熱網(wǎng)循環(huán)泵振動問題的分析及處理

文/馬忠南 叢述廣 肖永國 孔曉明

熱網(wǎng)循環(huán)泵振動高的原因分析及解決方案——針對某熱電廠多臺熱網(wǎng)循環(huán)泵在并聯(lián)運行期間，其中一臺工頻泵振動異常的問題，利用離線振動數(shù)據(jù)采集設(shè)備，通過調(diào)節(jié)出口門在不同開度的方式下，并結(jié)合循環(huán)水流量、循環(huán)水泵出入口壓力等運行參數(shù)，進行水泵振動測量、分析和解決的過程。通過振動數(shù)據(jù)采集、水泵性能工況分析、軸功率分析和出口門節(jié)流分析等手段，發(fā)現(xiàn)熱網(wǎng)循環(huán)泵振動異常的原因是葉片通過頻率高導(dǎo)致的，并且確定了引起葉片通過頻率高的原因是工頻控制方式的熱網(wǎng)循環(huán)泵實際揚程偏低，而流量大幅超過額定流量。最終結(jié)果表明，此方法能夠有效地進行振動分析并確定熱網(wǎng)循環(huán)泵振動高的原因，繼而采取有針對性的手段解決此問題，具有很好的實用價值。

在火力發(fā)電廠離心泵運行過程中，由于水泵實際運行揚程和流量偏離性能工況點，或者葉輪安裝間隙超差、軸承潤滑不良等各種因素，都會導(dǎo)致離心泵異常振動情況的發(fā)生。本文主要討論的是某燃煤熱電廠，在多臺熱網(wǎng)循環(huán)泵并聯(lián)運行的過程中，其中一臺工頻泵，由于實際運行揚程偏低，而流量大幅超過額定流量，引起離心泵葉片通過頻率異常、振動值超標(biāo)的問題。通過利用離線振動數(shù)據(jù)采集設(shè)備，合理限制泵出口門在不同開度的方式下，分析水泵振動頻譜圖、波形解調(diào)圖和水泵軸功率等數(shù)據(jù)，進行水泵振動原因鎖定和故障消除。旨在通過分享此分析過程及處理方法，對同類型設(shè)備故障診斷提供一定的借鑒參考。

系統(tǒng)概述及設(shè)備簡介

熱網(wǎng)系統(tǒng)概述

某新建電廠分一、二期建設(shè)，一期建設(shè)2×50 MW背壓機組，二期建設(shè)2×350 MW抽凝機組，配套建設(shè)熱網(wǎng)首站。本熱網(wǎng)首站分兩期建設(shè)，一期配置2臺熱網(wǎng)循環(huán)泵和2臺熱網(wǎng)加熱器，熱網(wǎng)循環(huán)泵電動機為變頻控制方式，并且預(yù)留出二期2臺熱網(wǎng)循環(huán)泵和2臺熱網(wǎng)加熱器的安裝位置。4臺熱網(wǎng)循環(huán)泵及4臺熱網(wǎng)加熱器的系統(tǒng)采用母管制布置方式，即熱網(wǎng)循環(huán)泵入口連接熱網(wǎng)循環(huán)水回水母管，熱網(wǎng)循環(huán)泵出口連接熱網(wǎng)加熱器供水母管，熱網(wǎng)加熱器出口連接熱網(wǎng)循環(huán)水供水母管。4臺熱網(wǎng)加熱器布置在首站6 m層，4臺熱網(wǎng)循環(huán)泵布置在首站0 m層。

本采暖供熱聯(lián)網(wǎng)工程管網(wǎng)供水溫度設(shè)計為120℃，其汽化壓力為10 m H2O，并留有3～5 m H2O的富裕壓力。若將熱電廠處的相對標(biāo)高定為0 m，計算出熱水管網(wǎng)最不利環(huán)路的最高點相對標(biāo)高為55 m。因此，為保證在循環(huán)水泵停止工作時管網(wǎng)最高點的水不會汽化，并有5 m H2O的富裕壓頭，靜壓線應(yīng)大于10+55+5=70 m，取靜壓線為70 m。另外，為保證整個管網(wǎng)運行回水壓力不小于30 m H2O，并且考慮外網(wǎng)流量等波動情況，因此，外網(wǎng)起供壓力設(shè)置為1.18 MPa。

