某余熱鍋爐循環(huán)水泵的振動分析及解決措施

羅艷

（中國瑞林工程技術(shù)股份有限公司，江西 南昌 330038）

余熱鍋爐是用于回收金屬冶煉爐窯煙氣余熱的一種常見設(shè)備。在實(shí)際運(yùn)行過程中，影響余熱鍋爐安全運(yùn)行的因素很多，包括鍋爐積灰、高溫腐蝕、低溫腐蝕、管壁磨損等。鍋爐內(nèi)部的水動力系統(tǒng)是其中重要一環(huán)。鍋爐的水動力系統(tǒng)是指水作為工質(zhì)從進(jìn)入鍋爐到離開鍋爐的流動系統(tǒng)。要使鍋爐安全可靠地運(yùn)行，所有的受熱面都應(yīng)該受到工質(zhì)的有效冷卻，以保證金屬壁溫不超過所用鋼材的允許溫度；同時(shí)，工質(zhì)在流動的過程中吸收煙氣熱量而逐漸提高溫度，直至達(dá)到規(guī)定的熱工參數(shù)。鍋爐的蒸發(fā)系統(tǒng)按照工質(zhì)流動的動力不同，分為自然循環(huán)和強(qiáng)制循環(huán)，自然循環(huán)的蒸發(fā)系統(tǒng)由鍋筒、下降管、下集箱、上升管、上集箱及汽水引出管構(gòu)成。上升管就是爐膛內(nèi)的水冷壁管，管內(nèi)的水吸收爐膛內(nèi)的輻射熱量后，產(chǎn)生一部分蒸汽，形成汽水混合物。由于汽水混合物的密度小于下降管內(nèi)水的密度，依靠這個(gè)密度差，使水沿著下降管向下流動，汽水混合物沿上升管流入上集箱后進(jìn)入鍋筒。強(qiáng)制循環(huán)的蒸發(fā)系統(tǒng)由并聯(lián)管組（管屏）、混合器、分配器及鍋爐循環(huán)水泵組成。并聯(lián)管組（管屏）構(gòu)成蒸發(fā)受熱面，管子或管圈內(nèi)的工質(zhì)由循環(huán)水泵提供揚(yáng)程，使之在蒸發(fā)受熱面中一次通過并產(chǎn)生蒸汽[1]。由此可見，鍋爐循環(huán)水泵能否正常運(yùn)行，直接關(guān)系到強(qiáng)制循環(huán)鍋爐的安全運(yùn)行，甚至?xí)绊懻麄€(gè)工廠的經(jīng)濟(jì)效益。

某冶煉廠的余熱鍋爐循環(huán)水泵在啟、停時(shí)出現(xiàn)振動頻率超標(biāo)，甚至軸承損壞的情況，下文通過對振動循環(huán)水泵的監(jiān)測，利用各種測試數(shù)據(jù)分析水泵振動的原因，并提出解決水泵振動的一些措施和建議。

1 余熱鍋爐及循環(huán)水泵的熱工設(shè)計(jì)

本次出現(xiàn)振動的循環(huán)水泵對應(yīng)的余熱鍋爐入口煙氣參數(shù)見表1。

表1 余熱鍋爐入口煙氣條件

余熱鍋爐設(shè)計(jì)參數(shù)主要是根據(jù)工藝煙氣條件和蒸汽的用途來確定。為防止煙氣低溫腐蝕，余熱鍋爐在工作壓力下的管壁溫度必須大于煙氣露點(diǎn)溫度，并預(yù)留一定的安全富余量[2]，以防止煙氣結(jié)露中的硫酸腐蝕鍋爐管壁。經(jīng)計(jì)算，余熱鍋爐在上述煙氣條件下的煙氣露點(diǎn)溫度在211℃左右，廠區(qū)的蒸汽用戶均為低壓用戶，因此為避免煙氣結(jié)露將余熱鍋爐的額定壓力確定為6.0 MPa，受熱面管內(nèi)熱水飽和溫度為276.6℃，高出露點(diǎn)溫度約65℃，能保證鍋爐的安全運(yùn)行。余熱鍋爐熱力計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 余熱鍋爐熱力計(jì)算結(jié)果

