大型變頻凝結水泵異常振動分析及處理

馬思聰，李 俊，萬大偉，楊典兵，白洪宸，錢林鋒

(1.杭州意能電力技術有限公司，杭州 310014；2.哈爾濱電站科技開發有限公司，哈爾濱 150030)

0 引 言

隨著電力技術的不斷發展，變頻技術已經廣泛應用于電廠節能改造中，主要應用于300 MW以上大型機組的凝結水泵(以下簡稱“凝泵”)中，具有很好的節能效果[1-3]，有效地提高機組經濟效益。大型機組的凝泵基本為定轉速水泵，但部分凝泵在變頻改造后，出現結構共振等故障現象，使改造后的變頻凝泵只能部分投運，甚至出現無法投運的現象。

某1 000 MW機組的凝泵改造后，在變頻運行區間內，存在兩個轉速區間內明顯的振動峰值現象，導致變頻改造無法高效投運，影響設備安全運行。嘗試通過振動測試分析，查找凝泵振動原因，結合檢修措施，以解決此問題。

1 設備故障狀況

1.1 設備性能

某電廠2臺1 000 MW機組配有6臺50%容量工頻凝泵，每臺機組配備3臺50%容量工頻凝泵，運行方式為二用一備。該凝泵型號為NLT400-500×5S，電機型號為YLKS560-4三相異步電動機，整體型式為立式筒型離心泵，其額定轉速為1 480 r/min，如圖1所示。將凝泵工頻方式改造成變頻方式，能在當機組負荷發生變化時，系統根據凝結水流量改變凝泵轉速，以達到節能的效果。

圖1 凝泵結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of condensate pump structure

1.2 故障狀況

在變頻改造后，電廠工作人員在巡檢時，發現4臺凝泵均存在在變頻轉速區域運行時，出現振動值增大的現象，表現為在轉速變化過程中，電機自由端的振動出現明顯的波動現象，有個別凝泵電機振動遠超過標準所規定的4.5 mm/s限值，影響設備的安全運行，同時導致變頻投運率低。

2 振動特征

對4臺凝泵電機在變頻轉速區間內進行測試，除凝泵6B振動較小外，其余3臺凝泵在轉速升降過程中，在兩個特定的轉速區間內，振動會出現明顯的峰值現象，具體表現為當轉速在1 050 r/min至1 200 r/min(第1轉速區間)之間和1 250 r/min至1 400 r/min(第2轉速區間)之間振動均存在明顯的振動峰值。以凝泵5A為例：當轉速達到1 104 r/min時，電機自由端振動8.2 mm/s；當轉速達到1 326 r/min時，電機自由端振動4.9 mm/s，偏離上述兩個轉速區間后，振動迅速回落，整個振動趨勢重復性較好，如表1、圖2所示。

表1 3臺凝泵在轉速區間內振動值Table 1 Vibration values of three condensate pumps in the speed range

圖2 凝泵5A電機自由端振動波特圖Fig.2 Vibration Bode diagram of the free end of the condensate pump 5A motor

3 振動分析

3.1 第1轉速區間分析

在第1轉速區間內，頻譜特征均以1倍頻分量為主，無其他低、高頻分量，屬于典型的強迫振動，基本可排除不對中、軸承失效[4-5]、局部松動[6]等其他故障現象，如圖3所示,基本可認定凝泵電機存在轉速頻率與本體存在結構共振現象。

圖3 凝泵5A第1轉速區間振動頻譜圖Fig.3 Vibration frequency spectrum of condensate pump 5A in the first speed range

3.2 第2轉速區間分析

在第2轉速區間內，頻譜特征均以5倍、7倍的高倍頻分量為主，且當特征頻率出現時凝泵電機旁同時出現明顯的噪聲，而1倍倍頻分量較小且基本不變，該振動特征頻率與第1轉速區間的共振特征頻率明顯不同，但振動波特圖同樣存在峰值，因1倍頻分量較小且振動特征頻率隨轉速變化而變化，基本可排除質量不平衡、不對中、軸承失效、轉子熱彎曲等原因，如圖4、圖5所示。

圖4 凝泵5A第2轉速區間振動頻譜圖Fig.4 Vibration frequency spectrum of condensate pump 5A in the second speed range

圖5 凝泵6A第2轉速區間振動頻譜圖Fig.5 Vibration frequency spectrum of condensate pump 6A in the second speed range

綜合上述振動特征，分析判斷得出3臺凝泵電機在變頻運行區間內存在2種類型的結構共振。

3.3 振動試驗與分析

為了進一步驗證分析判斷， 對其中1臺凝泵 6A 電機殼體進行固有頻率測試試驗，結果表明：一階頻率17.0 Hz、三階頻率116.9 Hz、四階頻率133.8 Hz、五階頻率166.9 Hz均與上述故障特征頻率相近，如圖6、表2所示。

圖6 凝泵6A電機殼體頻響函數幅值曲線Fig.6 Condensate pump 6A motor shell frequency response function amplitude curve