熱網(wǎng)循環(huán)泵設(shè)備簡介

一、二期熱網(wǎng)循環(huán)泵采用的水泵型式均為：臥式水平中開雙吸單級離心泵，型號：SM400-720，額 定 流 量：3 545 t/h，最 大 流 量：3 900 t/h，額 定揚程：130 m H2O，額定軸功率：1 396.7 kW。但是，一期熱網(wǎng)循環(huán)泵電動機為變頻控制方式，電動機型號：YSPKK560-4，額定功率：1 600 kW，額定電壓：6 000 V，額定電流：182.6 A，恒轉(zhuǎn)矩頻率范圍：20～50Hz。二期熱網(wǎng)循環(huán)泵電動機為工頻控制方式，電動機型號：YSBPKK500-4，額定功率：1 600 kW，額定電壓：6 000 V，額定電流：173.9 A。

振動分析診斷

振動問題初步分析

2022年3月20日，在每月定期狀態(tài)監(jiān)測的過程中，對C熱網(wǎng)循環(huán)泵進行振動監(jiān)測。測量的通頻值見表1。

通過表1可以看出，電動機驅(qū)動端垂直、水平方向兩處測點通頻值均超過警告值2.8 mm/s，泵驅(qū)動端、非驅(qū)動端水平方向兩處測點通頻值均超過警告值4.5 mm/s，電動機非驅(qū)動端水平方向通頻值超過危急值4.5 mm/s，泵驅(qū)動端垂直、軸向和泵非驅(qū)動端垂直方向等多處測點通頻值均超過危急值7.1 mm/s。

表1 C熱網(wǎng)循環(huán)泵通頻值

結(jié)合頻譜圖分析，水泵驅(qū)動端和自由端的1X葉輪通過頻率和2X葉輪通過頻率均存在較大峰值，最大值為5.935 mm/s，如圖1所示。結(jié)合波形解調(diào)圖進一步分析，發(fā)現(xiàn)水泵驅(qū)動端和自由端的水平?jīng)_擊值在20～40g的峰值比較密集，如圖2所示。并且，泵體發(fā)出砂石通過泵的聲音，此時熱網(wǎng)循環(huán)泵的運行狀況已經(jīng)非常不好，懷疑泵存在嚴重汽蝕現(xiàn)象。

圖1 頻譜圖

圖2 波形解調(diào)圖

查看當(dāng)時C熱網(wǎng)循環(huán)泵入口壓力為0.65 MPa，入口壓力滿足所需汽蝕余量5.8 m 的要求，因此可以排除入口壓力不足導(dǎo)致的汽蝕。由于A、B熱網(wǎng)循環(huán)泵都是變頻泵，當(dāng)時運行頻率 均 為36.5 Hz，C熱網(wǎng)循環(huán)泵為工頻泵，所以懷疑是3臺泵之間流量匹配存在問題，導(dǎo)致C熱網(wǎng)循環(huán)泵超流量運行引起的汽蝕現(xiàn)象。但是，此時C熱網(wǎng)循環(huán)泵出口未設(shè)置流量變送器，無法判斷具體流量，并且當(dāng)時處于供熱季，D熱網(wǎng)循環(huán)泵故障，暫無備用泵，因而無法停運判斷。所以計劃在4月5日采暖季結(jié)束之后進行試驗，在此期間密切監(jiān)視熱網(wǎng)循環(huán)泵的振動及軸承溫度等參數(shù)。

水泵性能工況分析

在2022年4月5日8時18分機組停機后，熱網(wǎng)加熱器汽側(cè)停運，保留水側(cè)運行。當(dāng)時A、B熱網(wǎng)循環(huán)泵頻率都是36 Hz，C熱網(wǎng)循環(huán)泵電流175 A，循環(huán)水流量10 628 t/h，泵入口母管壓力0.65 MPa，A、B、C熱網(wǎng)循環(huán)泵出口壓力均為1.15 MPa。

于8時55分，將B熱網(wǎng)循環(huán)泵停運，A熱網(wǎng)循環(huán)泵運行頻率為35.3 Hz，C熱網(wǎng)循環(huán)泵電流為176 A。循環(huán)水流量穩(wěn)定后為8 748 t/h，泵入口母管壓力0.65 MPa，A、C熱網(wǎng)循環(huán)泵出口壓力均為1.05MPa。根據(jù)B熱網(wǎng)循環(huán)泵停運后的流量變化，從理論上可以推斷出，B熱網(wǎng)循環(huán)泵頻率為36Hz時，在并聯(lián)運行過程中，輸出流量為1 880 t/h。以此類推，A熱網(wǎng)循環(huán)泵頻率為36 Hz時，在并聯(lián)運行過程中，輸出流量也約為1 880 t/h。C熱網(wǎng)循環(huán)泵電流為175 A時，在并聯(lián)運行過程中，輸出流量約為6 868 t/h。但是，考慮到在3臺泵并聯(lián)運行過程中，泵出口流量之間的互相干擾，各泵出口流量會達到一個相對平衡狀態(tài)，所以C熱網(wǎng)循環(huán)泵實際輸出流量肯定要低于理論值6 868 t/h，而A、B熱網(wǎng)循環(huán)泵實際輸出流量肯定要高于理論值1 880 t/h。

