技術供水管路伸縮節(jié)在蓄能電站的實際應用

陳 波，趙一煒，李甲駿，盧 彬，祁亞靜

（河北張河灣蓄能發(fā)電有限責任公司，河北 石家莊 050300）

技術供水管路伸縮節(jié)在蓄能電站的實際應用

陳 波，趙一煒，李甲駿，盧 彬，祁亞靜

（河北張河灣蓄能發(fā)電有限責任公司，河北 石家莊 050300）

張河灣抽水蓄能電站1號機組技術供水在管路改造過程中，將技術供水泵出口與技術供水過濾器之間采用不銹鋼管路及法蘭連接，引起管路振動和技術供水泵軸承垂直振動加大，導致技術供水泵機械密封磨損并出現(xiàn)甩水情況。通過分析，采用技術供水管路伸縮節(jié)解決了技術供水泵振動問題。

技術供水；管路；振動；伸縮節(jié)

1 引言

河北張河灣蓄能發(fā)電有限責任公司（簡稱“張河灣抽水蓄能電站”）位于河北省石家莊市井陘縣境內，距石家莊市直線距離為53 km，公路里程為77 km。張河灣電站設計安裝4臺250 MW單級混流可逆式水泵水輪發(fā)電機組，總裝機容量1 000 MW，以一回500 kV線路接入河北南部電網(wǎng)，主要承擔系統(tǒng)調峰、填谷、調頻、調相等任務，并且在電網(wǎng)故障甚至瓦解時，可以充當電網(wǎng)最佳的緊急事故備用和“黑啟動”電源。

張河灣抽水蓄能電站在1號機組技術供水管路改在期間,將技術供水泵連接方式采用不銹鋼管路和法蘭連接方式連接，導致技術供水泵管路及技術供水泵主軸振動加大。我廠技術人員通過認真分析原因，采取有效處理措施，減小了技術供水泵管路及技術供水泵主軸振動。下面就張河灣電站1號機組技術供水管路結構、振動原因分析及處理方案和措施進行詳述。

2 1號機組技術供水管路結構及技術供水泵介紹

張河灣抽水蓄能電站1號機組技術供水系統(tǒng)每個單元設2臺水泵，一臺工作一臺備用，水源取自本機組尾水管擴散段，排至下庫。過濾器自動排污至排水總管，手動排污至集水井。機組技術供水系統(tǒng)由供水泵、過濾器、冷卻器、閥門、表計及對應的管路組成，為機組及主變提供冷卻水，同時為主軸密封提供潤滑水。

技術供水系統(tǒng)AA811至AA812為明管段，技術供水管路、技術供水出口閥AA812供水側及技術供水過濾器進口閥AA811取水側，均采用混泥土澆筑預埋管路方式，技術供水泵及技術供水過濾器采用支架安裝固定。具體結構如圖1。

圖1 技術供水管路圖

我廠技術供水泵采用立式泵單級離心泵,技術供水泵各技術參數(shù)如表1。它的特點是工作揚程大，其工作原理是利用葉輪旋轉而使水發(fā)生離心運動來工作的。水泵在啟動前，必須使泵殼和吸水管內充滿水，然后啟動電機，使泵軸帶動葉輪和水做高速旋轉運動，水發(fā)生離心運動，被甩向葉輪外緣，經(jīng)蝸形泵殼的流道流入水泵的壓水管路。立式泵的工作原理是：泵軸帶動葉輪一起作高速旋轉運動。

表1 技術供水泵各技術參數(shù)

3 故障現(xiàn)象及原因分析

3.1 故障現(xiàn)象及危害

由于原管路運行時間長導致管路腐蝕嚴重，于2016年對1號機組技術供水管路進行改造，將管路及閥門更換為不銹鋼材質。改造后，技術供水泵AP811至逆止閥BU811采用DN300不銹鋼管路及法蘭連接。管路打壓試驗正常，啟動技術供水泵后發(fā)現(xiàn)兩臺技術供水泵振動均較大，振速為4.4 cm/s，且技術供水泵運行8 h后技術供水泵主軸出現(xiàn)甩水情況。

