大型泵站機組振動分析及技術(shù)改造

周偉豐，羅林峰，謝榮盛，錢 亨

(1.嘉興市杭嘉湖南排工程鹽官樞紐管理所(海寧河道站)，浙江 嘉興 314411；2.浙江省水利科技推廣服務(wù)中心，浙江 杭州 310012；3.浙江水利水電學(xué)院 機械與汽車工程學(xué)院，浙江 杭州 310018；4. 先進水利裝備浙江省工程研究中心，浙江 杭州 310018)

南排工程始建于20世紀70年代，是太湖治理十大骨干工程之一，歷年來已累計排放澇水約5.6×1010m3，在保障國民經(jīng)濟安全穩(wěn)定方面重要作用。鹽官排澇樞紐是嘉興市杭嘉湖南排工程主要出海排澇口之一，為大(1)型工程，原安裝3800ZXQ-50-2.8型4臺斜15°軸伸泵機組，配TDXZ2000-4/1180型2 000 kW臥式同步電動機4臺套。機組在運行中先后出現(xiàn)軸向振動超標(biāo)，電機與齒輪箱的連接端鼓齒聯(lián)軸器磨損嚴重的現(xiàn)象，在多次電機找正對中和轉(zhuǎn)子動平衡處理后，軸向振動過大仍無法解決?，F(xiàn)有大型泵站在更新改造后，泵站性能大幅提高，運行穩(wěn)定性顯著改善，充分發(fā)揮工程效益[1-3]，具有較好的指導(dǎo)意義。通過多方查找最終確立從振動源頭及振動傳遞路徑入手，深入分析振動超標(biāo)原因，并進行了相應(yīng)工程改造，有效解決了振動超標(biāo)問題。筆者結(jié)合鹽官排澇泵站機組大修改造前后分析對比，總結(jié)鹽官斜式泵站振動核心問題所在，為大型水泵機組建設(shè)安裝及日常運行管理提供參考。鹽官泵站更新改造后，主水泵及電機參數(shù)如表1和表2所示。

表1 主水泵參數(shù)

表2 主電機參數(shù)

1 鹽官泵站機組振動情況分析

1.1 改造前泵站機組振動情況

2016年6月，鹽官泵站1#和2#機組相繼出現(xiàn)振動超標(biāo)。主要表現(xiàn)在主電機滑動軸承軸向振動超標(biāo)，特別是電機與齒輪箱兩處超標(biāo)嚴重。1#泵組電機內(nèi)河側(cè)軸承軸向位移峰值達到258.12 μm，遠高于危險值80 μm，速度有效值15.21 mm/s，遠高于報警值7.1 mm/s;2#泵組電機內(nèi)河側(cè)軸承軸向位移峰值達到384.81 μm，遠高于危險值80 μm。2017年4月，4#機組也在類似部位開始出現(xiàn)振動超標(biāo)的情況。

1.2 泵站機組振動原因分析

振動是水泵機組較為常見的現(xiàn)象，究其原因，主要有機械因素、水力因素和電磁力因素[4]。水泵機組可視為多個零部件組合而成的彈性組合體，在外力驅(qū)動下不可能絕對平衡，另外在負載端受力不均如流量和壓力脈動、在輸入端受電機電磁力波動的影響，水泵機組運行過程中必然存在振動。當(dāng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)剛度阻尼不足或者振動頻率與某部件的共振頻率接近時，振動超出一定限度，對機組機械設(shè)備，甚至周圍建筑物都會帶來危害，嚴重時直接影響機組的安全運行。雖然導(dǎo)致振動發(fā)生的起因會有所不同，但各因素之間又相互聯(lián)系、相互影響。例如，當(dāng)水流作用力引起機組轉(zhuǎn)動部件發(fā)生振動時，電機定、轉(zhuǎn)子間的氣隙就會產(chǎn)生不均勻變化，而此不均衡的電磁力會進一步加劇轉(zhuǎn)動部件振動，形成惡性循環(huán)，惡化水泵機組的運行環(huán)境。合理范圍內(nèi)的振動值是允許的，當(dāng)振動幅值超標(biāo)便會威脅機組設(shè)備安全穩(wěn)定運行。

在前期通過電機檢修基本排除了電磁因素，把振動原因鎖定為水力因素及機械因素。通過增設(shè)壓力脈動傳感器及相關(guān)振動在線采集設(shè)備，聯(lián)合數(shù)值仿真計算，最終表明泵站機組振動的原因主要為水泵水力性能下降及減速器共振。水泵葉輪的磨蝕導(dǎo)致性能下降及水位波動引起水泵受力不均，波動扭矩在傳遞至電動機時引起減速器激振。通過多工況下的仿真分析發(fā)現(xiàn)軸流泵葉片扭矩波動頻率與葉頻不符，隨著工況的改變而發(fā)生變化，且隨著揚程增加、流量的減小波動幅值逐漸增加，頻率逐漸減小，幅值增加。葉片表面從光滑變成粗糙之后，性能大幅下降，不同工況下水力損失增加明顯，葉片因氣蝕形成凹坑之后性能下降幅度大于葉片減少率。齒輪箱的加速度分布在不同部位，具有很強的關(guān)聯(lián)性，加速度在齒輪之間傳遞。流道水流流態(tài)、水泵安裝高程等因素對機組運行穩(wěn)定性也很重要。

