深度調(diào)峰過程凝泵振動(dòng)問題治理

摘 要：隨著我國近些年來經(jīng)濟(jì)增速放緩，電網(wǎng)用電量增長緩慢，電網(wǎng)裝機(jī)容量增長較快，兩者間的矛盾日益凸顯，使得火電機(jī)組作為調(diào)峰機(jī)組承擔(dān)越來越重的調(diào)峰任務(wù)，在此過程中較多凝泵采用變頻節(jié)能技術(shù)后在某些轉(zhuǎn)速下會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)增大的現(xiàn)象，以至于被迫定速運(yùn)行，對(duì)設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行和經(jīng)濟(jì)性能產(chǎn)生很大的影響。本文將對(duì)凝泵變頻后的振動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)理進(jìn)行分析，并介紹凝泵變頻振動(dòng)問題常用的治理方案。

關(guān)鍵詞：深度調(diào)峰；凝結(jié)水泵；振動(dòng)

中圖分類號(hào)：TM621 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004-7344（2018）35-0054-02

1 前 言

電力生產(chǎn)中，發(fā)電機(jī)組生產(chǎn)的6～8%的電能作為廠用電消耗在生產(chǎn)過程中，其中絕大部分消耗在像凝結(jié)水泵這樣的使用高壓交流電機(jī)的大容量輔機(jī)中。在對(duì)600MW，1000MW機(jī)組火力發(fā)電站的節(jié)能改造中，大型立式凝結(jié)水泵是改造的重點(diǎn)設(shè)備之一。

將凝泵機(jī)組由工頻運(yùn)行改為變頻運(yùn)行，凝結(jié)水泵出口閥門不需要頻繁調(diào)整，閥門開度保持在一個(gè)比較大的范圍內(nèi)，通過調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，達(dá)到調(diào)節(jié)出口流量的目的，同時(shí)可降低電機(jī)運(yùn)行的溫升，滿足運(yùn)行工況的要求。這樣根據(jù)不同負(fù)荷確定相應(yīng)轉(zhuǎn)速使泵組實(shí)現(xiàn)節(jié)能一臺(tái)320MW凝汽式汽輪發(fā)電機(jī)組，按全年平均負(fù)荷率80%計(jì)算，生產(chǎn)廠用電下降452.5kW，按年運(yùn)行5000h計(jì)，全年節(jié)電量約為2.2625GWh。

不過，隨著火電機(jī)組深度調(diào)峰工作的深入開展和變頻技術(shù)的推廣與應(yīng)用，人們逐漸發(fā)現(xiàn)，凝泵變頻技術(shù)存在著一些新的隱患與問題，較多凝泵采用變頻技術(shù)后在某些轉(zhuǎn)速下會(huì)有振動(dòng)增大的現(xiàn)象，以至于被迫定速運(yùn)行，對(duì)設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行和經(jīng)濟(jì)性能產(chǎn)生很大的影響，同時(shí)影響機(jī)組深度調(diào)峰過程的機(jī)組經(jīng)濟(jì)性和安全性。

2 凝泵低轉(zhuǎn)速共振機(jī)理

凝泵低轉(zhuǎn)速共振的機(jī)理可以從凝泵本體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)來進(jìn)行解釋，凝結(jié)水泵在結(jié)構(gòu)上具有以下特點(diǎn)：

凝泵水泵為立式安裝水泵，主要靠泵座與水泥基礎(chǔ)聯(lián)接，在基座以下的豎井內(nèi)有很長的外筒體和和內(nèi)筒體，水泵-電機(jī)軸系與筒體間隙配合，軸系支撐點(diǎn)為電機(jī)下部推力軸承。因此凝泵軸系具有水平方向支撐剛度弱的特點(diǎn)。

凝結(jié)水泵的工作是在高度真空的條件下輸送接近于飽和溫度的水。為了保證凝結(jié)水泵的工作可靠，水泵必須安裝在熱水井水面0.5～0.8m以下，并盡量減小進(jìn)口處的阻力以防止凝結(jié)水汽化，這樣就導(dǎo)致凝泵具有軸系較長的特點(diǎn)。

由于立式水泵的特點(diǎn)，其電機(jī)位于水泵最上部，直接座落于泵體基礎(chǔ)支座上，相對(duì)于細(xì)長的泵軸與單薄的泵體，凝泵電機(jī)質(zhì)量較大，這樣就形成了“頭重腳輕”的結(jié)構(gòu)形式，對(duì)激振力的擾動(dòng)較為敏感。