通過分析余熱鍋爐入口煙氣和煙塵的成分可知，鍋爐入口煙氣量大，煙氣溫度高，含塵量大，高達(dá)63.96 g/m3，鍋爐的爐水循環(huán)系統(tǒng)采用強(qiáng)制循環(huán)系統(tǒng)，不設(shè)下聯(lián)箱，煙塵可自由沉降而進(jìn)入灰斗下的刮板出灰機(jī)，從而減少煙塵在爐內(nèi)堆積。

確定余熱鍋爐水循環(huán)系統(tǒng)采用強(qiáng)制循環(huán)后，并據(jù)此設(shè)計(jì)循環(huán)水泵提供水系統(tǒng)的揚(yáng)程。循環(huán)水泵共設(shè)計(jì)3臺，其中1#、2#為電機(jī)驅(qū)動（1用1備），3#為柴油機(jī)驅(qū)動（應(yīng)急）。當(dāng)廠區(qū)停電時(shí)，啟動柴油水泵可保鍋爐運(yùn)行安全。水泵設(shè)計(jì)流量為2 000 m3/h，設(shè)計(jì)揚(yáng)程為50 m水柱。循環(huán)水泵揚(yáng)程一般高于余熱鍋爐高度以及克服循環(huán)水管路壓力損失即可，本次余熱鍋爐高度約35 m，循環(huán)水管路最高壓力損失約10 m。余熱鍋爐水系統(tǒng)設(shè)計(jì)循環(huán)倍率約為27.5。根據(jù)鍋爐水力循環(huán)設(shè)計(jì)計(jì)算及生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，循環(huán)倍率一般取值25～30。余熱鍋爐循環(huán)水泵的設(shè)計(jì)參數(shù)見表3。

表3 余熱鍋爐循環(huán)水泵設(shè)計(jì)參數(shù)

2 循環(huán)水泵現(xiàn)場運(yùn)行狀況

本次出現(xiàn)啟、停機(jī)振動情況的是2#循環(huán)水泵。在啟機(jī)階段，循環(huán)水泵運(yùn)行流量為2 500~2 100 m3/h，介質(zhì)溫度為30～270℃，進(jìn)出口壓差為4.2×105～5.0×105Pa，電機(jī)功率為310～378 kW，泵振動速度為0.14～14.3 mm/s，已經(jīng)嚴(yán)重超標(biāo)，超出受限允許振動速度限值7.6 mm/s，且現(xiàn)場噪聲比較尖銳，鍋爐循環(huán)水泵啟機(jī)過程持續(xù)了約144 h。在停機(jī)階段，循環(huán)水泵運(yùn)行流量為2 210~2 480 m3/h，介質(zhì)溫度為45～265℃，進(jìn)出口壓差為3.8×105～4.2×105Pa，電機(jī)功率為310～382 kW，泵振動速度為0.27～1.85 mm/s，變化幅度較大，現(xiàn)場噪音增大較明顯，鍋爐循環(huán)泵停機(jī)過程持續(xù)約42 h。最終，2#循環(huán)水泵在檢修停機(jī)后，重新啟機(jī)僅運(yùn)行了幾天，軸承就出現(xiàn)了損壞。

3 循環(huán)水泵運(yùn)行工況測試

針對2#循環(huán)水泵這一運(yùn)行結(jié)果，用戶和供應(yīng)商對其進(jìn)行了一系列的測試，得到了相應(yīng)的測試數(shù)據(jù)，再結(jié)合用戶DCS實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

