抽水蓄能機組推力外循環系統異常振動故障分析及處理

馬運翔,彭 輝,吳建標,曹 揚,殷 翔

(江蘇方天電力技術有限公司，南京 211102)

0 前 言

抽水蓄能水輪發電機推力軸承的運行可靠性是水輪發電機組能否安全運行的關鍵之一，大型水輪發電機推力軸承潤滑油冷卻方式原則上分內、外循環2種。經驗表明，外加泵外循環系統比內循環系統散熱效果好，可靠性大[1-2]。推力潤滑系統是水輪發電機組安全運行的重要環節，它主要是為機組下導瓦及推力瓦提供潤滑油，對系統起到潤滑保護作用。軸承潤滑系統的故障會嚴重影響機組的安全穩定運行[3-4]，往往會造成機組的事故停機，更甚者導致燒傷軸瓦和主軸，嚴重損害主機設備，造成企業的直接經濟損失，主設備損壞導致機組非計劃停機造成不良的社會影響[5]。

國信溧陽抽水蓄能電站裝機6臺抽水蓄能機組，機組為哈爾濱電機廠有限責任公司生產的立軸、單級混流水泵水輪機，機組型號為HLNA1094-LJ-474，水輪機工況額定出力為255 MW，水泵工況最大出力為269 MW[6]。機組推力外循環油泵是由瑞典IMO公司供應的三螺桿泵，型號為LPQ140N1IRYP，工作轉速1 495 r/min，最大差壓16 bar[7]。機組在調試期間推力外循環系統出現異常振動故障，潤滑油泵和管道振動大，并伴有撞擊聲，噪聲超標，油泵運行過程中管道出口手動閥手輪脫落，長期運行會造成油管斷裂，甚至機組斷油造成燒瓦，嚴重影響機組安全運行。

1 振動試驗過程

2017年3月24日，現場對油泵振動、管道振動和噪聲進行測試試驗。現場在4號機組2號推力外循環油泵上布置傳感器進行振動測量試驗。試驗傳感器采用Bently公司的9200速度傳感器，分別在油泵軸向方向、水平方向和管道出口處布置3個測點，圖1給出了傳感器布置示意圖。現場在油泵和主機轉軸上貼反光條，安裝激光測速探頭測量轉速，配備Bently 408數據采集儀及分析軟件。

圖1 傳感器布置示意圖

2017年3月24日14：00，2號推力外循環油泵正常啟動，機組處于停機熱備工況，油泵在額定轉速1 490 r/min下運行穩定，振動較小。機組轉速由零升速至額定，油泵振動、管道振動不斷增大，并伴隨撞擊聲。機組升速到額定轉速300 r/min時軸向振動4.8 mm/s、水平振動7.4 mm/s、管道振動25.3 mm/s、噪聲也由91.3 dB增大到103.6 dB。機組升速過程中各測點振動變化趨勢如圖2所示。可以看出，油泵振動及管道振動隨著機組轉速升高而增大，機組轉速超過120 r/min后油泵和管道振動增大速度明顯增大。各測點振動數據如表1所示。

圖2 機組升速過程中各測點振動變化趨勢圖

機組停機后推力外循環油泵采用變頻啟動，油泵設定初始轉速為800 r/min，油泵油流量為260 m3/h，滿足設計要求。分別在主機停機和機組運行2個工況下以50 r/min為間隔逐漸提高油泵轉速至額定。2個工況下油泵變頻升速過程中各測點振動變化趨勢如圖3、4所示，試驗數據如表2所示。可以看出機組停機狀態下，隨著油泵轉速的升高油泵振動和管道振動增大，但增大幅度很小；機組運行狀態下，隨著油泵轉速的升高油泵振動和管道振動大幅增大，并且管道振動增大較大；管道振動在轉速1 200 r/min存在一個峰值，圖5給出了油泵在1 200 r/min轉速下管道振動頻譜圖，振動幅值中1倍頻分量很小，以8倍頻分量為主。

圖3機組停機工況下油泵升速過程中各測點振動變化趨勢圖

圖4 機組運行時油泵升速過程中各測點振動變化趨勢圖

圖5 油泵在轉速1 200 r/min下管道振動頻譜圖

工況軸向振動/(mm·s-1)水平振動/(mm·s-1)管道振動/(mm·s-1)噪聲/dB機組停機0.90.62.391.3機組運行4.87.425.3103.6

