超超臨界660MW機組凝結(jié)水泵變頻振動治理

李偉林，張海峰

(江蘇大唐國際呂四港發(fā)電有限責任公司，江蘇啟東226246)

凝結(jié)水泵是發(fā)電廠輔機中的重要輔機，其工作屬性是長期連續(xù)運行、流量調(diào)節(jié)范圍大、用戶廣泛。作為重要輔機，設計中為了滿足各種特殊工況需求，普遍配置裕量較大，有的甚至按實際需求一倍來設計，因此導致運行中設備廠用電率遠高于實際需求值。這就給凝泵變頻改造提供了廣闊的空間，且隨機組負荷變化，凝泵做工需求也是隨負荷變動而變動，凝泵采用變頻調(diào)節(jié)更能適應負荷變化，減少管道節(jié)流損失，是一項節(jié)能前景廣闊的實用節(jié)能項目。隨著國產(chǎn)大容量電機變頻設備制造技術(shù)的成熟，國內(nèi)絕大多數(shù)電廠都陸續(xù)進行凝結(jié)水泵變頻改造，均取得了不俗的節(jié)能效益。但在凝泵變頻改造過程中，即出現(xiàn)變頻改造后凝泵電機的低頻共振這個普遍問題，其振動主要出現(xiàn)在凝泵電機非驅(qū)動端，多數(shù)情況下頻率降到40Hz以下即出現(xiàn)，使凝泵變頻深度受限，極大影響了凝泵變頻的節(jié)能潛力。

1 實際使用問題介紹

凝泵原始設計正常轉(zhuǎn)速為1500 r/m in，經(jīng)過變頻改造后轉(zhuǎn)速可在0～1500 r/m in可調(diào)，對應頻率調(diào)節(jié)范圍0～50Hz，受限于機組運行中最小凝結(jié)水壓力的限制，頻率下限一般在30Hz，對應凝泵轉(zhuǎn)速900 r/min。凝泵配套電機設備長期運行的最低振動標準是75μm，而實際運行中發(fā)現(xiàn)變頻改造后的凝泵電機振動經(jīng)常在頻率40Hz以下振動超過80μm，降頻就導致設備振動超限，使凝泵實際可調(diào)變頻范圍僅在40～50Hz，調(diào)節(jié)深度縮小了50%，節(jié)能潛力被大幅縮水。對應600MW機組凝泵40Hz運行電流比35Hz高20～30A。主要原因是早期投產(chǎn)電廠凝泵都是工頻設計，未對變頻運行時的低頻振動問題進行過設計考慮，因此變頻改造后遇到了振動問題。

2 采取的各種應對方法

為了解決凝泵改變頻后的低頻振動，各電力生產(chǎn)企業(yè)都進行不同層面、不同方向的探索。并形成了各種處理方案，這些方案用都對解決現(xiàn)場問題產(chǎn)生了有益的促進作用，但隨之也有其局限性。

2.1 框架加固法

已知的實施電廠有江蘇揚州儀征熱電廠、河南許昌龍崗電廠。具體實施方案可繁可簡，有單“井”字、雙“井”字、牢籠式。其方案依據(jù)是凝泵低頻振動超標問題絕大多數(shù)都體現(xiàn)在凝泵電機，且全部是凝泵電機非驅(qū)動端，到目前為止還沒有凝泵本身振動大的案例。由于凝泵電機絕大多數(shù)都是直立布置，電機支撐和固定全部依靠電機驅(qū)動端機座，電機非驅(qū)動端相當于無固定裝置的最遠端，其固定依靠電機外殼的強度來保持，可能存在電機外殼強度不夠，電機非驅(qū)動端存在“甩尾”的情況。如果電機外殼真實存在強度不夠的問題，對電機外殼進行加固將能改善電機非驅(qū)動端的振動狀況。單“井”字加固方案具體實施內(nèi)容是，在2臺凝泵電機之間的吊耳處加“井”字槽鋼鎖固，利用備用凝泵的電機剛度來增加運行凝泵的電機剛度。雙“井”字加固方案具體實施內(nèi)容是，每臺凝泵電機都用“井”字槽鋼夾起來，并將槽鋼焊接在汽機0m地面基礎上。牢籠式加固方案具體實施內(nèi)容是，在雙“井”字加固方案的基礎上再增加四條支撐在凝泵坑內(nèi)斜拉支撐槽鋼。這些方案通過加固凝泵電機外殼，對凝泵變頻振動問題起到了一定的改善作用，但也給凝泵電機檢修帶來了困難，每次檢修都要先拆除鋼架，且電機吊裝空間也受到了限制。對應實施效果，目前僅在較小的熱電廠有完全效果，600MW以上級別電廠有部分效果。3種方案的示意圖如圖1—3所示（粗線部分為固定槽鋼）。

圖1 單“井”字固定法示意圖

2.2 共振回避法

圖2 雙“井”字固定法示意圖

圖3 牢籠式固定法示意圖

具體實施方案是在凝泵四級葉輪中取掉一級，降低凝泵的出力，使相同凝結(jié)水流量下凝泵的轉(zhuǎn)速上升，避開振動大的頻率區(qū)間。其實施依據(jù)是，凝泵變頻振動大的頻率區(qū)間多數(shù)是在40Hz以下，在相同凝結(jié)水流量的前提下，出力小的水泵需要更高的轉(zhuǎn)速才能達到要求的流量，通過減小水泵的出力，使相同凝結(jié)水流量下，凝泵運行在更高的頻率，從而避開振動高的頻率區(qū)間，達到滿足運行需求的前提下控制凝泵電機振動的目的。此種方案，比較適合于凝泵選型過大的機組，但對與凝泵出力裕量不太大的機組卻有很大的負作用，凝泵取消一級葉輪，降出力后由于凝泵的裕量被吃盡，特殊工況下凝泵出力不足反而導致機組帶不了滿負荷，比如高加切除工況。凝泵去掉一級葉輪的示意圖如圖4、圖5所示。

