水輪機(jī)冷卻塔振動(dòng)原因分析及對(duì)策

張爾東

（中國(guó)石油天然氣股份有限公司哈爾濱石化分公司，黑龍江 哈爾濱 150056）

1 冷卻塔運(yùn)行狀況及分析

1.1 冷卻塔運(yùn)行狀況

哈爾濱石化公司三循涼水塔原有2間4 000 m3/h大型工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)式逆流冷卻塔，2012年公司響應(yīng)國(guó)家節(jié)能減排要求分別將風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)改造為水輪機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)，改造后當(dāng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速大于100 rpm時(shí)，（正常類(lèi)似風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速127 rpm），冷卻塔風(fēng)筒振動(dòng)值嚴(yán)重超標(biāo)，最大值達(dá)到18.5 mm/s，比規(guī)范設(shè)計(jì)要求超3倍，嚴(yán)重影響冷卻塔長(zhǎng)周期安全運(yùn)行，且風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)不到風(fēng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速，冷卻塔的冷卻效果受到嚴(yán)重限制，特別在夏季更嚴(yán)重影響正常生產(chǎn)工藝指標(biāo)，由于上述問(wèn)題是個(gè)較大的技術(shù)難題，公司也咨詢(xún)并邀請(qǐng)了國(guó)內(nèi)幾家權(quán)威機(jī)構(gòu)來(lái)現(xiàn)場(chǎng)查看診斷，但最終都無(wú)法找到問(wèn)題的原因及徹底解決的方案[1]。幾年來(lái)此冷卻塔進(jìn)入夏季僅能靠補(bǔ)充冷水和減小負(fù)荷的辦法維持生產(chǎn)。2019年改造水輪機(jī)后冷卻塔運(yùn)行工況測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 改造水輪機(jī)后現(xiàn)場(chǎng)冷卻塔檢測(cè)振動(dòng)數(shù)據(jù)表

1.2 最終診斷結(jié)果

從目前上述運(yùn)行狀況來(lái)看：現(xiàn)場(chǎng)的振感比原電機(jī)驅(qū)動(dòng)塔振動(dòng)強(qiáng)烈得多，較為明顯的是從冷卻塔風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速改變來(lái)看，在100 rpm以下轉(zhuǎn)動(dòng)相對(duì)平穩(wěn)，當(dāng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速逐漸提升時(shí)，冷卻塔風(fēng)筒和塔頂振幅明顯加大，特別達(dá)到額定轉(zhuǎn)速120 rpm左右時(shí)，風(fēng)筒振動(dòng)更加強(qiáng)烈；從現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)看，隨著風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)?00 rpm至122 rpm時(shí)，風(fēng)筒振動(dòng)值飆升至18.5 mm/s，此種狀態(tài)運(yùn)行對(duì)冷卻塔長(zhǎng)周期安全運(yùn)行有較大的影響。

1.3 綜合導(dǎo)致振動(dòng)原因的分析

1.3.1 風(fēng)機(jī)因素

現(xiàn)風(fēng)機(jī)葉片數(shù)量為6片，按9 140 mm風(fēng)機(jī)直徑來(lái)算，風(fēng)機(jī)夾角偏大，風(fēng)速相對(duì)不均勻，風(fēng)場(chǎng)波動(dòng)性較大，易產(chǎn)生較大振動(dòng)，另風(fēng)機(jī)為玻璃鋼材質(zhì)風(fēng)機(jī)，本體較重，當(dāng)負(fù)載時(shí)葉尖下沉較大，從而改變?cè)L(fēng)機(jī)的葉型，打破風(fēng)機(jī)的平衡，并產(chǎn)生一定振動(dòng)，而碳纖維風(fēng)機(jī)可改變現(xiàn)狀，其重量?jī)H玻璃鋼風(fēng)機(jī)的1/3，性能強(qiáng)度是玻璃鋼的5倍，負(fù)載時(shí)葉型變化量較小，運(yùn)行效率相對(duì)玻璃鋼可提高15%，故建議更換為8片碳纖維風(fēng)機(jī)，這也是消除振動(dòng)方法之一。

1.3.2 風(fēng)筒因素

目前現(xiàn)冷卻塔的風(fēng)筒由于已超出玻璃鋼產(chǎn)品的使用壽命（玻璃鋼的使用壽命一般均在15年），并且根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量風(fēng)筒的局部厚度太薄，易導(dǎo)致冷卻塔風(fēng)筒振動(dòng)。

1.3.3 水輪機(jī)因素

（1）水輪機(jī)是風(fēng)機(jī)運(yùn)行的動(dòng)力源，如水輪機(jī)振動(dòng)則影響到冷卻塔的振動(dòng)，現(xiàn)水輪機(jī)帶減速裝置，減速機(jī)為行星齒輪結(jié)構(gòu)，受潤(rùn)滑油和密封限制，容易失油，齒輪易磨損或損壞，如磨損或損壞，易產(chǎn)生振動(dòng)，從現(xiàn)場(chǎng)觀察水輪機(jī)端蓋上存積一定的潤(rùn)滑油，說(shuō)明減速箱是漏油，如在低轉(zhuǎn)速時(shí)，磨損相對(duì)好點(diǎn)，如高速運(yùn)行則易損壞。