表2 油泵以額定頻率運行時振動和噪聲數據表

機組運行狀態下，油泵水平振動達7.4 mm/s，管道振動達25.3 mm/s，圖6、7給出了機組運行時油泵水平振動頻譜圖和油泵出口管道振動頻譜圖。由圖中可以看出，油泵在工頻運行時振動較大，管道振動幅值遠大于油泵振動，管道振動與油泵振動頻譜分布一致，頻譜分析圖譜表明振動成分中1倍頻分量較小，主要是以4X、8X和12X等倍頻分量為主，油泵和管道振動主要是由于泵內部流體力造成，且油泵出口管道剛度不足，振動幅值放大。

圖6 機組運行時油泵水平振動頻譜圖

圖7 機組運行時油泵出口管道振動頻譜圖

2 振動故障原因分析與處理

通過數據分析表明造成油泵振動大故障的主要激振力是流體力，可能原因有汽蝕和系統進入空氣。

當液體在泵內流動時，若局部壓力低于一定值，則在液體內的雜質、微小固體顆粒或液體界面的縫隙中存在的氣核會迅速生長為人眼可見的空泡。空泡隨液流到達高壓區后，受到周圍液體壓力的壓縮，并經過反彈，直到最后完全潰滅，這一過程稱為汽蝕[8]。為了避免螺桿泵汽蝕現象的發生，泵的安裝應在距離油箱液面一定高度范圍之內，否則當泵安裝過高時極易造成泵的汽蝕，并導致泵及管路系統的振動和噪聲[8-10]。溧陽電站推力外循環油泵現場安裝設計留有足夠的汽蝕余量，因此由汽蝕原因造成的振動故障可以排除。

潤滑油系統內進入空氣。機組運行時，推力頭及鏡板在油中旋轉，攪起泡沫，導致油內挾附的氣體較多，油泵運行時，油泵吸油腔內產生一定負壓。隨著壓力的降低，油中的空氣被釋放并作為微氣泡出現，當油流通過運行中的螺桿泵的螺桿嚙合區進入油泵壓油腔時，這些微氣泡突然暴露于較高的壓力中，受到周圍液體的壓縮，其中一些迅速潰滅，此時，產生極大的壓強。當這個過程發生在固體邊界附近時，邊界面就受到強烈的沖擊作用，產生振動和噪聲[11-12]。

公式[13-14]：

A=F/K

式中：A為振動幅值；F為激振力；K為剛度。

由以上公式可知，在相同作用力下振動幅值與剛度成反比，與激振力的大小成正比。在相同工況下，機組油泵管道振動與油泵振動頻譜一致，油泵管道振動遠大于油泵本身振動是由于管道剛度不足，可以通過增大剛度和減小激振力方法減小管道振動[15]。油泵在800 r/min轉速下變頻運行，降低了激振力，油泵和管道振動降低，保證了油泵的安全運行。油泵在800 r/min轉速下油泵油流量為260 m3/h，能夠滿足機組運行設計要求，為了保證機組安全，機組正常運行狀態下推力外循環油泵運行轉速設置為900 r/min。表3給出了機組推力外循環油泵改造前后下導瓦和推力瓦瓦溫穩定試驗數據對比，由表3可以看出油泵變頻改造前后機組正常運行時下導瓦和推力瓦瓦溫穩定值基本不變，油泵變頻能保證機組安全穩定運行。

表3給出了機組推力外循環油泵改造前后下導瓦和推力瓦瓦溫穩定試驗數據對比，由表3可以看出機組變頻運行工況下下導瓦和推力瓦瓦溫穩定后基本不變，油泵變頻能保證機組安全穩定運行。

表3 機組瓦溫數據表

機組推力外循環油泵進行變頻改造后不僅解決了油泵及管道振動大、噪聲大的問題，油泵在變頻運行下能耗大大降低，油泵功率由原來的120 kW降低至35 kW。

每臺機組按年運行 6 000 h計算，年總節電數為:

(120-35)×6000= 510 000 kWh

按0.36元/kWh 計算，年總效益折合人民幣: 510 000×0.36=18.36 萬元

節能收益明顯 。

3 結 語

溧陽抽水蓄能電站推力外循環油泵及管道振動大、噪聲大根本原因是機組運行過程中潤滑油使油系統帶入空氣，油泵出口管道支撐剛度不足是油泵管道振動大的又一個主要原因。

對推力外循環油泵進行變頻改造，減少了氣體吸入量并降低油泵出口壓力，降低了激振力，有效降低了油泵及管道振動。

改造后提高了推力外循環油泵系統的可靠性，保障了機組的安全穩定運行，同時降低了油泵能耗，提高了經濟效益。