某1 000 MW 機(jī)組凝泵復(fù)雜振動故障處理

蔡文方，應(yīng)光耀，李衛(wèi)軍，馬思聰，王在華

（1.國網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，浙江 杭州，310014；2.浙江杭州意能電力技術(shù)有限公司，浙江 杭州，310014）

0 前言

凝泵是火電機(jī)組的主要輔機(jī)之一，用于將凝汽器中的凝結(jié)水輸送到除氧器中，傳統(tǒng)的定速運(yùn)行凝泵采用節(jié)流調(diào)節(jié)方式，轉(zhuǎn)速不隨負(fù)荷變化而變化，耗電量較大。為節(jié)能減排，大部分電廠幾乎都對凝泵進(jìn)行了變頻改造，即根據(jù)流量自動調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，維持水位，節(jié)能效果明顯。但改造后的凝泵在某個轉(zhuǎn)速區(qū)內(nèi)常發(fā)生振動大故障，甚至已有多起凝泵斷軸事故[1]。凝泵在運(yùn)行中振動偏大將致使泵部件產(chǎn)生交變應(yīng)力，嚴(yán)重時會使某些部件變形，甚至有疲勞斷裂的危險，直接影響水泵的安全運(yùn)行。

水泵振動的原因主要有葉輪或電機(jī)轉(zhuǎn)子質(zhì)量分布不均，聯(lián)軸器對中不良，螺栓緊力不均，殼體共振，碰摩，地腳螺栓松動，流體脈動壓力等。文中針對一臺凝泵變頻運(yùn)行中出現(xiàn)的振動問題進(jìn)行分析，通過動平衡試驗(yàn)、模態(tài)試驗(yàn)、現(xiàn)場加固、返廠維修等多種手段，分別處理了其工頻及變頻工況下的振動。

1 設(shè)備振動情況

某廠1 000 MW 機(jī)組凝結(jié)水泵電機(jī)由國外某公司生產(chǎn)，功率2 700 kW，電壓6 kV，電 流298.4 A，額定轉(zhuǎn)速1 486 r/min，重12 000 kg，為立式單空冷風(fēng)道設(shè)計，如圖1 所示。每臺機(jī)組配置有2 臺凝結(jié)水泵，正常運(yùn)行時“一運(yùn)一備”。在日常巡視過程中發(fā)現(xiàn)該凝泵電機(jī)在轉(zhuǎn)速1 200 r/min 附近（機(jī)組負(fù)荷700～800 MW），電機(jī)驅(qū)動端風(fēng)道徑向振動有明顯上升趨勢，瞬時最高振速超過12 mm/s，工頻轉(zhuǎn)速振動也有超標(biāo)現(xiàn)象。

圖1 凝泵測點(diǎn)布置圖

通過現(xiàn)場架設(shè)專業(yè)振動儀表及速度傳感器，測點(diǎn)布置如圖1 所示，測得其工頻及變頻振動數(shù)據(jù)見表1?，F(xiàn)場振動測試顯示，設(shè)備振動以1 倍頻為主，幅值相位穩(wěn)定，如圖2 所示。于是先后在電機(jī)與水泵靠背輪處加重265 g 及407 g 平衡塊，未能有效降低凝泵工頻及變頻轉(zhuǎn)速下的振動，且2次加重獲得的影響系數(shù)差別巨大，簡單的動平衡加重顯然不能實(shí)現(xiàn)減振效果。

表1 工頻及變頻振動值 mm/s

圖2 1X 振動頻譜圖

2 工頻振動處理

2.1 原因分析

該凝泵振動表現(xiàn)為工頻振動及某一變頻轉(zhuǎn)速工況下振動偏大，而穩(wěn)定工頻振動不能通過動平衡手段有效解決，且?guī)状蝿悠胶庠囼?yàn)所得影響系數(shù)前后矛盾。對風(fēng)道的振動測試發(fā)現(xiàn)，在X/Y 方向，自下而上振動逐漸增大，風(fēng)道頂端的振動達(dá)到30 mm/s，以上現(xiàn)象均為支撐剛度不足的表現(xiàn)。

對于單自由度強(qiáng)迫振動的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)：

式中，P 為周期激振力幅度；k 為彈簧剛度；p 為系統(tǒng)的固有頻率。對于一定的激振頻率ω，響應(yīng)的振幅x 與k 成反比[2]，即剛度越小，穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的振幅越大。

針對該凝泵電機(jī)結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)，凝泵電機(jī)冷卻風(fēng)道位于電機(jī)的一側(cè)，為不對稱布置，與其他電機(jī)的對稱布置明顯不同。判斷因?yàn)槔鋮s風(fēng)道的不對稱分布，凝泵的重心并非在其幾何對稱中性線上，在相同的結(jié)構(gòu)支撐下，其受力并不均勻，表現(xiàn)為冷卻風(fēng)道側(cè)支撐剛度不足，需從增加支撐提升結(jié)構(gòu)的靜剛度著手降低振動。