（2）在減速箱上端有一減速傳動(dòng)軸，且較短，軸承如有磨損擺動(dòng)較大，易產(chǎn)生振動(dòng)。

（3）由于水輪機(jī)結(jié)構(gòu)問(wèn)題，造成整體高度較高，重心偏高，振動(dòng)擴(kuò)大。

（4）水輪機(jī)本體靠出水框支撐，支撐強(qiáng)度較差，應(yīng)加強(qiáng)水輪機(jī)支撐強(qiáng)度，即在渦殼加裝4只支撐腿。

1.3.4 水輪機(jī)附件因素

附件主要分析水輪機(jī)出水框和出水管，現(xiàn)出水管為2支DN600的螺旋管，出水分流相對(duì)較差，使水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪出水不均勻，易使轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動(dòng)不平衡，另還增加水輪機(jī)出水壓力，阻礙水輪機(jī)轉(zhuǎn)速，如要出水分流均勻，可采用4支DN400分流管，如采納可降低水輪機(jī)高度，降低振動(dòng)，也使風(fēng)機(jī)位置靠近風(fēng)筒喉部。

另水輪機(jī)底座-出水框與底梁對(duì)接無(wú)任何緊固件，處于浮動(dòng)狀態(tài)，當(dāng)水輪機(jī)負(fù)載時(shí)，僅依靠?jī)芍怀鏊軄?lái)穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，易產(chǎn)生振動(dòng)。

1.3.5 風(fēng)機(jī)與風(fēng)筒相對(duì)位置不合理

現(xiàn)風(fēng)機(jī)位置離風(fēng)筒喉部上沿約450 mm，偏離較大，風(fēng)機(jī)葉尖距離風(fēng)筒壁遠(yuǎn)大于有關(guān)規(guī)定30～40 mm，造成風(fēng)機(jī)上端的正壓風(fēng)沿風(fēng)筒壁回流至風(fēng)機(jī)下端的負(fù)壓區(qū)，這樣就產(chǎn)生擾流現(xiàn)象，由于風(fēng)機(jī)葉片少，擾流現(xiàn)象很不均勻，易造成風(fēng)筒振動(dòng)。另風(fēng)筒強(qiáng)度不足時(shí)，也易產(chǎn)生振動(dòng)。

1.3.6 循環(huán)水回水壓力過(guò)高因素

由于系統(tǒng)回水壓力較高和水輪機(jī)做功需要一定的壓力，當(dāng)回水中的氣泡集聚到一定的量和壓力時(shí)，在水輪機(jī)出水時(shí)瞬間釋放，就造成湍流現(xiàn)象，從而造成冷卻塔橫向振動(dòng)，從現(xiàn)場(chǎng)觀察這不是主要振動(dòng)源，如對(duì)水輪機(jī)改造，可改善振動(dòng)。

2 根據(jù)排查原因進(jìn)行整改

（1）由于水輪機(jī)運(yùn)行周期已較長(zhǎng)，為了摸清水輪機(jī)內(nèi)的磨損件磨損程度，打開(kāi)水輪機(jī)內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)部件，詳細(xì)檢查發(fā)現(xiàn)相關(guān)磨損件，全部進(jìn)行更換解除或降低振動(dòng)源。（2）更換過(guò)期及強(qiáng)度弱玻璃鋼冷卻塔風(fēng)筒，RC-92型風(fēng)筒模壓工藝成型，梯形空腹加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)，端中兩處均設(shè)環(huán)向?qū)嵭募訌?qiáng)筋，風(fēng)筒片間聯(lián)結(jié)采用扣接式，板間連接嚴(yán)密無(wú)縫隙，整體強(qiáng)度高，表面光滑美觀，不龜裂、不褪色，緊固件均為不銹鋼材質(zhì)，厚度不小于10 mm，風(fēng)筒壁承受的風(fēng)載荷大于0.8 kPa，壽命20年以上。（3）風(fēng)機(jī)改為碳纖維風(fēng)機(jī)，由原來(lái)6片改為8片風(fēng)葉，風(fēng)機(jī)由單板結(jié)構(gòu)改為雙夾板結(jié)構(gòu)，可降低風(fēng)機(jī)高度；減小塔的震動(dòng)（4）降低水輪機(jī)的安裝高度；（5）改造水輪機(jī)出水框，由原來(lái)的2支出水管改為4支出水管，出水管與布水器對(duì)接方式由原來(lái)的與布水支管對(duì)接改為干管對(duì)接，這樣能夠減輕布水支管的承載和降低對(duì)接點(diǎn)區(qū)域的對(duì)噴頭的直接沖擊；（6）水輪機(jī)改造，加裝4只支撐柱，增設(shè)放氣裝置；（7）水輪機(jī)底座加固。

