化肥廠循環(huán)水泵振動問題的分析及處理

李佳朋

（中國石油大慶石化公司化肥廠，黑龍江大慶 163000）

0 引言

化肥廠離心泵在使用時，可能會因為泵的實際工作揚程、流量與工作狀態(tài)值偏差或葉輪間隙超差、軸承潤滑不良等原因而產(chǎn)生振動故障。本文針對化肥廠熱網(wǎng)多個循環(huán)泵并聯(lián)時，一臺工率水泵的實際工作揚程較小，當(dāng)流量大大超出額定流速時會造成離心泵葉輪通過頻率異常、振動值超出標(biāo)準(zhǔn)。采用離線振動數(shù)據(jù)收集裝置，對泵的各種開啟模式進(jìn)行適當(dāng)限定，分析、研究水泵的振動頻譜圖、波形解調(diào)圖以及泵軸力，從而對振動故障進(jìn)行定位和排除。

1 系統(tǒng)概述及設(shè)備簡介

1.1 熱網(wǎng)系統(tǒng)概述

熱網(wǎng)泵站包括4 個熱網(wǎng)循環(huán)泵其中熱網(wǎng)循環(huán)泵A、B 采用的是變頻式泵，C、D 采用的是工頻泵，4 個熱網(wǎng)循環(huán)泵管網(wǎng)結(jié)構(gòu)為一條母管布局。其中，熱網(wǎng)循環(huán)泵進(jìn)流口與熱網(wǎng)循環(huán)水母管相連通，熱網(wǎng)循環(huán)泵排出端與熱網(wǎng)換熱器給水總管相連，熱網(wǎng)循環(huán)水與熱網(wǎng)換熱器的出口處相連。

該集中供暖網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的給水系統(tǒng)設(shè)計為120 ℃，蒸汽壓10 m（H2O），剩余3～5 m（H2O）富壓。如果將熱網(wǎng)的相對標(biāo)高設(shè)為0 m，則可得出供熱系統(tǒng)中最不利回路的最高高度為55 m。這樣，為確保循環(huán)泵停機時管道頂上的水位不會蒸發(fā)，且存在5 m（H2O）的富壓，靜壓線應(yīng)超過70 m（10 m+55 m+5 m），因而采用70 m 的靜壓力。此外，為確保系統(tǒng)的總回水壓不低于30 m（H2O），同時還要兼顧外部網(wǎng)絡(luò)的流速等因素，將外部網(wǎng)絡(luò)的啟動壓設(shè)定為1.18 MPa。

1.2 熱網(wǎng)循環(huán)泵設(shè)備

熱網(wǎng)循環(huán)泵的型號是SM400-720，流量3550 t/h（最大3920 t/h），定揚程130 m（H2O），軸功率1397 kW。然而，熱網(wǎng)式循環(huán)泵電機采用變頻器控制，電機型號為YSPKK560-4，額定功率1600 kW，額定電壓為6 kV，額定電流182.8 A，恒力矩頻率為20～50 Hz。其余2 臺熱網(wǎng)式循環(huán)泵電機采用的是工頻電機，型號為YSBPKK500-4，額定功率1600 kW，額定電壓6 kV，額定電流174 A。

1.3 振動分析診斷

在每年例行的月度狀態(tài)監(jiān)控中，對變頻熱網(wǎng)式循環(huán)水泵進(jìn)行振動檢測，測得的信號頻率情況見表1。

表1 C 熱網(wǎng)循環(huán)泵月度狀態(tài)監(jiān)控的通頻值 mm/s

由表1 可知，電機驅(qū)動端垂直方向和水平方向的測量點通頻都大于警戒線2.7 mm/s，泵驅(qū)動端和非驅(qū)動端水平方向的測量點通頻大于警戒數(shù)值4.4 mm/s，而在非驅(qū)動端非驅(qū)動端水平方向的信號通頻大于危險值4.4 mm/s，在泵驅(qū)動端垂直方向、軸向方向和泵非驅(qū)動端垂直方向上的信號通頻率均在7.0 mm/s 以上。