1.3 改造措施

為了保證改造后機組安全穩(wěn)定運行，從多方面入手，重點提升水泵運行環(huán)境及水泵運行性能，優(yōu)化流道結(jié)構(gòu)及現(xiàn)場安裝質(zhì)量、改善葉輪工作工況、提高加工制造質(zhì)量等一系列措施。在保留基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，對流道進行優(yōu)化，減小葉輪直徑，增加葉頂淹深，更新主電機、齒輪箱、葉輪等機電設(shè)備，增設(shè)液壓全調(diào)節(jié)機構(gòu)改善運行工況，改善運行穩(wěn)定性。

1.3.1 鹽官泵站改造對流道進行創(chuàng)新優(yōu)化設(shè)計

對流道出口分隔墩進行延長，采用C30W4 F100混凝土進行澆筑，對左、右出口流道采用壁厚20 mm的16MnR鋼板進行全斷面內(nèi)襯，進、出水流道均做優(yōu)化處理。進水流道部分除進水流道底板不做調(diào)整外，進水流道與進水底座連接段的混凝土流道根據(jù)優(yōu)化流道型線尺寸進行鑿除重新澆筑處理，進水底座等埋設(shè)部件鑿除全新更換。出水流道部分：除了出水流道混凝土底板不做調(diào)整外，出水彎管段以及后續(xù)埋設(shè)的彎管段鑿除全新更換，出水流道頂板鑿除后根據(jù)優(yōu)化流道型線尺寸重新澆筑。解決左右兩孔偏流的問題，CFD計算顯示進出水流道流態(tài)及泵裝置性能有所改善，鹽官泵站改造三維流場數(shù)值計算研究成果見表3。

表3 流道數(shù)值計算結(jié)果

1.3.2 降低水泵安裝高度

泵組葉輪直徑由原來的3.8 m減小到3.65 m，同時可以降低水泵安裝高程0.25 m。因此改造后水泵安裝高程降低到-2.09 m，使水泵的葉輪頂點淹沒深度相應(yīng)地增加0.25 m，進一步有利于汽蝕性能。水泵安裝高程直接關(guān)系到水泵在整個揚程范圍內(nèi)能否安全穩(wěn)定運行。

1.3.3 改善水泵核心部件材質(zhì)，提高加工質(zhì)量

為了適應(yīng)高揚程工況下泵組的正常運行，需要采用比轉(zhuǎn)速較低，適合于較高揚程運行的水力模型，重新制造水泵葉輪。葉片材質(zhì)為不銹鋼，采用數(shù)控加工工藝，保證葉片型線、表面波浪度、粗糙度及各葉片重量差等重要質(zhì)量指標(biāo)，從而提高水泵的水力性能、運行穩(wěn)定性及延長使用壽命。

1.3.4 增設(shè)液壓全調(diào)節(jié)機構(gòu)，確保水泵較好工況運行

本泵站揚程范圍為0.3～6.41 m，設(shè)計揚程Hsj=2.97 m，Hmax/Hsj=2.16。泵站揚程范圍大，且最高揚程與設(shè)計揚程的比值較大，設(shè)置水泵葉片調(diào)節(jié)機構(gòu)可以在高揚程時減小葉片角度，降低水泵軸功率，進而降低電動機額定功率。另外,葉片調(diào)節(jié)機構(gòu)可以改善泵組的運行工況，如發(fā)現(xiàn)某臺泵組的壓力脈動等增高，超過報警值，說明此時水泵工作狀態(tài)變差，便可通過液壓全調(diào)對該水泵進行槳葉調(diào)節(jié)。

1.4 泵站改造后機組運行穩(wěn)定性分析

1.4.1 改造后機組水力性能分析

通過系列綜合改造后，模型實驗結(jié)果表明，在葉片角度分別為-8°，-6°，-4°，-2°，0°，+2°時，泵裝置最高效率分別為 75.72%,76.17%,75.97%,75.79%,75.53%,75.14%。通過增加轉(zhuǎn)速，不僅使得裝置的高效區(qū)域變寬，同時增加淹沒深度，鹽官斜式軸流泵裝置水力性能在多工況下均有較大性能提升[7-8]，實際運行狀態(tài)下各項指標(biāo)均優(yōu)于改造前，改造成效顯著。

