抽水蓄能機組推力外循環潤滑油系統異常振動故障治理

馬運翔，彭 輝，劉曉鋒，盧修連，何小鋒，何利鵬

（江蘇方天電力技術有限公司，江蘇省南京市 211102）

0 引言

大型水輪發電機推力軸承潤滑油冷卻系統按照冷卻器布置位置可分為內循環和外循環兩種，其中外循環冷卻系統分為自身泵外循環和外加泵外循環兩種方式，經驗表明外加泵外循環方式的散熱效果比其他方式更好，可靠性更大[1,2]，因此推力瓦外加泵外循環冷卻方式被廣泛應用。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，推力外循環潤滑油系統主要是為機組推力瓦提供潤滑油，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，主設備損壞導致機組非計劃停機造成不良的社會影響[5]。

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255MW，水泵工況最大入力為269MW[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1495r/min，最大差壓16bar[7]。機組在調試期間出現推力外循環系統異常振動故障，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多次脫落，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和激光測速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Figure 1 Schematic diagram of sensor placement

2017年3月24日13時35分，4號機組2號推力外循環油泵正常啟動，機組處于停機熱備狀態，油泵在額定轉速1490r/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300r/min時軸向振動4.8mm/s，水平振動7.4mm/s，管道振動25.3mm/s，噪聲也由91.3dB增大到103.6dB。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120r/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。

機組運行狀態下，油泵以額定轉速運行時油泵水平振動達7.4mm/s，管道振動達25.3mm/s，圖3和圖4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，油泵在額定轉速運行時，管道振動與油泵振動頻譜分布一致，頻譜分析表明振動分量中1倍頻分量較小，主要是以4X、8X和12X等倍頻分量為主。

圖2 機組升速過程中各測點振動變化趨勢Figure 2 Vibration trend of each measuring point in the process of unit speed rising

表1 油泵以工頻運行時振動和噪聲數據Table 1 Vibration and noise data of oil pumps operating at rated frequency

圖3 機組運行時油泵水平振動頻譜圖Figure 3 Frequency spectrum of horizontal vibration of oil pump during unit operation

圖4 機組運行時油泵出口管道振動頻譜圖Figure 4 Frequency spectrum of vibration of oil pump outlet pipe during unit operation

2 振動故障原因分析與處理

2.1 振動故障原因分析

螺桿油泵在工作過程中產生異常振動和噪聲有以下原因：

（1）泵與電機本身故障原因，如泵與電機安裝不同心，螺桿與殼體安裝不同心或者二者嚙合間隙過大。在機組停機狀態下油泵及管道振動較小，振動幅值穩定，大小為0.9mm/s。因此可以排除由于泵與電機本身故障造成油泵振動故障。

（2）空蝕。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，這一過程稱為空蝕[8]。為了避免螺桿泵空蝕現象的發生，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空蝕，并導致泵及管路系統的振動和噪聲[8-10]。

根據螺桿油泵空蝕余量分析，螺桿油泵不發生空蝕現象應滿足以下條件[10]：

式中NPSHa——螺桿油泵有效空蝕余量；

NPSHr——螺桿油泵必須空蝕余量；

S——安全系數，通常取0.5～1m。

現場安裝高度滿足廠家給出的使用要求，可以排除空蝕原因造成油泵振動故障。

（3）泵及管道內吸入空氣[11，12]。空氣進入油系統在低壓處膨脹，在高壓處被擠壓破裂，氣泡破裂時產生巨大的沖擊力，造成油泵和管道振動[11]。

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。因此，泵及管道內吸入空氣是造成油泵振動故障的根本原因。

在相同工況下，管道振動比油泵本體振動大。如公式[13，14]：

式中A——振動幅值；

F——激振力；

K——系統剛度。

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，振動被放大。

2.2 推力外循環油泵振動故障治理

油泵及管道進空氣是振動故障的根本原因，因此降低系統內空氣含量是最有效的方法。降低系統吸入空氣量的方法有加裝消泡裝置和油泵變頻運行兩種方法。溧陽抽水蓄能電站推力外循環油系統試驗加裝消泡裝置后收效甚微，因此采用油泵變頻運行方法。

油泵系統進行變頻改造后推力外循環油泵采用變頻啟動，油泵設定初始轉速為800r/min，分別在主機停機和機組運行兩個工況下以50r/min為間隔逐漸提高油泵轉速至額定。機組停機工況下油泵變頻升速過程中各測點振動變化趨勢如圖5所示。從圖5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；油泵在1200r/min轉速運行時管道在20Hz處存在一個峰值，此處為管道的固有頻率，運行時應避開20Hz頻率。機組運行狀態下油泵變頻升速過程中各測點振動變化趨勢如圖6所示，從圖中可以看出，油泵轉速高于1000r/min后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，油泵轉速低于1000r/min時油泵和管道振動較小且變化不大。因此，油泵變頻運行應選擇轉速在1000r/min以下運行。油泵變頻運行試驗數據如表2所示。

圖5 機組停機工況下油泵升速過程中各測點振動變化趨勢Figure 5 Vibration trend of each measuring point in the process of oil pump speed rising under unit shutdown condition

圖6 機組運行時油泵升速過程中測點振動變化趨勢Figure 6 Vibration trend of each measuring point in the process of oil pump speed rising under unit operation

表2 泵以額定頻率運行時振動和噪聲數據Table 2 Vibration and noise data of pumps operating at rated frequency

表3 機組瓦溫數據Table 3 Data of bearing temperature

管道振動大主要是由于剛度不足，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900r/min轉速下變頻運行，減少了系統吸入空氣，降低了由空氣原因產生的激振力，油泵和管道振動降低，保證了油泵的安全運行。油泵在900r/min轉速下運行時油泵油流量為260m3/h，通過熱穩定試驗表明油泵變頻運行油系統流量能夠滿足機組運行設計要求，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穩定基本不變，油泵變頻能保證機組安全穩定運行。

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110 kW降低至30 kW。

每臺機組按年運行 5000h計算年總節電數為：

按0.4元/（kW·h）計算僅節省用電費用年總效益折合人民幣：450000×0.4=18.00（萬元），節能收益明顯。

3 結束語

溧陽抽水蓄能電站推力外循環油泵及管道振動大，油系統吸入空氣是振動故障的根本原因，管道支撐剛度不足是管道振動大的又一個主要原因。推力外循環油泵采用變頻運行，降低了運行轉速，減少了系統空氣吸入量，有效降低了油泵及管道振動，提高了系統的可靠性。油泵采用變頻運行同時降低了油泵能耗，提高了經濟效益。