從頻譜分析可以看出，1X 葉片在泵的傳動和自由端的流經(jīng)和2X 葉片的流經(jīng)次數(shù)都有很大的變化，最高達(dá)到了5.935 mm/s。對抽油機的波形解調(diào)曲線進(jìn)行分析，結(jié)果表明：在20～40 g，泵的主動和自由側(cè)的橫向沖擊力最大（圖1）。而且，泵身還能聽到沙粒穿過水泵的聲響，這時的熱網(wǎng)式循環(huán)泵工作狀態(tài)很差，產(chǎn)生大量的噪聲和振動，氣蝕現(xiàn)象是由于水中壓力不均產(chǎn)生的氣泡炸裂，所以經(jīng)常會聽到金屬撞擊的聲音，嚴(yán)重時甚至?xí)l(fā)出爆炸聲。

圖1 頻譜圖

檢查C 熱網(wǎng)式循環(huán)泵進(jìn)口壓力為0.65 MPa，進(jìn)氣口壓力達(dá)到5.8 m 所需要的氣蝕量，從而可以消除由進(jìn)口壓差引起的空化。因為A、B 兩個熱網(wǎng)循環(huán)泵是變頻器控制，工作頻率為36.5 Hz，C 熱網(wǎng)式循環(huán)泵又是一種工業(yè)全速泵，因此C 熱網(wǎng)式循環(huán)泵因為3 個水泵的流量不一致，造成C 熱網(wǎng)式循環(huán)泵的流體在液體中機械振動使其內(nèi)部壓強發(fā)生變化，當(dāng)壓力降低時候流體內(nèi)部或者在一些界面上會出現(xiàn)結(jié)構(gòu)斷裂從而形成空腔。然而，由于C 熱網(wǎng)式循環(huán)泵的出口沒有安裝流量計，所以不能準(zhǔn)確地判定其流量，而且那時正值供暖季節(jié)；D 熱網(wǎng)循環(huán)泵出現(xiàn)了問題，暫時沒有后備水泵，因此不能進(jìn)行判定。因此，計劃在供暖季節(jié)末進(jìn)行實驗，在這段時間內(nèi)對熱網(wǎng)循環(huán)泵進(jìn)行監(jiān)測，包括振動情況和軸承的溫度。

2 振動問題分析

2.1 循環(huán)水泵的工作狀態(tài)

（1）2022 年4 月5 日8:18，在供熱系統(tǒng)關(guān)閉后，關(guān)閉供熱系統(tǒng)蒸汽、只留水運行。A、B 熱網(wǎng)循環(huán)泵的運行頻率分別為36 Hz，C 熱網(wǎng)循環(huán)泵運行電流175 A、循環(huán)流量10 629 t/h、0.65 MPa 的泵進(jìn)總管的壓力，A、B、C 熱網(wǎng)循環(huán)泵的輸出壓力分別為1.15 MPa。

（2）8:55，B 熱網(wǎng)式循環(huán)泵停止工作，A 熱網(wǎng)式循環(huán)泵的工作頻率為35.4 Hz，C 熱網(wǎng)式循環(huán)泵的運行電流為176 A。在循環(huán)流量達(dá)到8748 t/h 時，水泵進(jìn)口主管道的壓力為0.65 MPa，A、C 熱網(wǎng)循環(huán)泵的輸出壓力分別為1.05 MPa。通過B 熱網(wǎng)式循環(huán)泵停止運轉(zhuǎn)后的流量的改變，可以推導(dǎo)出B 熱網(wǎng)式循環(huán)泵在36 Hz的并聯(lián)工況下輸出速度為1880 t/h。這樣，在36 Hz 的情況下，A熱網(wǎng)絡(luò)循環(huán)泵在并聯(lián)操作期間的出水量約為1880 t/h；在175 A的情況下，C 熱網(wǎng)絡(luò)的循環(huán)泵在并聯(lián)工況下的出水量約為6868 t/h。然而，在3 個水泵并聯(lián)運行時，各個水泵的出水量處于一個較好的均衡，因此C 熱網(wǎng)的循環(huán)水泵的出水量要比理論值（6868 t/h）小，A、B 熱網(wǎng)的實際出水量要比理論值（1880 t/h）大得多。