9時20分，將C熱網(wǎng)循環(huán)泵停運，A熱網(wǎng)循環(huán)泵運行頻率保持35.3 Hz不變，循環(huán)水流量穩(wěn)定后為4 192 t/h，泵入口母管壓力0.65 MPa，A熱網(wǎng)循環(huán)泵出口壓力為0.95 MPa。根據(jù)停運C熱網(wǎng)循環(huán)泵后的流量變化，可以證明上述推斷的正確性。因為，在A、C熱網(wǎng)循環(huán)泵并聯(lián)運行的過程中，雖然總流量為8 748 t/h，但是，工頻泵C熱網(wǎng)循環(huán)泵輸出流量肯定會高于頻率為35.3 Hz時的 A熱網(wǎng)循環(huán)泵輸出流量，不過在A熱網(wǎng)循環(huán)泵單獨運行時，不存在相互干擾的情況，所以A熱網(wǎng)循環(huán)泵出口流量會比并聯(lián)過程中有所提高。

9時21分，將A熱網(wǎng)循環(huán)泵停運，泵入口母管壓力穩(wěn)定后為0.7 MPa。泵出口母管壓力穩(wěn)定后為0.7 MPa。此時0.7 MPa即為供熱內(nèi)外網(wǎng)高度差產(chǎn)生的靜壓。

9時32分單獨起動C熱網(wǎng)循環(huán)泵，電動機電流為175 A，循環(huán)水流量穩(wěn)定后為6 563 t/h，泵入口母管壓力0.65 MPa，出口壓力1.2 MPa，此時C熱網(wǎng)循環(huán)泵實際運行揚程為55 m，而額定揚程為130 m?？梢钥闯?，實際運行揚程55 m遠低于額定揚程130 m。

根據(jù)圖3水泵的性能曲線可知，隨著流量的增加，揚程成反比不斷下降，軸功率成正比不斷增加，汽蝕余量成正比不斷增加。在水泵出口壓力穩(wěn)定在1.2 MPa時，即水泵揚程為55 m時，流量穩(wěn)定在6 563 t/h，約是額定流量的2倍?？梢耘袛喑觯贑熱網(wǎng)循環(huán)泵運行過程中，泵的實際揚程仍有75 m的余量，進而造成泵運行的過程中，水泵平衡點向大流量移動，造成流量不斷增大，最后超過額定流量值，而軸功率也隨之不斷增加。但是，在流量為6 563 t/h的工況下，水泵性能曲線未得到體現(xiàn)，如果繼續(xù)運行，在水泵實際流量過高的超過額定流量情況下，極有可能會導(dǎo)致電動機過載甚至燒毀。為設(shè)備安全起見，暫停試驗，先行計算出此工況下的軸功率。

圖3 水泵性能曲線

軸功率分析

軸功率是指在一定流量和揚程下，原動機單位時間內(nèi)給予泵軸的功。軸功率是多用在泵上的一個專業(yè)術(shù)語，即軸將動力（電動機功率）傳給做功部件（葉輪）的功率。功率值小于電動機額定功率。

泵的軸功率計算公式是：N=Q×H×r/（367×η）。其中N是軸功率，單位是kW；Q是流量，單位是m3/h；H是實際揚程，單位是m；r是介質(zhì)密度，單位是t/m3；367是常數(shù)，是一個固定值；η是水泵的效率（0.6～0.85），一般大流量時取0.85。

根據(jù)公式計算出C熱網(wǎng)循環(huán)泵流量在6563t/h時，軸功率 為：N=Q×H×r/（367×η）=6563×55×1/（367×0.85）=1 157 kW，小于水泵額定軸功率1 396.7 kW，更遠小于配套電動機功率1 600 kW，所以未造成電動機過載保護動作。

節(jié)流分析及振動診斷

由于C熱網(wǎng)循環(huán)泵為工頻控制方式，無法通過控制轉(zhuǎn)速進行流量的調(diào)節(jié)。因此，選擇通過控制出口門開度，調(diào)節(jié)流量，進而尋找到最佳的工況平衡點。

C熱網(wǎng)循環(huán)泵作為一種離心泵，采用關(guān)門起動方式，設(shè)置的起動邏輯為啟泵連鎖開出口門，所以，在出口門開度達到20%開度時，將出口電動門切換至就地，中停出口門，此時觀察循環(huán)水量為3 050 t/h，低于額定流量，因此繼續(xù)開出口門至26%，此時循環(huán)水量為4 000 t/h，在準(zhǔn)備進行振動數(shù)據(jù)采集時，發(fā)現(xiàn)循環(huán)水流量存在波動現(xiàn)象，并且持續(xù)增加到4 600 t/h。考慮外網(wǎng)循環(huán)水量比較大，所以需要時間穩(wěn)定。在穩(wěn)定后，進行第一次振動監(jiān)測。具體通頻值見表2。

