立式凝結(jié)水泵電動機(jī)變頻時(shí)的振動問題與減振方法

郭玉杰，王曉東，高宇，葉海庭

(1.河南電力試驗(yàn)研究院，鄭州 450052；2.大唐信陽發(fā)電有限責(zé)任公司，河南 信陽 464100)

近年來，隨著變頻調(diào)速技術(shù)的日益成熟，大多數(shù)電廠把凝結(jié)水泵變頻改造作為一項(xiàng)重要的汽輪機(jī)專業(yè)節(jié)能技術(shù)措施。電廠凝結(jié)水泵的作用是將凝汽器中的凝結(jié)水輸送到除氧器中。傳統(tǒng)的凝結(jié)水泵是定速運(yùn)行，屬于節(jié)流調(diào)節(jié)方式，水泵工作轉(zhuǎn)速在1 500 r/min左右，不隨汽輪發(fā)電機(jī)組有功負(fù)荷、除氧器水位變化而變化。

凝結(jié)水泵變頻調(diào)節(jié)主要是通過降低電動機(jī)的運(yùn)行轉(zhuǎn)速，從而降低能耗達(dá)到節(jié)能效果，是變頻調(diào)速方式。其在運(yùn)行中根據(jù)汽輪發(fā)電機(jī)組的有功負(fù)荷及除氧器水位要求而改變凝結(jié)水泵的運(yùn)行轉(zhuǎn)速。某型超臨界660 MW汽輪發(fā)電機(jī)組配套的凝結(jié)水泵投產(chǎn)后變頻運(yùn)行中出現(xiàn)了比較嚴(yán)重的振動問題，表現(xiàn)在某一轉(zhuǎn)速區(qū)域振動異常增大，類似汽輪發(fā)電機(jī)組柔性轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速，導(dǎo)致無法變頻運(yùn)行。

1 振動測試分析

電廠立式凝結(jié)水泵一般布置在汽輪機(jī)房零米以下，通過聯(lián)軸器與布置在零米基礎(chǔ)上部的電動機(jī)連接，如圖1所示。依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)的有關(guān)規(guī)定，對于垂直的機(jī)器，能得到最大的振動測量讀數(shù)的位置應(yīng)作為傳感器放置的方向，因此凝結(jié)水泵振動測量位置應(yīng)靠近電動機(jī)上部軸承附近[1]。徑向振動測量方向需要互為垂直的兩個(gè)方向。

圖1 軸系簡圖

該型凝結(jié)水泵共4臺，機(jī)組每天配備2臺，一臺運(yùn)行另一臺備用，即“一運(yùn)一備”，2臺凝結(jié)水泵共用1個(gè)變頻調(diào)節(jié)器，變頻調(diào)速方式與工頻定速方式可以進(jìn)行相互切換。試運(yùn)行期間，4臺凝結(jié)水泵變頻運(yùn)行中均出現(xiàn)了不同程度的振動問題，導(dǎo)致無法變頻調(diào)速，只能工頻定速運(yùn)行。下面以其中的一臺為例進(jìn)行分析。

該型電動機(jī)的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)為：長、寬、高分別為2 448 mm×1 260 mm×2 369 mm，質(zhì)量為9 150 kg，額定功率為2 300 kW，額定電壓為6 000 V，額定電流為259 A。

該凝結(jié)水泵于2009年3月投產(chǎn)，工作轉(zhuǎn)速為1 500 r/min。2009年9月24日，對該凝結(jié)水泵進(jìn)行了振動測試，現(xiàn)場振動試驗(yàn)測量位置是電動機(jī)上部，測量方向是南北和東西方向，振動傳感器為速度傳感器。凝結(jié)水泵進(jìn)、出水管道布置在南北方向，由于管道的支撐作用力影響，一般該方向振動值通常小于另一方向沒有管道連接的振動值。

測試工況有啟動升速、降速過程。運(yùn)行方式采取變頻調(diào)速升速，升速到最高轉(zhuǎn)速1 500 r/min，手動打閘停機(jī)降速惰走。圖2為南北和東西方向的波德圖。

