換流站閥內冷主泵電機軸承磨損分析及預防

張建飛，馬修偉，軒 磊

（1.國網河南省電力公司直流運檢分公司，河南鄭州 450000；2.河南綠控科技有限公司，河南許昌 461000）

0 引言

某（特）高壓直流輸電換流站閥內水冷主機模塊主泵品牌為KSB，流量為265 m3/h，揚程為70 m，驅動電機是ABB 高速電機（轉速2970 r/min）。根據運維記錄，2009 年投運以來，內水冷主泵機械密封一直采用碳化硅機械密封，這也是因為碳化硅機械密封具有重量輕、成本低、摩擦系數小、耐高溫等特點而做出的選擇。（特）高壓直流輸電換流站要求設備具有極高的安全穩定運行性能，尤其對閥內水冷的滲漏有較為嚴格的預防控制，通過對采用碳化硅機械密封的主泵長期的運維監控數據分析，碳化硅機械密封無法滿足換流站對設備的安全穩定運行要求。2017 年10 月以前，碳化硅機械密封在該換流站多次出現機械密封滲漏，8 年共更換過24 次機械密封，見表1。2017 年10 月，該換流站進行主機模塊基礎框架進行了壓板式加固，加固之后的主泵機械密封滲漏得到了控制。但是電機軸承磨損程度加劇，電機軸承磨損統計見表2。主泵機械密封滲漏和電機軸承磨損與振動都有聯系，徹底解決振動才是解決問題的根源。

表1 機械密封更換日期統計

表2 軸承更換日期統計

1 問題分析

1.1 電機軸承磨損的幾種情況

（1）電機采用開放式軸承，沒按要求定期性加注潤滑油脂、加注潤滑油脂不足或者過多，引起軸承發熱而磨損。

（2）電機軸承更換備件后裝配不合理，配合間隙存在不足，在高速旋轉過程中，加劇軸承磨損。

（3）高速電機頻繁啟停，形成對軸承的破壞沖擊。

（4）三相不平衡引起電機三相電流具有較大偏差，引發轉動不平衡，即三相驅動力不平衡，加速軸承磨損。

（5）電機的基礎振動，電機的四腳固定螺栓安裝不規范，引起電機振動超標。

（6）電機和水泵之間的同軸度誤差數據超出技術要求，高速旋轉的電機軸受到扭曲力，該扭曲力傳遞給軸承。

1.2 開放式軸承的潤滑

開放式軸承需要定期加注潤滑油脂，加注潤滑油脂需按照設備說明書要求規定的周期加脂。加脂量按照廠家要求，油脂填充軸承50%左右為宜，過多過少都會引起發熱，并縮短軸承使用壽命。

加脂需要積累一定的經驗，經驗不足者很容易加多，軸承運行時造成軸承旋轉部位發熱。加脂和運行時間及加脂量見表3。

表3 潤滑間隔和油脂量

1.3 軸承裝配工藝

電機匹配的軸承和軸配合間隙都有一定規范要求，間隙過松和過盈都會引起旋轉耦合部位發熱。間隙過松，轉子轉動時噪聲增大，振動加劇。間隙過盈，轉子轉動時物理磨損增加。即使各項振動指標滿足技術要求，在很短時間內摩擦發熱引起的局部高溫也會加速軸承損壞。

軸承裝配是細致技術工作，需要相關人員積累豐富經驗，才能使得軸承裝配完美。軸承裝配過松或過盈，都會使軸承發熱，快速報廢。

目前，市場上的軸承品牌和型號繁多，如果從非正規渠道采購軸承，很可能買到劣質軸承。劣質軸承的加工工藝尺寸無法保證，即使尺寸稍微存在差異，引發的后果也會很嚴重。

1.4 電機切換周期

電機啟動瞬間對軸承的沖擊和破壞最大，長期運轉的軸承反而比較穩定。目前，各換流站主泵切換周期為168 h。

1.5 三相不平衡

電機三相不平衡引起電機三相電流出現較大偏差，引發轉動不平衡，即三相驅動力不平衡。電機轉動出現脈動式振動，加速軸承損壞和磨損。

1.6 基礎剛性連接分析

現場記錄的振動數據見表4。電機軸中心高在132～280 mm，分析現場記錄的振動數據，得出以下結論。

表4 極1P02 振動測量數據

（1）電機本體的加速度和速度、位移值均滿足觀測的技術要求。

（2）電機本體的位移及基礎的位移均滿足國家標準29 μm的要求。

1.7 電機和水泵的同軸度偏差

電機軸和水泵軸的同軸度偏差值是主泵電機安裝合規的重要技術參數，對于主泵電機尤為重要。同軸度偏差值大于要求值，會導致軸承故障、振動，甚至造成軸斷裂。同軸度偏差分為平行偏差、角度偏差、復合偏差和間隙偏差等4 種類型，如圖1 所示。主要表現為復合偏差和間隙偏差，其中，間隙偏差多被忽視。分析現場記錄的振動數據，振動水平值均在合格水平內，據此推斷同軸度偏差基本符合要求。

圖1 同軸度偏差示意

2 設備安裝要求

2.1 格蘭富水泵對臥式泵的安裝要求

格蘭富為國際知名品牌水泵制造商，其對水泵的安裝要求具有一定的典型性。查閱格蘭富NK、NKG 系列水泵說明書，其要求將水泵安裝在一個平整堅固的混凝土基礎上，基礎重量應該足以為整個泵提供永久支撐?；A必須能夠吸收振動、正常的應力或沖擊。根據經驗，混凝土底座的重量必須為泵總重的1.5倍。基礎應該在所有四邊上都比底座大出100 mm。關于基礎水泥灌漿的要求如下：