表2 C熱網(wǎng)循環(huán)泵通頻值

根據(jù)表2可發(fā)現(xiàn)，各測點的通頻值均降到警告值以下的水平，可以斷定分析的方向?qū)α耍^高的運行流量雖然沒有造成電動機過載，但是對水泵葉輪通過頻率造成了嚴重的影響。進一步結(jié)合頻譜圖、波形解調(diào)圖分析來看，水泵驅(qū)動端和自由端的1X葉輪通過頻率和2X葉輪通過頻率雖然仍存在峰值，但是幅值已大幅減小，最大值僅為1.799 mm/s，并且水泵驅(qū)動端和自由端的水平?jīng)_擊值峰值均降低到30g以下，泵體也只有輕微的細沙流動聲音，泵汽蝕現(xiàn)象明顯減小。因此，在流量減小后，水泵葉輪的通過頻率峰值隨之降低，進而水泵的振動值也大幅下降。隨后，繼續(xù)關(guān)小出口門的開度至16%，此時循環(huán)水量穩(wěn)定在3 900 t/h，進行第二次振動監(jiān)測。此時具體通頻值見表3。

根據(jù)表3與表2對比可發(fā)現(xiàn)，各測點的通頻值均再次下降。結(jié)合頻譜圖、波形解調(diào)圖進一步分析來看，水泵驅(qū)動端和自由端的1X葉輪通過頻率和2X葉輪通過頻率峰值均得到了再一次減小，最大值僅為1.084 mm/s，如圖4、圖5所示。水泵驅(qū)動端和自由端的水平?jīng)_擊值峰值基本控制在12g以下，只有較少的峰值波動，并且泵體異音消失，汽蝕現(xiàn)象已消除，水泵運行狀態(tài)已經(jīng)達到優(yōu)良水平。

表3 關(guān)小出口門的開度C熱網(wǎng)循環(huán)泵通頻值

圖4 頻譜圖

圖5 波形解調(diào)圖

改進措施建議

根據(jù)上文的分析診斷，可以看出，針對C熱網(wǎng)循環(huán)泵葉片通過頻率高、振動值大的問題，解決的關(guān)鍵在于將泵出口流量和揚程控制在合適的工況點。在綜合考慮改進成本、可操作性、可靠性及難易程度后，對二期兩臺熱網(wǎng)循環(huán)泵提出以下幾種改進措施。

1.節(jié)流控制。分別在C、D熱網(wǎng)循環(huán)泵出口管道上，增加流量計，根據(jù)流量計和出口壓力表的參數(shù)，合理調(diào)整泵出口門的開度，以控制泵出口流量和揚程，將水泵控制在最佳性能工況點運行。

2.增加變頻器。將C、D熱網(wǎng)循環(huán)泵電動機增加變頻器，將工頻控制方式改為變頻控制方式，可以通過改變頻率調(diào)整轉(zhuǎn)速，進而控制揚程和流量，使熱網(wǎng)循環(huán)泵在合適的工況點運行。

3.將電動機改為小汽輪機。利用輔汽汽源，將熱網(wǎng)循環(huán)泵電動機驅(qū)動方式改為小汽輪機驅(qū)動方式?？梢酝ㄟ^改變小汽輪機的進汽量，調(diào)整熱網(wǎng)循環(huán)泵的運行轉(zhuǎn)速，進而控制揚程和流量，使熱網(wǎng)循環(huán)泵在合適的工況點運行。

4.車削葉輪。結(jié)合泵的性能曲線，通過采取車葉輪的方法，降低泵的揚程，減小余量，改變泵的額定流量，降低泵的振動。

結(jié)論

本文對熱網(wǎng)循環(huán)泵振動問題進行了分析和診斷，通過利用離線振動數(shù)據(jù)采集分析、性能工況分析、軸功率分析和節(jié)流分析等方法，發(fā)現(xiàn)引起水泵振動異常的根源為葉片通過頻率高，并確定了引起葉片通過頻率高的原因是工頻控制方式的熱網(wǎng)循環(huán)泵實際揚程偏低，而流量大幅超過額定流量，導(dǎo)致水泵實際運行工況偏離了性能曲線的工況點。并通過限制出口門開度的方法，調(diào)整泵出口流量和揚程，徹底消除了振動高的問題。并且，通過提出幾種改進措施，為消除故障提供更多的選擇。本分析診斷過程，可以為同類設(shè)備的振動診斷提供可靠性參考。