3.1 壓力

2#循環(huán)水泵啟機(jī)過程壓力測試時(shí)長為6 d，循環(huán)水泵進(jìn)出口壓力見圖1。

在測量區(qū)間內(nèi)，根據(jù)測試數(shù)據(jù)分析：停機(jī)過程中，隨著溫度的變化，泵入口的壓力在2.82×105~53.2×105Pa變化，出口的壓力在5.9×105~53.2×105Pa變化。在啟機(jī)過程中，在圖1所標(biāo)記的時(shí)間段內(nèi)，泵進(jìn)出口壓力變化劇烈，水泵振動速度增大，此時(shí)相應(yīng)的頻譜見圖2。

圖1 啟機(jī)過程進(jìn)出口壓力

圖2 啟機(jī)過程軸承體頻譜

啟泵時(shí)，汽包加水導(dǎo)致的爐水溫度變化使泵進(jìn)出口壓力波動，在頻譜中顯示泵有汽蝕，此時(shí)泵振動速度嚴(yán)重超標(biāo)，最大達(dá)到14.3 mm/s。并且在啟機(jī)過程中，包絡(luò)譜與初期比較，加速度高達(dá)1.9 m/s2。分析認(rèn)為，正是各種因素的疊加，才導(dǎo)致泵的軸承損壞加速。

3.2 流量

2#鍋爐循環(huán)水泵2 d的停機(jī)過程流量值見圖3，6 d的啟機(jī)過程見圖4。

圖3 停機(jī)過程流量

圖4 啟機(jī)過程流量

從圖3、圖4中的DCS數(shù)據(jù)可以看出，2#循環(huán)水泵停機(jī)和啟機(jī)過程中流量在2 100~2 500 m3/h。泵額定流量為2 000 m3/h，說明泵在偏大流量工況下運(yùn)行。經(jīng)驗(yàn)證明，當(dāng)水泵偏離額定工況運(yùn)行也會導(dǎo)致振動。

3.3 溫度

2#鍋爐循環(huán)水泵停機(jī)2 d的過程中溫度變化值見圖5，啟機(jī)6 d的過程中溫度變化值見圖6。

圖5 停機(jī)過程溫度

圖6 啟機(jī)過程溫度

從圖5、圖6中的DCS數(shù)據(jù)可以看出，在停機(jī)和啟機(jī)過程中，溫度變化范圍較大。當(dāng)t=30～270℃時(shí)，在圖6所標(biāo)記的時(shí)間段，泵溫度反復(fù)波動變化（汽包加水導(dǎo)致），泵已發(fā)生汽蝕，振動增大。

3.4 振動

在啟、停機(jī)過程中，對軸承體的振動值也進(jìn)行了測試，停機(jī)過程、啟機(jī)過程軸承體振動值變化曲線見圖7、圖8。

圖8 啟機(jī)過程軸承體振動值

根據(jù)測試數(shù)據(jù)，2#循環(huán)水泵在停機(jī)約3 h后，振動速度開始有大幅提升，可判斷泵與電機(jī)的對中狀態(tài)已經(jīng)惡化；啟機(jī)約3 d，水泵一直在泵與電機(jī)不對中的狀態(tài)下連續(xù)運(yùn)行，振動速度最大達(dá)到14.3 mm/s。此時(shí)，泵發(fā)生汽蝕，振動值超標(biāo)且大幅波動。

根據(jù)國標(biāo)《機(jī)械振動 在非旋轉(zhuǎn)部件上測量評價(jià)機(jī)器的振動第7部分 工業(yè)應(yīng)用的旋轉(zhuǎn)動力泵（包括旋轉(zhuǎn)軸測量）》（GB/T 6075.7—2015）[3]中附錄A表A.1振動評價(jià)區(qū)域限值的規(guī)定可知，該設(shè)備在停機(jī)過程中，電機(jī)振動已超標(biāo)；當(dāng)其振動速度達(dá)到最大值14.3 mm/s時(shí)，已經(jīng)嚴(yán)重超標(biāo)。根據(jù)頻譜，判斷振動速度超標(biāo)是由電機(jī)底腳松動導(dǎo)致的。