2.2 故障處理

根據(jù)以上分析，結(jié)合凝泵的實(shí)際結(jié)構(gòu)，決定采取增加支柱提升結(jié)構(gòu)剛度，于是在冷卻風(fēng)扇底部增加2 根支柱，支柱立于地面，頂端支撐于風(fēng)道下沿，通過安裝在支柱頂部的螺桿結(jié)構(gòu)調(diào)整支撐力，順利將1X、2X 工頻振動分別降至2.4 mm/s和2.2 mm/s，效果顯著。

在凝泵變頻工作的轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)，通過專業(yè)儀器采集發(fā)現(xiàn)當(dāng)凝泵轉(zhuǎn)速處于1 155～1 220 r/min 時，電機(jī)驅(qū)動端（1Y）振并無改善，當(dāng)轉(zhuǎn)速到達(dá)1 190 r/min 左右時，電機(jī)驅(qū)動端振動仍超過10.0 mm/s，以1 倍頻為主，而自由端振動更大，依然嚴(yán)重影響凝泵的安全運(yùn)行。振動升速波特圖如圖3 所示。

圖3 1Y 方向振動升速波特圖

3 變頻振動處理

3.1 原因分析

測試出轉(zhuǎn)速1 155～1 220 r/min 時凝泵振動存在明顯的共振峰，而凝泵轉(zhuǎn)子的設(shè)計臨界轉(zhuǎn)速為工作轉(zhuǎn)速的1.5 倍，即在2 250 r/min 左右，故該共振峰并非凝泵的臨界轉(zhuǎn)速。明顯的共振峰并非轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速，則只能來自結(jié)構(gòu)共振，即當(dāng)凝泵轉(zhuǎn)速到達(dá)特定轉(zhuǎn)速時，其工作頻率與泵組整體或某一部件的固有頻率一致，發(fā)生共振，從而引起振動在特定轉(zhuǎn)速區(qū)間異常偏大。

為驗(yàn)證以上判斷，對凝泵電機(jī)冷卻風(fēng)道進(jìn)行模態(tài)試驗(yàn)，根據(jù)其結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分為96 個測點(diǎn)，對其進(jìn)行多點(diǎn)激勵單點(diǎn)相應(yīng)的模態(tài)測試[3－4]，得出頻響函數(shù)及特征頻率的模態(tài)振型，如圖4 所示?？梢娖湓?1.25 Hz 固有頻率，換算成轉(zhuǎn)速為1 275 r/min，與凝泵升降速時振動增大的轉(zhuǎn)速區(qū)間一致，阻尼僅為0.39%，明顯在該轉(zhuǎn)速下冷卻風(fēng)道發(fā)生了結(jié)構(gòu)共振。

圖4 冷卻風(fēng)道頻響函數(shù)

值得注意的是，結(jié)構(gòu)共振不是引發(fā)振動的根本原因，而是使已有振動增強(qiáng)，結(jié)構(gòu)通過系統(tǒng)獲得的力學(xué)增益稱為放大系數(shù)（Q），其計算見式（2）。

式中，f 為激振力頻率，Hz；fn為固有頻率，Hz；ζ 為阻尼系數(shù)，是實(shí)際阻尼與臨界阻尼的比值。

由式（2）可知，放大因子不僅取決于阻尼比ζ，還取決于f/fn，在系統(tǒng)阻尼不變的情況下，激振力頻率越接近結(jié)構(gòu)的固有頻率，放大系數(shù)越大，對振動的增大效益越強(qiáng)[5－7]。

對于結(jié)構(gòu)共振問題通常從四方面考慮減振措施，一是降低激振力，當(dāng)激振力無法克服系統(tǒng)阻尼時，不具備激發(fā)結(jié)構(gòu)共振條件。該方法在故障處理案例中常被使用，即通過精細(xì)動平衡將不平衡量降至最低[8]，雖然經(jīng)共振放大，但仍保證振動在合格范圍內(nèi)即達(dá)到治理效果。

二是改變結(jié)構(gòu)的固有頻率。結(jié)構(gòu)的固有頻率與質(zhì)量和動剛度（包括部件自身的結(jié)構(gòu)剛度和部件之間的聯(lián)接剛度）有關(guān)，其計算方法見式（3）。

式中，k 為結(jié)構(gòu)剛度，N/m；m 為結(jié)構(gòu)質(zhì)量，kg。

由式（3）可知，改變剛度和質(zhì)量能改變固有頻率。為防共振可以從兩方面改變結(jié)構(gòu)的固有頻率：（1）改變剛度k；（2）改變參振質(zhì)量m，從而使機(jī)械的固有頻率避開激勵頻率對于已有的結(jié)構(gòu)，改變質(zhì)量往往不現(xiàn)實(shí)，相對而言，現(xiàn)場從改變結(jié)構(gòu)剛度入手往往具有可操作性[9]。