振動超標的危害主要有:造成機組不能正常運行；引發(fā)電機和管路的振動，造成機毀人傷；造成軸承等零部件的損壞；造成連接部件松動，基礎裂紋或電機損壞；造成與水泵連接的管件或閥門松動、損壞；形成振動噪聲。

3.2 原因分析

水泵機組振動的原因很復雜，從引發(fā)振動的起因看主要原因有：

（1）電機結構件松動，軸承定位裝置松動，鐵芯硅鋼片過松，軸承因磨損而導致支撐剛度下降，會引起振動。

（2）驅動裝置架與基礎之間采用的接觸固定形式不好，基礎和電機系統(tǒng)吸收、傳遞、隔離振動能力差，導致基礎和電機的振動都超標。水泵基礎松動，或者水泵機組在安裝過程中形成彈性基礎，或者由于油浸水泡造成基礎剛度減弱，從而使水泵振動頻率增加，如果增加的頻率與某一外在因素頻率接近或相等，就會使水泵的振幅加大。另外，基礎地腳螺栓松動，導致約束剛度降低，會使電機的振動加劇。

（3）聯(lián)軸器連接螺栓的周向間距不良，對稱性被破壞；聯(lián)軸器加長節(jié)偏心，將會產(chǎn)生偏心力；聯(lián)軸器錐面度超差；聯(lián)軸器靜平衡或動平衡不好；彈性銷和聯(lián)軸器的配合過緊，使彈性柱銷失去彈性調節(jié)功能造成聯(lián)軸器不能很好地對中；聯(lián)軸器與軸的配合間隙太大；聯(lián)軸器膠圈的機械磨損導致的聯(lián)軸器膠圈配合性能下降；聯(lián)軸器上使用的傳動螺栓質量互相不等。這些原因都會造成振動。

（4）葉輪是泵的最主要的部件。它將原動機輸入的機械能傳遞給液體，使液體的能量得到提高。葉輪一般由前蓋板、后蓋板、葉片及輪轂組成。液體由葉輪中心進入，流經(jīng)前、后蓋板間由各葉片形成的通道，由輪緣排出。其失效形式主要表現(xiàn)在:

1）葉輪偏心。葉輪制造過程中質量控制不好，比如，鑄造質量、加工精度不合格；或者輸送的液體帶有腐蝕性，葉輪流道受到?jīng)_刷腐蝕，導致葉輪產(chǎn)生偏心。

2）使用中葉輪口環(huán)與泵體口環(huán)之間、級間襯套與隔板襯套之間，由最初的碰摩，逐漸變成機械摩擦磨損，這些將會加劇泵的振動。

（5）軸很長的泵，易發(fā)生軸剛度不足，撓度太大，軸系直線度差的情況，造成動件（傳動軸）與靜件（滑動軸承或口環(huán)）之間碰摩，形成振動。另外，泵軸太長，受水池中流動水沖擊的影響較大，使泵水下部分的振動加大。軸端的平衡盤間隙過大，或者軸向的工作竄動量調整不當，會造成軸低頻竄動，導致軸瓦振動。旋轉軸的偏心，會導致軸的彎曲振動。

（6）每臺泵都有自己的額定工況點，實際的運行工況與設計工況是否符合，對泵的動力學穩(wěn)定性有重要的影響。水泵在設計工況下運行比較穩(wěn)定，但在變工況下運行時，由于葉輪中產(chǎn)生徑向力的作用，振動有所加大；單泵選型不當，或是兩種型號不匹配的泵并聯(lián)。這些都會造成泵的振動。

（7）軸承的剛度太低，引起振動。推力軸承和其他的滾動軸承的磨損，則會使軸的縱向竄動振動以及彎曲振動同時加劇。潤滑油選型不當、變質、雜質含量超標及潤滑管道不暢而導致的潤滑故障，都會造成軸承工況惡化，引發(fā)振動。