（3）9:20，C 熱網(wǎng)式循環(huán)泵停止運轉(zhuǎn)，A熱網(wǎng)式循環(huán)泵的工作頻率維持35.3 Hz，循環(huán)流量達(dá)到4192 t/h，泵進(jìn)氣口主管道壓力為0.65 MPa，A 熱網(wǎng)式循環(huán)泵的輸出壓力為0.95 MPa。從C 熱網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的循環(huán)泵停止運行后，其流量的改變可以驗證以上結(jié)論。由于在A 和C 熱網(wǎng)循環(huán)泵并行操作期間，盡管總流速為8748 t/h，但在頻率為35.3 Hz 的工況下，熱網(wǎng)循環(huán)泵的輸出流一定要大于A 熱網(wǎng)循環(huán)泵的出水量，但A 熱網(wǎng)循環(huán)水泵獨立工作時兩者之間沒有任何的影響，因此A 熱網(wǎng)循環(huán)泵的出口流速要比并聯(lián)時更大。

（4）9:21，關(guān)掉A 熱網(wǎng)循環(huán)泵，在進(jìn)入主管處的壓力達(dá)到0.7 MPa。在經(jīng)過穩(wěn)壓后，水泵出口處的主管壓達(dá)到0.7 MPa。這時，0.7 MPa 是由供暖系統(tǒng)內(nèi)部和外部網(wǎng)絡(luò)的高度差異引起的靜壓力。

（5）9:32，C 熱網(wǎng)式循環(huán)泵被分開啟動，電機電流175 A，在循環(huán)流量達(dá)到6563 t/h 后，泵主管的進(jìn)口壓力和輸出的壓力分別為0.65 MPa 和1.2 MPa，這時C 熱網(wǎng)循環(huán)泵的工作范圍是55 m，而額定揚程是130 m。從圖1 中可以看到，55 m 的揚程比標(biāo)稱的130 m 要小得多。

當(dāng)流速增大時，泵的揚程成反比例減小，而軸功率則呈線性增大；空化剩余部分成比例增大。當(dāng)泵的出液面壓達(dá)到1.2 MPa，也就是水泵本身可以揚水的高度55 m 時，其流速達(dá)到6563 t/h，相當(dāng)于額定的2 倍左右。結(jié)果表明，C 熱網(wǎng)式循環(huán)泵在運行時，其實際揚程為75 m，由于泵站的平衡位置會朝較大的方向運動，導(dǎo)致流量持續(xù)增加；最終達(dá)到額定的流量，同時在一定流量和揚程下，原動機單位時間內(nèi)給予泵軸的功也在繼續(xù)增大。而在6563 t/h 時，沒有反映出泵的工作特性，如果持續(xù)運轉(zhuǎn)則會出現(xiàn)超出額定的流量，造成電機超負(fù)荷運行甚至燒壞的情況。為了設(shè)備的安全性，在該工作狀態(tài)下首先應(yīng)進(jìn)行軸動力的估算。

2.2 軸功率計算

軸功率是在某一特定的流速和高度下，對泵的運行進(jìn)行單位周期的工作。軸功率是一個專門的名詞，通常用于泵，也就是軸向作功元件（葉輪）傳遞電力，該電源的容量低于電機的標(biāo)稱。

水泵的軸力N 為：

式中 N——軸力，kW

Q——流量，m3/h

H——真實揚程，m

r——媒介濃度，t/m3

θ——泵的工作效能（0.6～0.85），通常為0.85

對C 熱網(wǎng)泵的軸力進(jìn)行分析，得出6563 t/h 的C 熱網(wǎng)泵的軸功為6563×55×1/（367×0.85）=1157 kW，小于泵的額定軸功率1396.7 kW，更遠(yuǎn)低于相應(yīng)電機的過載保護(hù)動作。

2.3 節(jié)流和振動的診斷

C 熱網(wǎng)循環(huán)泵采用的是一種工作頻率的控制，不能用來調(diào)整流量。所以，可以通過調(diào)整排氣閥的開啟，調(diào)整排氣量，從而找到最優(yōu)的工作平衡。它是一類具有關(guān)閉啟動模式的離心式水泵，其啟動邏輯是開啟式的，因此當(dāng)出口門打開程度為20%的時候，將排氣閥開關(guān)到原位、中間閥關(guān)閉，這時循環(huán)水流量為3050 t/h、小于額定流量。出口門打開到28%時循環(huán)水量為4000 t/h，當(dāng)要收集振動數(shù)據(jù)的時候，發(fā)現(xiàn)循環(huán)水的流量出現(xiàn)不穩(wěn)定的變化，而且一直上升至4600 t/h。由于外部網(wǎng)絡(luò)的回用水較多，因此要采取穩(wěn)定措施。試驗結(jié)束后進(jìn)行首次的振動監(jiān)控，特定的頻率值如表2 所示。