三是對系統(tǒng)施加足夠的阻尼，以減小放大系數(shù)，抑制振動在合格范圍內(nèi)，例如增加沙袋，現(xiàn)場可操作性不強(qiáng)。

四是改變激振力頻率，即運(yùn)行頻率避開共振區(qū)，然該方法在現(xiàn)場實(shí)際將限制設(shè)備的靈活運(yùn)行，變頻失去意義。

3.2 故障處理

3.2.1 降低激振力

通過動平衡手段盡量減小激振力，若激振力足夠小，也不會激起很大振動。于是7 月8 日，對凝泵進(jìn)行現(xiàn)場動平衡處理，在轉(zhuǎn)子對輪進(jìn)行2次加重處理，但對共振頻率下的振動值效果不明顯，反而會影響工頻振動，見表2。

表2 動平衡加重效果（先后加重242 g，225g，359g，349 g） mm/s

通過幾次動平衡試驗(yàn)結(jié)果來看，通過減小激振力的方式來降低振動成效不明顯，于是拆除平衡塊，采取以消除共振為手段的減震措施。

3.2.2 改變動剛度

在冷卻風(fēng)扇背面焊接為1 cm 厚的7 cm×7 cm交叉狀角鋼進(jìn)行加固，以改變該結(jié)構(gòu)件的固有頻率。冷卻風(fēng)扇加固完成后再次進(jìn)行模態(tài)測試，測試結(jié)果顯示其二階固有頻率為23.83 Hz，阻尼4.18%，振型沒有改變，可見冷卻風(fēng)扇的固有頻率和阻尼都有所上升（以上模態(tài)測試均為電機(jī)與冷卻風(fēng)扇未連接的情況下，單獨(dú)對冷卻風(fēng)扇進(jìn)行的測試），表明加固取得了一定效果。

凝泵電機(jī)于7 月10 日進(jìn)行單轉(zhuǎn)振動測試，當(dāng)轉(zhuǎn)速升值1 120 r/min 時，各點(diǎn)振動有較為明顯下降，成效較好，見表3，但振動值仍然偏大?，F(xiàn)場受限加重平面的影響無法完全消除轉(zhuǎn)子的不平衡量，而加固也只能在一定程度上改變其動剛度。

表3 加固前后振動共振區(qū)振動 mm/s

3.2.3 消除缺陷

凝泵返廠處理，發(fā)現(xiàn)并處理以下缺陷：

（1）電機(jī)解體重新校驗(yàn)負(fù)載端軸承內(nèi)、外圈和非負(fù)載端軸承內(nèi)、外圈配合尺寸，發(fā)現(xiàn)負(fù)載端軸承室外圈有磨損現(xiàn)象，配合間隙為+0.06～0.08 mm，超出標(biāo)準(zhǔn)，對負(fù)載端端蓋軸套內(nèi)圓面進(jìn)行金屬涂鍍處理后，配合間隙修復(fù)至+0.015～0.025 mm標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)；

（2）電機(jī)舊聯(lián)軸器螺孔表面有裂紋，更換1只；更換FAG 軸承，檢查并仔細(xì)調(diào)整電機(jī)氣隙。

（3）重新在轉(zhuǎn)子本體筋板上加滿焊3 塊配重塊，在轉(zhuǎn)子非驅(qū)動端風(fēng)扇外側(cè)加裝平衡盤，增加配重平面，高速動平衡后，將800～1 486 r/min 全轉(zhuǎn)速段振動調(diào)整至合格，最大振動在3.8 mm/s 以下。

4 結(jié)論

對非對稱風(fēng)道的變頻凝結(jié)水泵的振動進(jìn)行了分析，其故障呈現(xiàn)剛度不足、結(jié)構(gòu)共振、軸承配合間隙過大等多因素的耦合，并存在的不平衡量。基于發(fā)電廠現(xiàn)場的可操作性，故障地完全消除遵循遞進(jìn)式由簡至繁的故障處理思路。

模態(tài)測試在凝泵振動故障中的應(yīng)用，有助于迅速確定故障機(jī)理。共振和剛度低的實(shí)際處理方法有差異，提高支撐系統(tǒng)的剛度主要應(yīng)該提高靜剛度，增加支撐或支柱；改變結(jié)構(gòu)的共振特性則要從調(diào)整相應(yīng)頻率的動剛度著手。從故障處理結(jié)果看，落地支柱對改變結(jié)構(gòu)的靜剛度效果明顯，而加強(qiáng)筋等措施調(diào)整動剛度則效果有限。