在這種長軸系、低支撐剛度，同時(shí)運(yùn)行轉(zhuǎn)速較高的立式旋轉(zhuǎn)設(shè)備上，其基礎(chǔ)-支撐-轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的共振頻率一般低于其工頻運(yùn)行頻率。對(duì)于部分出力裕量較大的凝泵和深度調(diào)峰幅度較大的機(jī)組來說，其主要運(yùn)行區(qū)間不可避免地要落在該區(qū)域內(nèi)，給機(jī)組運(yùn)行帶來安全隱患，給深度調(diào)峰運(yùn)行帶來設(shè)備障礙。

3 常用的凝泵振動(dòng)治理方案

3.1 軸系動(dòng)平衡

當(dāng)凝泵定速和變頻運(yùn)行時(shí)振動(dòng)主頻率都為基頻，且振動(dòng)比較穩(wěn)定時(shí)，機(jī)組振動(dòng)故障屬于強(qiáng)迫振動(dòng)，轉(zhuǎn)子上的不平衡激勵(lì)力和系統(tǒng)動(dòng)力特性有關(guān)，變頻運(yùn)行時(shí)落入系統(tǒng)共振區(qū)內(nèi)，振動(dòng)比較敏感，轉(zhuǎn)子上微小不平衡力導(dǎo)致大幅振動(dòng)。動(dòng)平衡法是基于此原理，降低轉(zhuǎn)子不平衡力來降低振動(dòng)激振力，從而被共振區(qū)放大的振動(dòng)幅值也相應(yīng)減小。

此方法方便快捷，但并沒有消除變頻轉(zhuǎn)速下的共振問題，當(dāng)零部件的機(jī)械強(qiáng)度和剛度較差、軸承和密封部件磨損破壞，或者水泵進(jìn)口流速和壓力分布不均勻，泵進(jìn)出口工作液體的壓力脈動(dòng)、液體繞流、偏流和脫流，非定額工況以及各種原因引起的水泵汽蝕等，導(dǎo)致機(jī)組產(chǎn)生新的不平衡力時(shí)，振動(dòng)會(huì)再一次被放大。

3.2 支撐加固

凝泵的共振現(xiàn)象普遍存在于轉(zhuǎn)子-軸承-基礎(chǔ)系統(tǒng)的共振和電機(jī)支撐框架的共振。現(xiàn)階段國內(nèi)對(duì)此的解決辦法較為常用的是加固法。

對(duì)于轉(zhuǎn)子-軸承-基礎(chǔ)系統(tǒng)的共振，采用改變筒體的固有頻率來強(qiáng)化基座筒體剛度的方法，提高筒體的固有頻率來避開共振區(qū)。

為了提高筒體的固有頻率，大部分選取在加強(qiáng)垂直方向?qū)Φ膭偠?，由于筒體上的開孔剛度不足，因此在圓孔和方孔對(duì)應(yīng)兩邊加束筋，上法蘭處增加八只耳朵來壓緊豎筋，以此來增強(qiáng)加固的效果。某廠運(yùn)用上述方案對(duì)筒體進(jìn)行加固，現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)表明A廠凝泵運(yùn)用該加固方法后，共振轉(zhuǎn)速從880rpm提升到990rpm，共振峰值降低了35%。加固起到一定效果，使得結(jié)構(gòu)共振轉(zhuǎn)速提升，并未根本解決共振區(qū)間振動(dòng)大實(shí)際問題。

由于立式凝泵上半部分的支撐剛度較弱，發(fā)生共振時(shí)振動(dòng)會(huì)被放大，因此對(duì)于電機(jī)的共振，現(xiàn)階段采用對(duì)電機(jī)進(jìn)行框架加固的方法。一方面可以提高電機(jī)的支撐剛度，降低振動(dòng)響應(yīng)幅度；另一方面在一定程度上提高機(jī)構(gòu)的固有頻率。

該方法對(duì)振動(dòng)有一定的抑制效果，但其主要約束對(duì)象為電機(jī)殼體，對(duì)轉(zhuǎn)子激振振源不能起到有效作用，容易導(dǎo)致電機(jī)及泵體導(dǎo)瓦偏磨情況的發(fā)生。