圖4 凝泵結(jié)構(gòu)圖

圖5 取掉第3級葉輪后凝泵結(jié)構(gòu)圖

2.3 流道修整加共振回避法

具體實施方案是在共振回避方案取消一級凝泵葉輪的基礎上，對剩下的三級葉輪的出口流道進行修整，通過將葉輪出口流道打磨的方法將葉輪出口葉邊前后弧面稍微減薄，打磨區(qū)域長度約為50mm，從而增加葉輪出口的擴散能力，以期改變?nèi)~輪原有的共振頻率區(qū)間，達到既不降低凝泵最大出力又治理凝泵變頻振動的雙重目標。其實施依據(jù)為凝泵是長軸系統(tǒng)，水泵葉輪在地面以下-5m，加上電機軸承，整體軸系長度超過9 m，水泵葉輪處由于埋人地下振動無法測量，僅能通過聯(lián)軸器、電機兩端間接測量。由于變頻運行單獨試轉(zhuǎn)電機時不存在共振頻率區(qū)間，因而可以推斷凝泵軸系的變頻共振發(fā)源點是水泵本身。任何轉(zhuǎn)機設備都存在臨界轉(zhuǎn)速，通過改變轉(zhuǎn)機設備結(jié)構(gòu)能改變臨界轉(zhuǎn)速區(qū)間。打磨葉輪葉片末端后，擴大了葉片出口的擴散面積，同時也間接對葉輪進行了減重，這些改變必然導致葉輪的臨界轉(zhuǎn)速區(qū)間會發(fā)生改變，從而解決特定低頻區(qū)間振動大的問題。目前此種方案是效果最好的方案，江蘇大唐國際呂四港電廠4臺機組8臺凝泵進行了相應改造，有7臺凝泵低頻共振頻率由40Hz降到了35Hz以下，解決了常見負荷區(qū)間內(nèi)的凝泵低頻振動大問題。凝泵葉輪打磨位置示意圖如圖6所示。

圖6 凝泵葉輪打磨位置示意圖

3 產(chǎn)生振動的原因分析

由于凝泵原始設計沒有考慮變頻運行，因此在生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)的質(zhì)量考核標準都是按照工頻轉(zhuǎn)速1500 r/m in把控的。一臺低頻運行振動不合格的凝泵不能說其質(zhì)量不合格，其各項指標在1500 r/m in時可能完全達標甚至是優(yōu)秀。這樣設計的凝泵，后期要改成變頻運行，并且要求各頻率段振動都達到要求，是一種苛求。要保證一臺轉(zhuǎn)機在新的轉(zhuǎn)速下長期穩(wěn)定運行，需要對轉(zhuǎn)機進行重新的設計校驗并進行相應試驗檢測，甚至做出部分修改。但現(xiàn)在進行凝泵變頻改造的時候，往往注重電氣、電機部分檢測，忽視了機務部分檢測及改造工作。有的電廠凝泵變頻改造后，凝結(jié)水泵軸系返廠檢修依然按照工頻轉(zhuǎn)速來驗收，只做1500 r/min的動平衡試驗，根本不涉及變頻運行轉(zhuǎn)速。這樣怎么可能保證水泵在低頻時運行振動合格。因此凝泵低頻共振問題，表面原因是水泵自身特性在低頻運行下振動大，實際上根本原因是改造項目的管理問題。凝泵變頻改造改的是電氣部分，但受影響的是機務轉(zhuǎn)機部分，轉(zhuǎn)速改變后機務部分沒有進行相應的設計與改造，沒有進行充分的測試與檢驗，所以帶來了變頻改造后凝泵低頻振動問題。

4 經(jīng)濟效益

按600MW級別發(fā)電機組測算，凝泵變頻深度由40Hz降到35 Hz，可降低凝結(jié)水泵運行電流平均25 A，廠用電率可降低0.01%，每小時可節(jié)電273 kW·h。按每臺泵年運行8000 h計算，則年節(jié)電分別為273×8000=218.4萬kW·h， 按上網(wǎng)電價0.43元/（kW·h）計算，則年效益分別為218.4×0.43=93.9萬元，能夠取得良好的經(jīng)濟效益。同時凝結(jié)水泵低頻振動問題解決后，使凝泵安全性提高，設備壽命延長，更能降低檢修維護費用。是經(jīng)濟性和安全性雙贏的結(jié)果。

5 結(jié)束語

凝泵低頻振動問題，是由電廠節(jié)能改造所伴生出來的新問題。各電廠都進行了不同層度的探索，其中江蘇大唐國際呂四港電廠采用流道修整加共振回避方法，取得了良好的經(jīng)濟效益，基本解決了凝泵低頻共振問題，給凝泵低頻振動治理提供了一個好的借鑒方案。同時也從中可看出轉(zhuǎn)機設備由工頻改變頻需要在方案設計、試驗驗收上對機務設備投入更多的關注。增加機務設備在不同轉(zhuǎn)速下的試驗與測試，對不同轉(zhuǎn)速進行動平衡試驗，并對發(fā)現(xiàn)問題進行處理，這樣才能從根本上解決低頻振動問題。

[1]黃莉莉，李建河.凝結(jié)水泵變頻改造節(jié)能效果分析及提高措施[J].熱力發(fā)電，2011（6）：85-87.

[2]陳柏權(quán)，劉明君，吳志強.600MW機組凝泵變頻運行振動分析及治理[J]浙江電力，2013（1）：60-62.