換流站閥內(nèi)冷主泵電機軸承磨損分析及預防

張建飛，馬修偉，軒 磊

（1.國網(wǎng)河南省電力公司直流運檢分公司，河南鄭州 450000；2.河南綠控科技有限公司，河南許昌 461000）

0 引言

某（特）高壓直流輸電換流站閥內(nèi)水冷主機模塊主泵品牌為KSB，流量為265 m3/h，揚程為70 m，驅動電機是ABB 高速電機（轉速2970 r/min）。根據(jù)運維記錄，2009 年投運以來，內(nèi)水冷主泵機械密封一直采用碳化硅機械密封，這也是因為碳化硅機械密封具有重量輕、成本低、摩擦系數(shù)小、耐高溫等特點而做出的選擇。（特）高壓直流輸電換流站要求設備具有極高的安全穩(wěn)定運行性能，尤其對閥內(nèi)水冷的滲漏有較為嚴格的預防控制，通過對采用碳化硅機械密封的主泵長期的運維監(jiān)控數(shù)據(jù)分析，碳化硅機械密封無法滿足換流站對設備的安全穩(wěn)定運行要求。2017 年10 月以前，碳化硅機械密封在該換流站多次出現(xiàn)機械密封滲漏，8 年共更換過24 次機械密封，見表1。2017 年10 月，該換流站進行主機模塊基礎框架進行了壓板式加固，加固之后的主泵機械密封滲漏得到了控制。但是電機軸承磨損程度加劇，電機軸承磨損統(tǒng)計見表2。主泵機械密封滲漏和電機軸承磨損與振動都有聯(lián)系，徹底解決振動才是解決問題的根源。

表1 機械密封更換日期統(tǒng)計

表2 軸承更換日期統(tǒng)計

1 問題分析

1.1 電機軸承磨損的幾種情況

（1）電機采用開放式軸承，沒按要求定期性加注潤滑油脂、加注潤滑油脂不足或者過多，引起軸承發(fā)熱而磨損。

（2）電機軸承更換備件后裝配不合理，配合間隙存在不足，在高速旋轉過程中，加劇軸承磨損。

（3）高速電機頻繁啟停，形成對軸承的破壞沖擊。

（4）三相不平衡引起電機三相電流具有較大偏差，引發(fā)轉動不平衡，即三相驅動力不平衡，加速軸承磨損。

（5）電機的基礎振動，電機的四腳固定螺栓安裝不規(guī)范，引起電機振動超標。

（6）電機和水泵之間的同軸度誤差數(shù)據(jù)超出技術要求，高速旋轉的電機軸受到扭曲力，該扭曲力傳遞給軸承。

1.2 開放式軸承的潤滑

開放式軸承需要定期加注潤滑油脂，加注潤滑油脂需按照設備說明書要求規(guī)定的周期加脂。加脂量按照廠家要求，油脂填充軸承50%左右為宜，過多過少都會引起發(fā)熱，并縮短軸承使用壽命。

加脂需要積累一定的經(jīng)驗，經(jīng)驗不足者很容易加多，軸承運行時造成軸承旋轉部位發(fā)熱。加脂和運行時間及加脂量見表3。

表3 潤滑間隔和油脂量

1.3 軸承裝配工藝

電機匹配的軸承和軸配合間隙都有一定規(guī)范要求，間隙過松和過盈都會引起旋轉耦合部位發(fā)熱。間隙過松，轉子轉動時噪聲增大，振動加劇。間隙過盈，轉子轉動時物理磨損增加。即使各項振動指標滿足技術要求，在很短時間內(nèi)摩擦發(fā)熱引起的局部高溫也會加速軸承損壞。

軸承裝配是細致技術工作，需要相關人員積累豐富經(jīng)驗，才能使得軸承裝配完美。軸承裝配過松或過盈，都會使軸承發(fā)熱，快速報廢。

目前，市場上的軸承品牌和型號繁多，如果從非正規(guī)渠道采購軸承，很可能買到劣質(zhì)軸承。劣質(zhì)軸承的加工工藝尺寸無法保證，即使尺寸稍微存在差異，引發(fā)的后果也會很嚴重。