圖2 啟動升速、降速過程振動的波德圖

根據(jù)以上振動測試，該凝結(jié)水泵電動機(jī)振動特點(diǎn)如下：

(1)東西、南北方向軸承處振動頻率以基頻為主，無明顯低頻、高頻振動分量，振動性質(zhì)為普通強(qiáng)迫振動；

(2)啟動升速過程中，在1 100 r/min時(shí)東西方向有一個(gè)振動峰值，達(dá)到955 μm，對應(yīng)凝結(jié)水泵電動機(jī)變頻調(diào)速頻率為32 Hz，在1 100～1 200 r/min，振動峰值前后相位變化約173°；

(3)啟動升速過程中，在1 020 r/min時(shí)南北方向有一個(gè)振動峰值，達(dá)到788 μm，對應(yīng)凝結(jié)水泵電動機(jī)變頻調(diào)速頻率是37.3 Hz，在900～1 100 r/min，最大振動峰值前后相位變化約151°；

(4)東西、南北方向的振動峰值前后區(qū)域基頻振動幅值、相位具有急劇變化的特點(diǎn)，與汽輪發(fā)電機(jī)組柔性轉(zhuǎn)子的動力學(xué)振動特性類似；

(5)最高轉(zhuǎn)速1 500 r/min時(shí)，東西方向振動大于南北方向，東西方向振動值達(dá)到81 μm，兩個(gè)方向相位差為61°；

(6)對比啟動升速與降速過程中的振動數(shù)據(jù)，相同轉(zhuǎn)速下振動變化不大，兩條曲線基本重合。

2 振動故障診斷

該立式電動機(jī)振動無明顯2倍頻振動，降速過程是在切斷電源后自然降速惰走下進(jìn)行的，與啟動升速過程對比，兩條曲線基本上重合，說明電動機(jī)無熱彎曲現(xiàn)象，因此不存在定子電磁激振、動靜碰磨、氣隙不均勻、電動機(jī)發(fā)熱不均勻、轉(zhuǎn)子繞組故障等電氣方面的因素，也不存在轉(zhuǎn)子冷卻不均勻的故障[2]。

機(jī)械方面的因素主要有軸承失效、中心不正、質(zhì)量不平衡及局部松動等。結(jié)合運(yùn)行中軸承溫度、聲音和振動頻譜，基本上可以排除軸承異常問題。

由圖2可知，類似汽輪發(fā)電機(jī)組柔性轉(zhuǎn)子動力學(xué)的振動特性，主要表現(xiàn)在東西、南北方向基頻振動幅值和相位變化急劇，相位變化接近180°，分析振動原因是轉(zhuǎn)子-軸承-外殼系統(tǒng)共振。結(jié)合振動相位變化，可以確定東西方向的共振轉(zhuǎn)速為960 r/min，南北方向的共振轉(zhuǎn)速為1 140 r/min。還可確定共振放大因子，東西方向約為11.6，南北方向約為9.6，通常認(rèn)為這時(shí)系統(tǒng)阻尼處于邊緣狀態(tài)[3]。

從圖2中還可以看出，電動機(jī)在變頻工作區(qū)域中存在明顯的振動峰值，而正常設(shè)計(jì)是不允許出現(xiàn)這種情況的，因此說明該型電動機(jī)的動剛度偏低。

機(jī)械因素造成的振動原因有：(1)轉(zhuǎn)子激振力大，處理方法是動平衡；(2)支承剛度偏低，處理措施是增加支承剛度，比如常用的現(xiàn)場加固等。從工作轉(zhuǎn)速下的振動值和經(jīng)驗(yàn)上判斷，認(rèn)為該轉(zhuǎn)子激振力不大，應(yīng)從增加支承剛度上開展工作，進(jìn)行現(xiàn)場加固試驗(yàn)。