表2 凝泵6A電機殼體固有頻率數據Table 2 Condensate pump 6A motor shell natural frequency data

由圖6、表2所述，得出凝泵6A電機殼體固有頻率的一階頻率17.0 Hz接近轉速1 100 r/min(相當于18.6 Hz)左右的頻率，可判定在第1轉速區間內電機存在工頻結構共振的現象。

而在第2轉速區間內振動出現的高倍頻分量的故障現象，可能的原因分析如下：

1)電機內部轉子出現斷條[7-8]現象，導致轉子出現電流短路，形成電磁力不均勻和轉子熱變形的現象，引起電機振動1倍頻、2倍頻分量的大幅上升以及部分高倍頻分量的上升，而電機在單體試轉時，振動1.0 mm/s以下，故該故障可能性較小。

2)電機內部定子線圈、鐵心等部件出現磨損、松動等故障現象，造成磁場不均勻，產生的新磁場頻率與本體鐵心機殼等機械部件產生諧振，兩者頻率相似或重合時，會產生共振現象。通常采取對電機進行解體檢查和重新安裝，可基本消除，故該故障有存在的可能性。

3)葉輪組在高速旋轉時所產生的葉片“通過頻率”與電機本體機械固有頻率相近或重合，會形成高倍頻的結構共振現象。如果葉輪組出現磨損、間隙較大等故障現象，會加劇結構共振，故此故障有存在可能性。而該凝泵泵軸上共有5級葉輪，首級葉輪葉片數為5片，第2級至5級葉輪葉片數為7片，可計算出相應的葉片通過頻率，計算式如下:

f=z·n/60

式中：f為葉片通過頻率，Hz；z為葉片數；n為轉速，r/min。

由式(1)計算可知，第2轉速區間內的葉片通過頻率為105～170 Hz，與電機殼體固有頻率的三階頻率116.9 Hz、四階頻率133.8 Hz、五階頻率166.9 Hz較為接近，可判定葉輪所產生的葉片通過頻率可能與電機固有頻率兩者接近，形成高倍頻結構共振的現象，而當凝泵葉輪組安裝狀態偏差時，轉子偏心加劇，會引起較大的激振力，加劇結構共振現象。

4 振動處理

4.1 動平衡處理

針對第1轉速區間內的結構振動現象，采取對凝泵電機進行動平衡的方法，經查詢電機結構圖，可知共有3處配重平面，分別為電機自由端、電機驅動端、凝泵聯軸器，如圖7所示。

圖7 凝泵電機配重平面示意圖Fig.7 Plan view of the counterweight of the condensate pump motor

凝泵為立式布置方式，其振動具有自下而上逐漸增大的特征。按振動理論將最大振動位置進行動平衡處理后，相應地電機整體振動幅值也會一并減小。決定在電機自由端處配重，相比另外兩處配重平面(電機驅動端安裝相對復雜，聯軸器配重塊較重[9-10])不僅安裝方便而且配重塊的質量較輕，還可明顯降低激振力，達到減振目的，效果好于其他兩處配重平面，如圖8所示。

圖8 電機自由端平衡面Fig.8 Free end balance surface of the motor

3臺凝泵電機動平衡后，振動明顯下降，均可在第1轉速區間內正常安全運行，配重前后試驗數據見表3。

表3 配重前后共振區振動對比Table 3 Comparison of vibration in resonance zone before and after counterweight

4.2 葉輪檢修處理

針對第2轉速區間的結構共振現象，決定采用改變電機殼體固有頻率、增加阻尼、減小激振力為目的處理措施，根據現場實際情況，采取以下處理措施：

1)檢查電機內部是否存在松動，緊固各連接面，以改變固有頻率和阻尼；

2)對凝泵葉輪葉片、導向軸承等的磨損程度進行檢查與檢修，減小葉片通過頻率引起的激振力。

利用調停機會，對凝泵6A電機本體與凝泵葉輪進行檢修，電機本體內部無明顯松動與磨損，但發現凝泵泵軸上葉輪底部的導向軸承磨損嚴重，間隙已達0.62 mm，已明顯超標(最大允許磨損間隙為0.52 mm)，進行更換與調整。啟動后，該轉速區間內振動明顯下降，最大振動2.7 mm/s，如圖9所示，并計劃將此檢修項目安排于其他2臺凝泵上。

圖9 凝泵6A葉輪處理后振動波特圖Fig.9 Vibration Bode diagram of condensate pump 6A impeller after treatment

5 結 語

通過對某電廠4臺凝泵電機的振動測試，通過測試、分析與處理，結論如下：

1)采用在電機自由端進行動平衡的方式成功解決了在第1轉速區間內振動大的現象，在此轉速區間內可正常運行。建議同類型的凝泵變頻改造后出現以1X倍頻分量的結構共振現象，應最先在電機自由端進行配重，但如果電機自由端無平衡位置，再考慮其他加重平面或在電機自由端加裝動平衡盤。

2)凝泵電機轉速在第2轉速區間內產生高倍頻振動，經分析判斷是由凝泵葉輪葉片產生的葉片通過頻率與電機本體的固有頻率相近或重合的可能性較大。采用對凝泵葉輪的檢修，可有效減少葉輪通過頻率產生的激振力來抑制和降低振動。