1.4 電機切換周期

電機啟動瞬間對軸承的沖擊和破壞最大，長期運轉的軸承反而比較穩(wěn)定。目前，各換流站主泵切換周期為168 h。

1.5 三相不平衡

電機三相不平衡引起電機三相電流出現(xiàn)較大偏差，引發(fā)轉動不平衡，即三相驅動力不平衡。電機轉動出現(xiàn)脈動式振動，加速軸承損壞和磨損。

1.6 基礎剛性連接分析

現(xiàn)場記錄的振動數(shù)據(jù)見表4。電機軸中心高在132～280 mm，分析現(xiàn)場記錄的振動數(shù)據(jù)，得出以下結論。

表4 極1P02 振動測量數(shù)據(jù)

（1）電機本體的加速度和速度、位移值均滿足觀測的技術要求。

（2）電機本體的位移及基礎的位移均滿足國家標準29 μm的要求。

1.7 電機和水泵的同軸度偏差

電機軸和水泵軸的同軸度偏差值是主泵電機安裝合規(guī)的重要技術參數(shù)，對于主泵電機尤為重要。同軸度偏差值大于要求值，會導致軸承故障、振動，甚至造成軸斷裂。同軸度偏差分為平行偏差、角度偏差、復合偏差和間隙偏差等4 種類型，如圖1 所示。主要表現(xiàn)為復合偏差和間隙偏差，其中，間隙偏差多被忽視。分析現(xiàn)場記錄的振動數(shù)據(jù)，振動水平值均在合格水平內(nèi)，據(jù)此推斷同軸度偏差基本符合要求。

圖1 同軸度偏差示意

2 設備安裝要求

2.1 格蘭富水泵對臥式泵的安裝要求

格蘭富為國際知名品牌水泵制造商，其對水泵的安裝要求具有一定的典型性。查閱格蘭富NK、NKG 系列水泵說明書，其要求將水泵安裝在一個平整堅固的混凝土基礎上，基礎重量應該足以為整個泵提供永久支撐。基礎必須能夠吸收振動、正常的應力或沖擊。根據(jù)經(jīng)驗，混凝土底座的重量必須為泵總重的1.5倍?；A應該在所有四邊上都比底座大出100 mm。關于基礎水泥灌漿的要求如下：

（1）安裝前為水泵準備一個高質(zhì)量的基礎十分關鍵。帶底座的NK、NKG 泵必須進行水泥灌漿。

（2）對于電機功率等于或大于55 kW 的二極NK、NKG 泵，為防止轉動電機產(chǎn)生的振動能和液體流態(tài)的演變，對底座進行水泥灌漿固定是強行要求的項目。

2.2 KSB 水泵對臥式泵的安裝要求

KSB《Mega CPK Installation/Operating Manual》（大型CPK泵安裝/操作手冊）中關于裝配基礎的描述如下:

（1）將泵組定位在水泥基礎上，確保水平；

（2）如有必要，使用墊片進行高度補償；

（3）將基礎螺栓插入到所提供的孔中；

（4）使用混凝土將基礎螺栓預埋在基礎中；

（5）待混凝土凝固牢固后，將底板調(diào)平；

（6）均勻并牢固地擰緊基礎螺栓；

（7）使用混合比例小于等于0.5 的混凝土對底板進行灌漿。

2.3 國家標準對臥式泵的安裝要求

《GB 10068—2008 軸中心高為56 mm 及以上電機的機械振動振動的測量、評定及限值》“6.3 剛性安裝”中，對臥式安裝的電機有如下要求。

（1）直接安裝在堅硬的基礎上，或；

（2）通過安裝平板安裝在堅硬的基礎上，或；（3）安裝在滿足6.3.1 要求的剛性板上。

3 解決措施

通過分析，當前換流站閥內(nèi)冷主機模塊整體是直接放置在地面上，四周利用12 組M20 的膨脹螺栓固定，小螺栓固定大設備，這就是主機基礎振動過大的根源。2017 年，對主機模塊安裝方式進行了改造，基礎采用化學錨栓配以槽鋼壓板加固。加固后的基礎槽鋼底部懸空，仍有較大振動空間?，F(xiàn)場記錄的振動數(shù)據(jù)來自主泵基礎槽鋼的振動檢測，不是主泵電機機身的振動檢測數(shù)據(jù)。雖然檢測振動數(shù)據(jù)滿足技術要求，這也是對貼近地面的主泵基礎槽鋼檢測的振動數(shù)據(jù)，并不能說明主泵和電機自身振動數(shù)據(jù)滿足設備安裝要求，因為也存在振動值在較遠端的主泵和電機殼體處被放大，實際主泵和電機殼體處的振動值超過了標準振動值。經(jīng)過分析和評價，給出如下解決方案。

（1）對主機基礎進行開挖，將預埋鐵埋入基礎內(nèi)并焊接在主機槽鋼上，開挖的基礎坑需用水泥澆筑。澆筑的水泥需五天硬化時間，確保整個基礎堅硬牢固。主泵基礎加固措施如圖2 所示。

圖2 主泵基礎加固措施

（2）增加振動在線檢測傳感器，對主泵及電機本體三維度多位置進行振動檢測。檢測數(shù)據(jù)運用物聯(lián)網(wǎng)技術傳送給主控室數(shù)據(jù)處理中心，并進行分析、處理。充分研究(特)高壓換流站旋轉設備運維技術，制定適合于不同功率旋轉設備的振動標準及相應診斷方法。制定通過振動頻譜進行故障類型分析的方法及相應工具，開發(fā)綜合智能應用軟件。制定標準維修流程和工藝控制點，實現(xiàn)旋轉設備智能化，維修作業(yè)標準化，降低設備非計劃停機的風險，提升整體運維水平。旋轉設備機械參數(shù)與故障分析軟件如圖3 所示。

圖3 旋轉設備機械參數(shù)與故障分析軟件

4 創(chuàng)新點及效益分析

4.1 創(chuàng)新點

換流站的解決措施是對換流閥閥冷系統(tǒng)主泵電機軸承磨損問題做出針對性分析，提出創(chuàng)新的解決措施。主要是通過增加主泵振動檢測傳感器，實時獲取振動數(shù)據(jù)，研究如何降低主泵底座振動，提升電網(wǎng)可利用率。通過對主泵基礎底部挖坑，同時將主泵基礎加固用的金屬構件置入坑中，將金屬構件和主機基礎焊接在一起，最后對坑進行水泥灌漿。主泵及電機關鍵位置安裝振動傳感器檢測水泵和電機本體的振動，數(shù)據(jù)傳送至后臺服務器進行數(shù)據(jù)分析，做出機械故障、振動超差、軸承磨損和耦合器同心度超差的預判和預警。

4.2 效益分析

主泵作為閥冷系統(tǒng)的核心設備，其運行情況直接關系閥冷系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行，甚至是直流系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。每次出現(xiàn)主泵電機軸承磨損事故，最直接的做法就是更換整臺主泵，既耗時，風險又高。本案例的研究和改進，達到了預警功能，提高了響應速度，從而為減少或縮短處理主泵電機軸承磨損做出了預判，降低系統(tǒng)運行風險，提高閥冷系統(tǒng)可利用率。

5 結語

電網(wǎng)是國家經(jīng)濟命脈，是各行各業(yè)的驅動力。閥冷系統(tǒng)是換流站重要的輔機，其一旦出現(xiàn)故障，換流站輸電將會被中斷。因此，閥冷系統(tǒng)安全穩(wěn)定可靠工作是直流輸電系統(tǒng)的重要保障。通過對軸承磨損的研究和處理措施實施，閥冷系統(tǒng)能夠更加良好運行。通過主泵模塊基礎永久性加固和增加在線振動數(shù)據(jù)檢測分析，為后期閥冷系統(tǒng)安全穩(wěn)定可靠工作提供預警功能，以此確保閥冷系統(tǒng)處在實時的自動化監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡內(nèi)。