化，發(fā)生水擊現(xiàn)象。當空氣體積變化較大時，就會引起水泵汽蝕，并產(chǎn)生劇烈的振動。

(2)水泵發(fā)生汽蝕

當水泵進口管道被異物堵塞，有可能使泵的進口壓力小于或等于水的飽和壓力，造成泵內(nèi)水發(fā)生汽化，進而產(chǎn)生汽蝕，引起泵體和進口管道處的振動較為強烈。

(3)運行流量超出額定流量

當離心泵工作在最佳工作范圍內(nèi)，泵體的振幅值最小。當運行中的控制出現(xiàn)問題，造成水泵進口電動門誤關(guān)、出口流量調(diào)整過低，水泵流量偏離額定值太多，必將引起水泵振動的增大。

(4)油質(zhì)差且油溫高

(5)系統(tǒng)管路

在閉式水系統(tǒng)中，由于用戶較多和管線較長，在途徑各個用戶時，水溫將發(fā)生溫降，另外，各個用戶對閉式水溫度的需求不一致，導致回水的溫差較大，回水被匯集到回水管道，因水溫不同，必將引起管道振動。所以，應(yīng)對整個閉式水系統(tǒng)，尤其應(yīng)對汽機廠房0m附近的閉式水用戶的供回水管道，逐一檢查管道的固定狀況。

3 改進措施

結(jié)合電廠機組的運行情況，分析了引起振動的各項因素。在2號機組停機檢修期間，對閉式水泵及其整個系統(tǒng)進行了改進。

3.1 改進措施

(1)在2號機組投產(chǎn)前，已對電機進行過多次空載試驗和帶載調(diào)試，振動值均滿足國家標準。在檢修期間，結(jié)合電機生產(chǎn)廠家的意見，對電機定子、轉(zhuǎn)子及內(nèi)部繞組進行檢測，沒有發(fā)生接線松動現(xiàn)象，繞組絕緣值和耐壓試驗也均符合要求。

對水泵解體檢查，水泵葉輪內(nèi)部無裂紋，僅有輕微磨損(不影響運行)，但為保證長期穩(wěn)定運行，還是更換了葉輪。

對地腳螺栓和設(shè)備基礎(chǔ)進行了加固處理，加固了管道支撐及懸梁。1號機組與2號機組的設(shè)計與系統(tǒng)布置相同，均通過了設(shè)計驗收，排除了管道設(shè)計方案上的問題。

(2)A、B閉式冷卻水泵的出口壓力值，如圖2所示。經(jīng)現(xiàn)場觀察，水泵出口壓力表的指針沒有擺動現(xiàn)象。電機運行的電流數(shù)值穩(wěn)定，可排除水泵發(fā)生汽蝕現(xiàn)象。

A泵出口壓力 B泵出口壓力

圖2 A、B閉式冷卻水泵出口壓力表

(3)在運行及啟停過程中，及時排除泵體處、濾網(wǎng)處、出進口管道處和管道高點處的空氣。時刻注意水泵進、出口門的狀態(tài)，防止誤操作將其關(guān)閉或電氣故障關(guān)門。日常巡檢時，使用測溫槍對泵體軸承、電機軸承分別進行測溫，實地監(jiān)測軸承的運行溫度。

A閉式冷卻水泵空氣門及過濾器空氣門，如圖3所示?？諝忾T的開關(guān)操作較為方便，當空氣門見水后，即可將空氣門關(guān)閉。

過濾器空氣門 泵體空氣門

圖3 過濾器及泵體空氣門

3.2 改進后效果

檢修了閉式水系統(tǒng)后，對系統(tǒng)進行了試轉(zhuǎn)，并測量了電機軸承溫度、繞組溫度、泵體軸承溫度，以及水泵的振動值。

1號與2號機組的振動值與運行時間關(guān)系曲線，如圖4所示。從圖4可知，1號機組水泵的振動均值，為0.035 mm。2號機組水泵的振動均值，為0.037 mm。在運行的前20 h內(nèi)，1號機組與2號機組閉式水泵的振動值相差較大，運行時仍有異音，但振動值符合國家標準，不影響水泵運行。運行20 h之后，隨著2號機組閉式水泵振動值的緩慢下降，2臺水泵的振動值基本相同，泵體及出口管道的異音漸消,運行狀態(tài)良好。

圖4 振動值與運行時間的關(guān)系曲線

在不同溫度下，振動值與運行時間的關(guān)系曲線，如圖5所示。從圖5可知，水泵振幅的大小，隨著外界環(huán)境溫度的升高而增加；水泵的振動值，隨著運行時間的增加而下降，直至趨于穩(wěn)定值。

圖5 振動值與運行時間的關(guān)系曲線

4 結(jié) 語

通過分析，對2號機組A、B閉式水泵實施了改進措施。改進后，降低了水泵的振幅值，并消除了水泵運行時的異音。

在日常運行時，要嚴格執(zhí)行設(shè)備的定期輪換操作，定期檢查前后軸承油室內(nèi)的潤滑油或進行更換，確保油質(zhì)合格。日常巡檢時，要注意地腳螺栓的松動情況，檢查墊鐵是否完整、地面是否有積水。密切注意閉式水箱水位、電流、出口壓力、出口溫度等各項運行參數(shù)的變化，及時解決水泵及管道的振動問題，才能使閉式水系統(tǒng)長期穩(wěn)定地運行。