1.4.2 改造后機組振動情況分析

鹽官泵站更新改造后對主機組安裝了在線振動監(jiān)測系統(tǒng)，主要振動測點布置如圖1所示。

圖1 泵站機組在線振動監(jiān)測測點布置圖

根據(jù)對4臺水泵機組2021年7月—2022年3月運行期間各主要振動測點振動趨勢分析，發(fā)現(xiàn)泵站機組運行時振動點的振動幅值較低，各項振動均降低至安全閥值以下；各部件各測點頻譜表現(xiàn)特征頻率均符合機組結(jié)構(gòu)特點，無其他異常擾頻成分，機組葉輪及其他部件未表現(xiàn)有明顯損傷的跡象；運行噪聲也很大程度降低，現(xiàn)場測定泵組運行最大噪音為84 dB，最低噪音為80 dB，機組整體運行穩(wěn)定性良好。自泵站更新改造運行以來，泵站在2020年超長梅汛和2021年“煙花”臺汛中發(fā)揮了重要的作用。以1#機組為例進行了振動數(shù)據(jù)統(tǒng)計，主要代表性測點改造前后數(shù)據(jù)對比見表4，可見振動改善明顯。

表4 1#機組振動數(shù)據(jù)

3 泵站機組振動防范應(yīng)對措施

3.1 嚴格把控制造、安裝質(zhì)量

水泵的葉輪過流表面粗糙度、主要部件實際尺寸與設(shè)計尺寸的允許偏差等應(yīng)符合規(guī)范要求，間隙配合情況符合設(shè)計要求，同一個輪轂上所有葉片的安放角應(yīng)一致。電動機定子與轉(zhuǎn)子之間的空隙間隙值符合要求，振動數(shù)值符合有關(guān)標(biāo)準。對于采用新模型的主水泵出廠前宜進行不少于1臺真機測試，測試項目應(yīng)包括水泵裝配及調(diào)節(jié)情況、流量、揚程、轉(zhuǎn)速、軸功率、效率、氣蝕余量、振動、噪聲和溫度等參數(shù)，測試結(jié)果應(yīng)符合設(shè)計要求。

水泵主軸與齒輪箱、齒輪箱與電動機聯(lián)軸器同心同軸度應(yīng)嚴格符合安裝允許偏差，水導(dǎo)軸承、推力組合軸承、電動機軸承等主要支撐軸承安裝應(yīng)嚴格把關(guān)。軸承座的安裝應(yīng)按機組固定部件的實際中心調(diào)整軸孔的中心外，軸孔中心高程還應(yīng)將機組運行時主軸撓度和軸承座支撐變形值及由于潤滑油膜的形成引起的主軸徑向位移值計算在內(nèi)。在需要加墊調(diào)整軸承座時，所加墊片不應(yīng)超過3片，且墊片應(yīng)穿過基礎(chǔ)螺栓。

3.2 合理使用運行工況

盡量避免在進水池水位低于最低運行水位下運行，以防氣蝕產(chǎn)生振動。利用液壓全調(diào)節(jié)葉片裝置，根據(jù)水泵裝置揚程變化改變?nèi)~片安裝角度。實際操作使用時根據(jù)具體情況可采用水位揚程模式，必要時按照裝置性能曲線或經(jīng)驗，手動模式調(diào)節(jié)葉片，以避免水泵在馬鞍區(qū)運行產(chǎn)生振動，使水泵在高效區(qū)運行。遇出水池口門淤積嚴重時，應(yīng)清淤保持流道暢通，避免啟動時功率大、振動大甚至引起啟泵失敗。運行時應(yīng)注意及時清理進水池攔污柵雜物，以免引起空蝕振動。

3.3 及時規(guī)范運行維護

加強維護管理，對機組軸線對稱中精度定期檢測，對水泵葉片間隙、導(dǎo)軸承間隙定期測量，對緊固件檢查緊固，對軸承、聯(lián)軸器定期進行潤滑保養(yǎng)使設(shè)備處于良好狀態(tài)[2]。利用在線監(jiān)測結(jié)合人工巡查加強對機組運行狀態(tài)的監(jiān)測，人工巡查關(guān)注如葉輪外殼、電動機、齒輪箱、推力組合軸承處等核心部位振動、異響，可以彌補在線監(jiān)測時測振點布置不全及損化、報警值設(shè)置不當(dāng)、傳感器失靈、監(jiān)測裝置精度等問題。在線監(jiān)測通過實時監(jiān)測機組運行狀態(tài)，開展機組故障診斷分析，可以有效地解決傳統(tǒng)故障診斷和維修中存在的問題，通過以上措施[3]，提高診斷的準確性和及時性。

4 結(jié) 語

近幾年，浙江省大力加強維護管理大型泵站，特別是隨著泵站功能的提升拓寬、由單一防洪排澇升級為排澇、引調(diào)水改善生態(tài)環(huán)境等，泵站的使用時間大大增加，同時也對泵站的安全穩(wěn)定性提出了更高要求。泵站機組在運行期間出現(xiàn)振動現(xiàn)象，輕則影響相關(guān)構(gòu)件使用壽命，重則影響工程運行安全，筆者通過鹽官排澇泵站機組大修改造前后分析對比，提出改造措施，降低振動成效明顯，建議在水泵制造安裝、運行維護中采取防范振動應(yīng)對措施，為大型水泵機組建設(shè)安裝及日常運行管理提供參考。