（8）泵的出口管道支架剛度不夠，變形太大，造成管道下壓在泵體上，使得泵體和電機的對中性破壞；管道在安裝過程中較勁太大，進出口管路與泵連接時內應力大；進、出口管線松動,約束剛度下降甚至失效；雜物卡入葉輪；管路不暢；出水口不暢，出水閥門掉板，或沒有開啟；進水口有進氣等，這些原因都會直接或者間接地導致泵和管路的振動。

（9）電機軸和泵軸同心度超差；電機和傳動軸的連接處使用了聯(lián)軸器，聯(lián)軸器同心度超差；動、靜零部件之間（如葉輪和口環(huán)之間）的設計間隙由于磨損變大；軸承支架與泵體間隙超標、軸承內圈與泵軸間隙超標（俗稱軸承跑外圈、跑內圈），這些不利因素都能造成振動。

（10）汽蝕振動是泵振動的很重要的一部分。水泵葉輪中心產(chǎn)生真空，水才能被大氣壓壓上來，水泵離下水面越高，需要的真空度就越大。當水泵葉輪中心的真空度大到一定程度時，雖在常溫下，葉輪進口處的水也要大量的汽化，氣泡隨水逐漸進入高壓區(qū)，壓力升高氣泡又凝結成水而消失。氣泡消失時，四周的水以高速來補充它的空間，而發(fā)生猛烈的碰撞，在這瞬時間就產(chǎn)生了很強的水錘現(xiàn)象，打擊葉片表面，使葉片一小塊一小塊的剝落損壞。另外，液化中逸出的氧氣借助氣泡凝結時放出的熱量對金屬起化學腐蝕作用。這種泵內反復出現(xiàn)液體的汽化和凝結，以致對過流部件損壞的現(xiàn)象稱為汽蝕現(xiàn)象。汽蝕發(fā)生后，由于反復地機械撞擊作用和化學腐蝕作用，使葉輪受到破壞。流量揚程下降，甚至不出水，使水泵產(chǎn)生噪音和振動。若汽蝕引起振動的頻率與設備的自然頻率相等時，就會引起強烈振動。

（11）葉輪旋轉時產(chǎn)生的非對稱壓力場；吸水池和進水管渦流；葉輪內部以及蝸殼、導流葉片漩渦的發(fā)生及消失；閥門半開造成漩渦而產(chǎn)生的振動；由于葉輪葉片數(shù)有限而導致的出口壓力分布不均；葉輪內的脫流；喘振；流道內的脈動壓力；汽蝕；水在泵體中流動，對泵體會有摩擦和沖擊，比如水流撞擊隔舌和導流葉片的前緣，造成振動；泵體內壓力脈動，主要是泵葉輪密封環(huán)，泵體密封環(huán)的間隙過大，造成泵體內泄漏損失大，回流嚴重，進而造成轉子軸向力的不平衡和壓力脈動，會增強振動。

3.3 故障排查

結合上述原因，對技術供水泵及管路設備進行相應檢查。

（1）對技術供水電機結構件進行檢查，未發(fā)現(xiàn)松動及其他異常情況。

（2）驅動裝置架與基礎之間采用的接觸固定形式良好，檢查基礎地腳螺栓無松現(xiàn)象。

（3）檢查聯(lián)軸器連接螺栓的周向間距正常，對稱性良好；對技術供水泵盤車檢查均正常。

（4）檢查葉輪及流道受到無沖刷腐蝕；檢查葉輪口環(huán)與泵體口環(huán)之間、級間襯套與隔板襯套之間，無機械摩擦磨損。

（5）檢查軸端的平衡盤間隙正常，軸向的工作竄動量檢查正常。

（6）由于本次改造技術供水泵及電機未進行更換，且改造前技術供水泵運行正常，判斷的運行工況與設計工況相符合。

（7）檢查滾動軸承的磨損正常，潤滑油無變質、雜質超標及潤滑管道不暢現(xiàn)象。

（8）檢查技術供水泵葉輪無雜物卡入管路不暢；出水口不暢，出水閥門正常，啟動技術供水泵并開啟技術供水泵本體排氣閥及技術供水過濾器排氣閥無氣體，泵的出口管道支架變形正常。對于管道在安裝過程中較勁太大，進出口管路與泵連接時內應力大無法檢查，初步判斷有該可能性。