3 處理措施和效果

2009年12月，采取了現(xiàn)場加固電動機(jī)的減振方法。實(shí)施方案為：首先焊接一個(gè)固定支架，并與基礎(chǔ)埋鐵進(jìn)行焊接固定，進(jìn)行探傷檢查，確保焊縫無裂紋、夾渣、未熔合等缺陷。然后用力錘激振法測試支架的固有頻率，避免支架共振。如果支架共振會使凝結(jié)水泵電動機(jī)振動放大，因此該項(xiàng)工作十分必要。最后是采用8個(gè)螺栓同時(shí)加固，如圖3所示，對稱方向同時(shí)加力，主要是解決剛度不足或不對稱的問題。凝結(jié)水泵電動機(jī)靜止時(shí)，利用力矩扳手進(jìn)行螺栓預(yù)緊固。螺栓預(yù)緊固后，再次測量支架的固有頻率，測量結(jié)果應(yīng)明顯高于未緊固時(shí)的頻率。

圖3 電動機(jī)加固受力示意圖

設(shè)備運(yùn)行后，由于南北、東西方向剛度的不同及加固螺栓松緊度的變化，可能造成電動機(jī)振動的變化，根據(jù)設(shè)備振動狀況進(jìn)行再次緊固。

處理后振動數(shù)據(jù)見表1。可以看出，東西方向共振轉(zhuǎn)速960 r/min時(shí)，電動機(jī)上部振動值降低到78 μm。南北方向共振轉(zhuǎn)速1 140 r/min下，電動機(jī)上部振動值降低到66 μm。整個(gè)變頻運(yùn)行區(qū)域，東西、南北方向的振動值均小于78 μm，振動值處于合格范圍，可以滿足運(yùn)行要求。

振動值的計(jì)算式為

(1)

式中：P為激振力；Kd為部件的動剛度，表示部件產(chǎn)生單位振幅所需的交變力。

對比圖2和表1可以看出，電動機(jī)加固后振動幅值明顯減小。由(1)式可知，在激振力P不變時(shí)，振動幅值A(chǔ)與動剛度Kd成反比。因此，可以證明加固后動剛度得到顯著提高。

另外3臺凝結(jié)水泵也采取了相同處理方法，效果非常明顯，基本上解決了變頻運(yùn)行中的振動問題。至此，該型4臺凝結(jié)水泵均可以采取變頻調(diào)速方式運(yùn)行。

需要強(qiáng)調(diào)的是，引起立式電動機(jī)振動的因素很多，有定子電磁激振、氣隙不均勻、轉(zhuǎn)子繞組故障、質(zhì)量不平衡、軸承失效、中心偏差大、結(jié)構(gòu)共振等，對應(yīng)有不同的檢查和處理方法。

4 結(jié)論

(1)立式凝結(jié)水泵變頻運(yùn)行中，一個(gè)主要特點(diǎn)是某個(gè)方向在某個(gè)轉(zhuǎn)速下出現(xiàn)振動峰值，同時(shí)該轉(zhuǎn)速前后基頻相位也發(fā)生較大變化，東西、南北方向振動與轉(zhuǎn)速關(guān)系特性類似。振動頻率以工頻為主，振動性質(zhì)為強(qiáng)迫振動。引起立式凝結(jié)水泵變頻運(yùn)行的振動原因是轉(zhuǎn)子-軸承-外殼系統(tǒng)共振。通過現(xiàn)場加固，有效降低了立式凝結(jié)水泵變頻運(yùn)行的振動水平，可以滿足運(yùn)行要求。

(2)共振轉(zhuǎn)速前后，振動出現(xiàn)明顯峰值，相位變化接近180°。

(3)立式凝結(jié)水泵變頻運(yùn)行中的振動問題，應(yīng)引起制造廠家的高度重視，在設(shè)計(jì)階段應(yīng)考慮到此問題，在變頻運(yùn)行轉(zhuǎn)速之內(nèi)應(yīng)避免轉(zhuǎn)子-軸承-外殼系統(tǒng)產(chǎn)生共振。