3.3 變頻參數(shù)修改

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，系統(tǒng)的固有頻率很難去改變，但是可以使凝結(jié)水泵的運(yùn)行轉(zhuǎn)速改變，使得機(jī)器避開共振區(qū)進(jìn)行工作。具體的方法有兩種：

（1）當(dāng)機(jī)組負(fù)荷發(fā)生改變，凝結(jié)水泵靠近共振區(qū)時(shí)，能夠適當(dāng)?shù)馗淖兂跗魉坏亩ㄖ担瑏韺?shí)現(xiàn)改變它工作轉(zhuǎn)速和避開在共振區(qū)的目的。

（2）在凝結(jié)水泵變頻器PLC中增加了轉(zhuǎn)速信號(hào)閉鎖功能，使凝結(jié)水泵在啟動(dòng)時(shí)快速通過共振區(qū)，正常運(yùn)行時(shí)多運(yùn)行于共振區(qū)以上，向下調(diào)整時(shí)閉鎖在上述轉(zhuǎn)速區(qū)停留，從而避開共振轉(zhuǎn)速區(qū)間。

此方法適用于振動(dòng)超標(biāo)轉(zhuǎn)速區(qū)間不大，適當(dāng)避開不影響機(jī)組正常調(diào)整的機(jī)組。

3.4 設(shè)備葉輪改造

電廠凝結(jié)水系統(tǒng)為凝結(jié)水泵將凝結(jié)水從凝汽器汽側(cè)抽出，經(jīng)除氧器水位調(diào)節(jié)閥后，再依次經(jīng)過凝結(jié)水精處理裝置、軸封加熱器、8，7，6，5號(hào)低加，最后進(jìn)入除氧器，通過調(diào)整除氧器水位調(diào)節(jié)閥的開度，保持除氧器水位維持正常水位。變頻電機(jī)根據(jù)凝結(jié)水位高低來調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速，當(dāng)電機(jī)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速時(shí)，某轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)到凝泵本體固有頻率時(shí)發(fā)生共振現(xiàn)象。

電廠對(duì)此的改造方法是對(duì)凝泵葉輪進(jìn)行改造，大體方法有兩種：①對(duì)葉輪進(jìn)行磨削，削弱凝泵出力，當(dāng)除氧器水位降低時(shí)將需要電機(jī)更高的轉(zhuǎn)速來補(bǔ)充除氧器水位，從而避開了共振轉(zhuǎn)速。②去除凝泵末級(jí)葉輪，與磨削葉輪原理相同，都為提高電機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速，避開共振區(qū)。

但采用這種方法可能造成機(jī)組夏季滿負(fù)荷工況下凝泵出力不足，限制機(jī)組出力的情況的發(fā)生。因此需要進(jìn)一步的針對(duì)改造后凝泵出力裕度計(jì)算才可施行此改造措施。

4 結(jié) 論

本文對(duì)動(dòng)平衡、支撐加固、參數(shù)修改、葉輪改造等凝泵振動(dòng)常用治理方案的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析，對(duì)于凝泵振動(dòng)治理的方案選擇，需要結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)凝泵的振動(dòng)超標(biāo)區(qū)間、實(shí)際運(yùn)行轉(zhuǎn)速區(qū)間、凝泵出力裕量等因素綜合考慮，甚至結(jié)合各方案的優(yōu)點(diǎn)綜合治理，從而在保證設(shè)備運(yùn)行安全的前提下，提高火電機(jī)組深度調(diào)峰能力。

參考文獻(xiàn)

[1]李年仔.大型變頻輔機(jī)故障原因分析與試驗(yàn)研究[D].東南大學(xué)，2015.

[2]李新陽，施 繽，李年仔，楊建剛.凝泵電機(jī)變頻運(yùn)行振動(dòng)分析及診斷[J].電站系統(tǒng)工程，2015（06）：41～43.

[3]范葵香，毛建民.火電廠凝泵變頻控制改造的能效[J].上海電力，2007（02）：204～206.

[4]厲浦江，劉 哲.大型立式凝結(jié)水泵變頻振動(dòng)的研究及解決方案[J].流體機(jī)械，2015（07）：51～56.

收稿日期：2018-11-4

作者簡(jiǎn)介：陳 悅（1986-），工程師，主要從事汽輪機(jī)故障診斷，旋轉(zhuǎn)設(shè)備振動(dòng)分析工作。