（9）檢查電機軸和泵軸同心度及間隙正常。

（10）氣蝕及壓力脈動等原因不具備檢查條件，初步判斷有這種可能性。

通過上述原因分析及檢查，振動產(chǎn)生的可能原因為：1）安裝過程中較勁太大，進出口管路與泵連接時內應力大造成振動；2）氣蝕、壓力脈動引起強烈振動。

由于技術供水泵和技術供水過濾器均采用固定安裝方式，技術供水泵與技術供水過濾器之間長度為1.5 m，采用DN300鋼管通過法蘭連接方式。固初步判斷振動是由于管道在安裝過程中較勁太大，進出口管路與泵連接時內應力大，管道與水泵的連接采用了強力對口所致。

4 處理方案

4.1 根據(jù)上述原因分析有以下兩個處理方案

方案一：在技術供水泵與技術供水過濾器之間靠近技術供水過濾器處切割300 mm管路，并在焊接上DN300法蘭，完全冷卻后，安裝上DN300橡膠技術供水伸縮節(jié)（如圖2）。

技術供水管路伸縮節(jié)有以下特點：

圖2 技術供水伸縮節(jié)圖

1）管道為柔性連接，消除了管道系統(tǒng)彈性應力轉移，實現(xiàn)了補償，提高了系統(tǒng)的安全性。

2）能適應一定限度內的自由伸縮，故四季溫度變化，管線不必再設補償器。

3）密封圈與管子為柔性連接，對連接的管子精度要求低，對工況條件要求極低。

方案二：根據(jù)技術供水泵與技術供水過濾器管接頭高度重新配管，通過法蘭適當調節(jié)水平度，以達到消除管道與水泵的強力對口連接。增加一個支架以減小管路自重對法蘭連接的拉力。

4.2 方案優(yōu)缺點分析

方案一：實施簡單方便，并能消除技術供水泵啟停過程中水錘對設備的影響；技術供水伸縮節(jié)為橡膠制品，長時間使用后會出現(xiàn)老化現(xiàn)象，并需重新采購新的技術供水伸縮節(jié)。

方案二：由于技術供水泵與技術供水過濾器均采用固定安裝方式，技術供水泵與技術供水過濾器管口的中心度無法調整，小的偏差可通過法蘭焊接調整，若中心相差較大則無法調整；該方案優(yōu)勢在于管路為不銹鋼材質，不存在老化現(xiàn)象。

4.3 方案確定

綜合上述分析，確定采用方案一以達到減小技術供水泵振動目的。

5 處理措施

在1號技術供水泵與技術供水過濾器之間靠近技術供水過濾器處切割300 mm管路，并在焊接上DN300法蘭，完全冷卻后，安裝上DN300橡膠技術供水伸縮節(jié)。打壓試驗，管路無滲漏。

采取以上措施后，1號技術供水泵運行平穩(wěn)，振動現(xiàn)象消除。更換1號技術供水泵機械密封，機組運行2 d后檢查技術供水泵機械密封完好。2號技術供水泵按方案一實施。改造后經(jīng)測量水泵振動由改造前的振速4.4 cm/s降低為1.39 cm/s。根據(jù)振動強烈度標準ISO2372-1974可以判定水泵運行處于優(yōu)秀區(qū)。目前張河灣蓄能電站1號機組技術供水泵未再出現(xiàn)振動大的情況。

6 結論

技術供水泵振動不僅導致泵使用壽命縮短，增加維護量，同時有導致管路破裂大量漏水的風險。技術供水管路伸縮節(jié)能根本消除技術供水泵振動大現(xiàn)象。對于抽水蓄能電廠由于空間有限，技術供水泵與技術供水過濾器間距較小，同心度要求高，而采用管路伸縮節(jié)方式則能有效解決管口同心度要求高的問題。

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TV734

B

1672-5387（2016）12-0084-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2016.12.030

2016-08-29

陳 波（1980-），男，工程師，從事抽水蓄能電站運行及維護管理工作。