抽水蓄能機組推力外循環(huán)潤滑油系統(tǒng)異常振動故障治理

馬運翔，彭 輝，劉曉鋒，盧修連，何小鋒，何利鵬

（江蘇方天電力技術(shù)有限公司，江蘇省南京市 211102）

0 引言

大型水輪發(fā)電機推力軸承潤滑油冷卻系統(tǒng)按照冷卻器布置位置可分為內(nèi)循環(huán)和外循環(huán)兩種，其中外循環(huán)冷卻系統(tǒng)分為自身泵外循環(huán)和外加泵外循環(huán)兩種方式，經(jīng)驗表明外加泵外循環(huán)方式的散熱效果比其他方式更好，可靠性更大[1,2]，因此推力瓦外加泵外循環(huán)冷卻方式被廣泛應(yīng)用。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(guān)鍵之一，推力外循環(huán)潤滑油系統(tǒng)主要是為機組推力瓦提供潤滑油，對系統(tǒng)起到潤滑保護作用。軸承潤滑系統(tǒng)的故障會嚴(yán)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(dǎo)致燒傷軸瓦和主軸，嚴(yán)重?fù)p害主機設(shè)備，造成企業(yè)的直接經(jīng)濟損，主設(shè)備損壞導(dǎo)致機組非計劃停機造成不良的社會影響[5]。

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(zé)任公司生產(chǎn)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255MW，水泵工況最大入力為269MW[6]。機組推力外循環(huán)油泵是由瑞典IMO公司供應(yīng)的三螺桿泵，型號為LPQ140N1IRYP，工作轉(zhuǎn)速1495r/min，最大差壓16bar[7]。機組在調(diào)試期間出現(xiàn)推力外循環(huán)系統(tǒng)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(biāo)，油泵運行過程中管道出口手動閥手輪多次脫落，長期運行會造成油管斷裂，甚至機組斷油造成燒瓦，嚴(yán)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)油泵上布置傳感器和激光測速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(zhuǎn)軸上貼反光條，安裝激光測速探頭測量轉(zhuǎn)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Figure 1 Schematic diagram of sensor placement

2017年3月24日13時35分，4號機組2號推力外循環(huán)油泵正常啟動，機組處于停機熱備狀態(tài)，油泵在額定轉(zhuǎn)速1490r/min下運行穩(wěn)定，振動較小。機組轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速300r/min時軸向振動4.8mm/s，水平振動7.4mm/s，管道振動25.3mm/s，噪聲也由91.3dB增大到103.6dB。機組升速過程中各測點振動變化趨勢如圖2所示?？梢钥闯鲇捅谜駝蛹肮艿勒駝与S著機組轉(zhuǎn)速升高而增大，機組轉(zhuǎn)速超過120r/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。

機組運行狀態(tài)下，油泵以額定轉(zhuǎn)速運行時油泵水平振動達(dá)7.4mm/s，管道振動達(dá)25.3mm/s，圖3和圖4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，油泵在額定轉(zhuǎn)速運行時，管道振動與油泵振動頻譜分布一致，頻譜分析表明振動分量中1倍頻分量較小，主要是以4X、8X和12X等倍頻分量為主。

圖2 機組升速過程中各測點振動變化趨勢Figure 2 Vibration trend of each measuring point in the process of unit speed rising

表1 油泵以工頻運行時振動和噪聲數(shù)據(jù)Table 1 Vibration and noise data of oil pumps operating at rated frequency

圖3 機組運行時油泵水平振動頻譜圖Figure 3 Frequency spectrum of horizontal vibration of oil pump during unit operation

圖4 機組運行時油泵出口管道振動頻譜圖Figure 4 Frequency spectrum of vibration of oil pump outlet pipe during unit operation

2 振動故障原因分析與處理

2.1 振動故障原因分析

螺桿油泵在工作過程中產(chǎn)生異常振動和噪聲有以下原因：

（1）泵與電機本身故障原因，如泵與電機安裝不同心，螺桿與殼體安裝不同心或者二者嚙合間隙過大。在機組停機狀態(tài)下油泵及管道振動較小，振動幅值穩(wěn)定，大小為0.9mm/s。因此可以排除由于泵與電機本身故障造成油泵振動故障。

（2）空蝕。當(dāng)液體在泵內(nèi)流動時，若局部壓力低于一定值，則在液體內(nèi)的雜質(zhì)、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(dá)高壓區(qū)后，受到周圍液體壓力的壓縮，并經(jīng)過反彈，直到最后完全潰滅，這一過程稱為空蝕[8]。為了避免螺桿泵空蝕現(xiàn)象的發(fā)生，泵的安裝應(yīng)在距離油箱液面一定高度范圍之內(nèi)，否則當(dāng)泵安裝過高時極易造成泵的空蝕，并導(dǎo)致泵及管路系統(tǒng)的振動和噪聲[8-10]。