4 測試工況分析結(jié)果

2#循環(huán)水泵分析結(jié)果見表4。

表4 2#循環(huán)水泵分析結(jié)果

分析小結(jié)：1）啟泵運(yùn)行時(shí)，爐水溫度變化使泵進(jìn)出口壓力波動，在頻譜中顯示泵有汽蝕，同時(shí)泵振動速度嚴(yán)重超標(biāo)，最大達(dá)到14.3 mm/s。當(dāng)電機(jī)振動速度為7 mm/s時(shí)即已超標(biāo)，各種因素疊加，導(dǎo)致泵的軸承損壞加速。2）在2#循環(huán)水泵停機(jī)和啟機(jī)過程中，流量在2 100~2 500 m3/h，而泵的額定流量為2 000 m3/h，因此此時(shí)泵處于在偏大流量的工況下運(yùn)行，這也是引起振動的原因之一。3）停泵后檢查泵與電機(jī)的對中情況，軸承徑向上下偏差為±0.40 mm，左右偏差為±0.32 mm，軸向上下偏差為±0.12 mm，左右偏差為±0.18 mm，泵與電機(jī)的對中偏差超標(biāo)，這也會導(dǎo)致振動速度嚴(yán)重超標(biāo)。尤其是考慮到該泵是在偏大流量下運(yùn)行，軸承負(fù)載增大，在此狀態(tài)下連續(xù)運(yùn)行72 h后，軸承損壞。4）泵與電機(jī)在不對中的情況下啟機(jī)運(yùn)行，在運(yùn)行48 h后潤滑油變黑，包絡(luò)譜顯示振動加速度增大至1.032 m/s2；在運(yùn)行72 h后，包絡(luò)譜顯示振動加速度增大至2.2 m/s2。現(xiàn)場噪音很尖銳，軸承已損壞，繼續(xù)運(yùn)行有導(dǎo)致口環(huán)研磨、機(jī)封損壞的風(fēng)險(xiǎn)。5）由于泵啟、停運(yùn)行工況比較特殊，介質(zhì)溫度在30～270℃變化，導(dǎo)致系統(tǒng)中管路應(yīng)力的變化大，也可能會導(dǎo)致泵與電機(jī)對中偏差超標(biāo)。

5 解決措施及建議

當(dāng)工況不發(fā)生變化時(shí)，泵長時(shí)間運(yùn)行狀態(tài)良好。在檢修時(shí)，鍋爐降溫、升溫過程長，溫度和壓力的大幅波動使泵振動加劇，從而導(dǎo)致軸承迅速損壞。然而此啟、停機(jī)操作下的特殊工況無法改變，因此亟需解決泵的振動問題。根據(jù)上述分析結(jié)果，提出以下建議：1）在操作方面，要解決電機(jī)軟腳導(dǎo)致的泵振動問題，應(yīng)及時(shí)為電機(jī)找正、墊實(shí)，并給予足夠預(yù)緊力以避免電機(jī)振動傳導(dǎo)至泵體，使泵振動隨之增大。平時(shí)應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測，在啟泵時(shí)檢查泵與電機(jī)的對中情況；在允許范圍內(nèi)，啟泵運(yùn)行時(shí)汽包加水應(yīng)保證爐水溫度不出現(xiàn)大幅波動，以避免造成泵發(fā)生汽蝕和振動速度增大的情況。2）檢查泵進(jìn)出口，保證各分量負(fù)荷及管路對泵施加的額外應(yīng)力均在設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi)。3）若管路應(yīng)力影響無法消除，可考慮在設(shè)備底座進(jìn)行適當(dāng)加固或改進(jìn)。但此方案只是就此故障現(xiàn)象制定的對策，并非從根源解決問題，只能在一定程度上減小管路系統(tǒng)熱應(yīng)力對泵與電機(jī)對中的影響。4）余熱鍋爐水系統(tǒng)和循環(huán)水泵的設(shè)計(jì)需匹配，避免泵長期處于偏離額定工況下運(yùn)行。