（1）安裝前為水泵準備一個高質量的基礎十分關鍵。帶底座的NK、NKG 泵必須進行水泥灌漿。

（2）對于電機功率等于或大于55 kW 的二極NK、NKG 泵，為防止轉動電機產生的振動能和液體流態的演變，對底座進行水泥灌漿固定是強行要求的項目。

2.2 KSB 水泵對臥式泵的安裝要求

KSB《Mega CPK Installation/Operating Manual》（大型CPK泵安裝/操作手冊）中關于裝配基礎的描述如下:

（1）將泵組定位在水泥基礎上，確保水平；

（2）如有必要，使用墊片進行高度補償；

（3）將基礎螺栓插入到所提供的孔中；

（4）使用混凝土將基礎螺栓預埋在基礎中；

（5）待混凝土凝固牢固后，將底板調平；

（6）均勻并牢固地擰緊基礎螺栓；

（7）使用混合比例小于等于0.5 的混凝土對底板進行灌漿。

2.3 國家標準對臥式泵的安裝要求

《GB 10068—2008 軸中心高為56 mm 及以上電機的機械振動振動的測量、評定及限值》“6.3 剛性安裝”中，對臥式安裝的電機有如下要求。

（1）直接安裝在堅硬的基礎上，或；

（2）通過安裝平板安裝在堅硬的基礎上，或；（3）安裝在滿足6.3.1 要求的剛性板上。

3 解決措施

通過分析，當前換流站閥內冷主機模塊整體是直接放置在地面上，四周利用12 組M20 的膨脹螺栓固定，小螺栓固定大設備，這就是主機基礎振動過大的根源。2017 年，對主機模塊安裝方式進行了改造，基礎采用化學錨栓配以槽鋼壓板加固。加固后的基礎槽鋼底部懸空，仍有較大振動空間?，F場記錄的振動數據來自主泵基礎槽鋼的振動檢測，不是主泵電機機身的振動檢測數據。雖然檢測振動數據滿足技術要求，這也是對貼近地面的主泵基礎槽鋼檢測的振動數據，并不能說明主泵和電機自身振動數據滿足設備安裝要求，因為也存在振動值在較遠端的主泵和電機殼體處被放大，實際主泵和電機殼體處的振動值超過了標準振動值。經過分析和評價，給出如下解決方案。

（1）對主機基礎進行開挖，將預埋鐵埋入基礎內并焊接在主機槽鋼上，開挖的基礎坑需用水泥澆筑。澆筑的水泥需五天硬化時間，確保整個基礎堅硬牢固。主泵基礎加固措施如圖2 所示。

圖2 主泵基礎加固措施

（2）增加振動在線檢測傳感器，對主泵及電機本體三維度多位置進行振動檢測。檢測數據運用物聯網技術傳送給主控室數據處理中心，并進行分析、處理。充分研究(特)高壓換流站旋轉設備運維技術，制定適合于不同功率旋轉設備的振動標準及相應診斷方法。制定通過振動頻譜進行故障類型分析的方法及相應工具，開發綜合智能應用軟件。制定標準維修流程和工藝控制點，實現旋轉設備智能化，維修作業標準化，降低設備非計劃停機的風險，提升整體運維水平。旋轉設備機械參數與故障分析軟件如圖3 所示。

圖3 旋轉設備機械參數與故障分析軟件

4 創新點及效益分析

4.1 創新點

換流站的解決措施是對換流閥閥冷系統主泵電機軸承磨損問題做出針對性分析，提出創新的解決措施。主要是通過增加主泵振動檢測傳感器，實時獲取振動數據，研究如何降低主泵底座振動，提升電網可利用率。通過對主泵基礎底部挖坑，同時將主泵基礎加固用的金屬構件置入坑中，將金屬構件和主機基礎焊接在一起，最后對坑進行水泥灌漿。主泵及電機關鍵位置安裝振動傳感器檢測水泵和電機本體的振動，數據傳送至后臺服務器進行數據分析，做出機械故障、振動超差、軸承磨損和耦合器同心度超差的預判和預警。

4.2 效益分析

主泵作為閥冷系統的核心設備，其運行情況直接關系閥冷系統的安全穩定運行，甚至是直流系統的安全穩定運行。每次出現主泵電機軸承磨損事故，最直接的做法就是更換整臺主泵，既耗時，風險又高。本案例的研究和改進，達到了預警功能，提高了響應速度，從而為減少或縮短處理主泵電機軸承磨損做出了預判，降低系統運行風險，提高閥冷系統可利用率。

5 結語

電網是國家經濟命脈，是各行各業的驅動力。閥冷系統是換流站重要的輔機，其一旦出現故障，換流站輸電將會被中斷。因此，閥冷系統安全穩定可靠工作是直流輸電系統的重要保障。通過對軸承磨損的研究和處理措施實施，閥冷系統能夠更加良好運行。通過主泵模塊基礎永久性加固和增加在線振動數據檢測分析，為后期閥冷系統安全穩定可靠工作提供預警功能，以此確保閥冷系統處在實時的自動化監控系統網絡內。