根據(jù)螺桿油泵空蝕余量分析，螺桿油泵不發(fā)生空蝕現(xiàn)象應(yīng)滿足以下條件[10]：

式中NPSHa——螺桿油泵有效空蝕余量；

NPSHr——螺桿油泵必須空蝕余量；

S——安全系數(shù)，通常取0.5～1m。

現(xiàn)場安裝高度滿足廠家給出的使用要求，可以排除空蝕原因造成油泵振動故障。

（3）泵及管道內(nèi)吸入空氣[11，12]。空氣進入油系統(tǒng)在低壓處膨脹，在高壓處被擠壓破裂，氣泡破裂時產(chǎn)生巨大的沖擊力，造成油泵和管道振動[11]。

機組運行時，推力頭及鏡板在油中旋轉(zhuǎn)，攪起泡沫，導(dǎo)致油內(nèi)挾附的氣體較多，油泵運行時，油泵吸油腔內(nèi)產(chǎn)生一定負(fù)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(dāng)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(chǎn)生極大的壓強。當(dāng)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(chǎn)生振動和噪聲。因此，泵及管道內(nèi)吸入空氣是造成油泵振動故障的根本原因。

在相同工況下，管道振動比油泵本體振動大。如公式[13，14]：

式中A——振動幅值；

F——激振力；

K——系統(tǒng)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(yuǎn)大于油泵本身振動是由于管道剛度不足，振動被放大。

2.2 推力外循環(huán)油泵振動故障治理

油泵及管道進空氣是振動故障的根本原因，因此降低系統(tǒng)內(nèi)空氣含量是最有效的方法。降低系統(tǒng)吸入空氣量的方法有加裝消泡裝置和油泵變頻運行兩種方法。溧陽抽水蓄能電站推力外循環(huán)油系統(tǒng)試驗加裝消泡裝置后收效甚微，因此采用油泵變頻運行方法。

油泵系統(tǒng)進行變頻改造后推力外循環(huán)油泵采用變頻啟動，油泵設(shè)定初始轉(zhuǎn)速為800r/min，分別在主機停機和機組運行兩個工況下以50r/min為間隔逐漸提高油泵轉(zhuǎn)速至額定。機組停機工況下油泵變頻升速過程中各測點振動變化趨勢如圖5所示。從圖5可以看出，機組停機狀態(tài)下，隨著油泵轉(zhuǎn)速的升高油泵振動和管道振動增大，但增大幅度很?。挥捅迷?200r/min轉(zhuǎn)速運行時管道在20Hz處存在一個峰值，此處為管道的固有頻率，運行時應(yīng)避開20Hz頻率。機組運行狀態(tài)下油泵變頻升速過程中各測點振動變化趨勢如圖6所示，從圖中可以看出，油泵轉(zhuǎn)速高于1000r/min后隨著油泵轉(zhuǎn)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，油泵轉(zhuǎn)速低于1000r/min時油泵和管道振動較小且變化不大。因此，油泵變頻運行應(yīng)選擇轉(zhuǎn)速在1000r/min以下運行。油泵變頻運行試驗數(shù)據(jù)如表2所示。

圖5 機組停機工況下油泵升速過程中各測點振動變化趨勢Figure 5 Vibration trend of each measuring point in the process of oil pump speed rising under unit shutdown condition

圖6 機組運行時油泵升速過程中測點振動變化趨勢Figure 6 Vibration trend of each measuring point in the process of oil pump speed rising under unit operation

表2 泵以額定頻率運行時振動和噪聲數(shù)據(jù)Table 2 Vibration and noise data of pumps operating at rated frequency

表3 機組瓦溫數(shù)據(jù)Table 3 Data of bearing temperature

管道振動大主要是由于剛度不足，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900r/min轉(zhuǎn)速下變頻運行，減少了系統(tǒng)吸入空氣，降低了由空氣原因產(chǎn)生的激振力，油泵和管道振動降低，保證了油泵的安全運行。油泵在900r/min轉(zhuǎn)速下運行時油泵油流量為260m3/h，通過熱穩(wěn)定試驗表明油泵變頻運行油系統(tǒng)流量能夠滿足機組運行設(shè)計要求，表3給出了機組推力外循環(huán)油泵改造前后下導(dǎo)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(dǎo)瓦和推力瓦瓦溫穩(wěn)定后穩(wěn)定基本不變，油泵變頻能保證機組安全穩(wěn)定運行。

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110 kW降低至30 kW。

每臺機組按年運行 5000h計算年總節(jié)電數(shù)為：

按0.4元/（kW·h）計算僅節(jié)省用電費用年總效益折合人民幣：450000×0.4=18.00（萬元），節(jié)能收益明顯。

3 結(jié)束語

溧陽抽水蓄能電站推力外循環(huán)油泵及管道振動大，油系統(tǒng)吸入空氣是振動故障的根本原因，管道支撐剛度不足是管道振動大的又一個主要原因。推力外循環(huán)油泵采用變頻運行，降低了運行轉(zhuǎn)速，減少了系統(tǒng)空氣吸入量，有效降低了油泵及管道振動，提高了系統(tǒng)的可靠性。油泵采用變頻運行同時降低了油泵能耗，提高了經(jīng)濟效益。