3 整改技術(shù)方案

3.1 更換加厚型高強(qiáng)度玻璃鋼風(fēng)筒

風(fēng)筒采用玻璃鋼材質(zhì)動(dòng)能回收型，能適應(yīng)當(dāng)?shù)氐臍庀髼l件，具有較強(qiáng)的抗風(fēng)載荷能力，抗風(fēng)載荷大于960 Pa。風(fēng)筒結(jié)構(gòu)應(yīng)采用T型大端面空腹加強(qiáng)筋，應(yīng)力集中段和聯(lián)接端埋有預(yù)制件以保證風(fēng)機(jī)整體強(qiáng)度和運(yùn)行強(qiáng)度，風(fēng)筒應(yīng)拼裝嚴(yán)密，風(fēng)筒動(dòng)能回收值不得小于30%，風(fēng)筒緊固件采用不銹鋼材質(zhì)，風(fēng)筒外表面應(yīng)不龜裂、不褪色，其表面膠衣應(yīng)采用進(jìn)口膠衣并能抗紫外線的長(zhǎng)期照射，風(fēng)筒內(nèi)表面要求光滑[2]。

3.2 原強(qiáng)度弱震動(dòng)大純玻璃鋼葉片改為強(qiáng)度高碳纖維復(fù)合材料風(fēng)機(jī)葉片

目前國(guó)內(nèi)外軸流風(fēng)機(jī)葉片的材質(zhì)，主要有鋁合金、玻璃鋼及碳纖維三種。鋁合金因?yàn)橐鬃冃巍①|(zhì)量大，只用在小直徑風(fēng)機(jī)。玻璃鋼（FRP）材質(zhì)葉片由于在濕熱、酸堿等惡劣環(huán)境及抗變形等多方面的諸多優(yōu)秀表現(xiàn)，而得到廣泛應(yīng)用，現(xiàn)在即使小風(fēng)機(jī)的葉片也逐步被玻璃鋼代替。

新材料的選擇及應(yīng)用也為本次改造降低震動(dòng)值起到較大作用。

3.3 降低水輪機(jī)安裝高度

由于水輪機(jī)本體結(jié)構(gòu)不可動(dòng)，降低安裝高度只能從風(fēng)機(jī)和出水框來(lái)實(shí)現(xiàn)，風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)形式由原來(lái)的單板改為雙板，風(fēng)機(jī)高度可降低100 mm左右；出水框由原來(lái)的雙管出水改為四管出水，出水框高度可降低200 mm，總體可降低水輪機(jī)安裝高度300 mm；

3.4 改造水輪機(jī)出水框出水管數(shù)量

水輪機(jī)出水框由原來(lái)的2支DN600出水管整改為4支DN450出水管，提高水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪出水流場(chǎng)的均勻度，降低振動(dòng)；

3.5 改造水輪機(jī)

由于原水輪機(jī)支撐緊靠出水框支撐，支撐點(diǎn)所占面積較小，穩(wěn)定性較差，故加裝4只支撐柱；另外，循環(huán)水中的氣體也無(wú)泄放點(diǎn)易產(chǎn)生振動(dòng)，故加裝一放氣裝置，此裝置建議在檢修時(shí)加裝；

3.6 水輪機(jī)底座與基礎(chǔ)對(duì)接方式

由于基礎(chǔ)面較小，基礎(chǔ)厚度較薄，水輪機(jī)底座與基礎(chǔ)對(duì)接螺栓無(wú)預(yù)埋孔位置，現(xiàn)利用十字梁采用對(duì)夾方式緊固底座；

3.7 水輪機(jī)出水管與布水器對(duì)接方式

出水管2根管合并成一支管，再與布水器干管對(duì)接；

4 整改后技術(shù)指標(biāo)

（1）整改后風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速能平穩(wěn)安全的達(dá)到設(shè)計(jì)要求的127 rpm；

（2）改造后的2個(gè)冷卻塔的振動(dòng)值經(jīng)過(guò)有關(guān)部門(mén)實(shí)塔測(cè)試風(fēng)筒的震動(dòng)值分別為3.28 mm/s和2.83 mm/s 塔頂震動(dòng)值分別為0.35 mm/s和0.16 mm/s 與同型運(yùn)行的電機(jī)驅(qū)動(dòng)塔比較能降低50%以上震動(dòng)。

（3）改造后的冷卻能力恢復(fù)、甚至超過(guò)原設(shè)計(jì)水平，夏季最炎熱期間冷卻后水溫比2013年至2018年同期降低2～3 ℃，為三循所帶各裝置高效生產(chǎn)運(yùn)行提供了可靠保障。

改造后溫度情況如表2所示。

表2 改造后溫度情況表