表2 試驗結(jié)束后首次監(jiān)控的泵通頻值 mm/s

由表2 可知，各個測量點處的信號頻率都下降到警示值之下，說明了解析的正確性，盡管運轉(zhuǎn)速度過高，并未引起電機過負(fù)荷，然而會對泵的葉輪運行產(chǎn)生很大干擾。再將頻譜圖和波形解調(diào)圖進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)泵的傳動和自由側(cè)1X 葉片和2X 葉片的流經(jīng)頻率仍然有峰值，但幅度已經(jīng)明顯下降，最大值為1.799 mm/s，而泵的驅(qū)動力和自由端部的橫向沖擊力值均低于30 g，泵體內(nèi)也只有細(xì)微的砂流聲，泵的空化問題明顯減少。因此，隨著泵的流速減少，泵的流量也相應(yīng)變低，泵的振幅也明顯下降。接著將小孔閘門的開啟狀態(tài)持續(xù)關(guān)閉至16%，當(dāng)循環(huán)流量達(dá)到3900 t/h時再次進(jìn)行振動監(jiān)控，具體傳輸數(shù)值如表3 所示。

表3 關(guān)小出口閘門開度后泵的通頻值 mm/s

從表3 和表2 可以看出，每個測量點的頻率都有一個降低。并將頻譜圖和波形圖進(jìn)行了進(jìn)一步的解析，發(fā)現(xiàn)在泵的驅(qū)動和自由端1X 葉片的流經(jīng)和2X 葉片的流經(jīng)頻峰都被再次降低，最大值只有1.084 mm/s。抽油機的主動和自由側(cè)的橫向沖擊值均小于12 g，僅出現(xiàn)極小的振蕩，泵體異聲和空化現(xiàn)象均被去除；該系統(tǒng)的工作條件是良好的。

3 改善方案

從以上分析和診斷可知，C 熱網(wǎng)式循環(huán)泵的葉片通過頻率高、振動值大，其關(guān)鍵是要把水泵的揚程和流速保持在適當(dāng)位置。在考慮改造成本、可操作性、可靠性和施工難度等因素的前提下，對兩套熱網(wǎng)式循環(huán)泵進(jìn)行了改進(jìn)。

（1）節(jié)流氣門。在C、D 熱網(wǎng)循環(huán)泵的出料管上分別加裝一臺流量傳感器，并依據(jù)儀表和輸出壓力表的數(shù)據(jù)，適當(dāng)調(diào)節(jié)水泵的出料開度；通過對泵的出水量及揚程進(jìn)行調(diào)節(jié)，使其達(dá)到最優(yōu)工作狀態(tài)。

（2）增加頻率轉(zhuǎn)換裝置。在C、D 熱網(wǎng)循環(huán)泵電機加裝變頻器，由原來的工作頻段改為變頻，可以根據(jù)不同的頻率調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，從而實現(xiàn)對揚程、流速的調(diào)節(jié)，保證熱網(wǎng)式循環(huán)機在適當(dāng)?shù)墓ぷ鳁l件下工作。

（3）將電機換成小型氣輪機。采用輔助蒸汽法，將熱網(wǎng)式循環(huán)泵電機的傳動模式變?yōu)樾⌒推?，這樣可以在適當(dāng)?shù)臈l件下調(diào)節(jié)熱網(wǎng)循環(huán)泵的運轉(zhuǎn)速度，從而調(diào)節(jié)其揚程和流量。

（4）車銑葉輪。根據(jù)水泵特性，采用葉片的方式使水泵的揚程下降，減少余量，并調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速、減少其振動。

4 結(jié)論

針對熱網(wǎng)循環(huán)泵的故障進(jìn)行分析與判斷，采用離線數(shù)據(jù)采集分析、工作狀態(tài)分析、軸功率分析、節(jié)流分析等分析手段，得出導(dǎo)致水泵振動的根本原因是由于葉片經(jīng)過的頻率較高，導(dǎo)致風(fēng)機運行的較高，造成泵工作狀態(tài)與工作狀態(tài)的偏差。同時，對水泵的出水率和揚程進(jìn)行控制，從根本上解決了振動高的問題。本文還給出了一些解決方案，以增加對系統(tǒng)的可靠性和可靠性。