YLST500-4電機變頻改造后振動原因分析及處理

沙角A電廠 劉永生

1 引言

隨著國家能源戰(zhàn)略的深入，很多電廠對定速運行、節(jié)流調(diào)節(jié)導(dǎo)致功耗較高的凝結(jié)水泵電動機進行變頻改造[1]，達到了良好的節(jié)能效果。某電廠330MW 汽輪機組配置凝結(jié)水泵組變頻改造后取得較好經(jīng)濟性能，但是泵組配置的YLST500-4電機長期運行中在低轉(zhuǎn)速區(qū)域電機上機架振動異常增大，導(dǎo)致水泵無法在低速區(qū)域經(jīng)濟安全運行。本文通過對該案例振動成因進行了探討分析，并提出了解決問題的方法，為類似變頻改造后電機產(chǎn)生的振動問題處理提供參考。

2 案例設(shè)備概括

某電廠汽輪機組為上海汽輪機生產(chǎn)的N300-170/537/537汽輪機組，配置有2臺100%容量的沈陽水泵股份有限公司生產(chǎn)的9LDTN-6-A 凝結(jié)水泵組。凝結(jié)水泵是6 級葉輪的立式筒袋型離心泵[2]，水泵組轉(zhuǎn)子重量和運行中產(chǎn)生的軸向力由設(shè)置在電機上部機架內(nèi)部的推力瓦軸承承擔。水泵組配用拖動電機是湖南湘潭電機廠80年代生產(chǎn)的立式異步電動機，型號為YLST500-4，額定轉(zhuǎn)速1487r/min，功率1000kW。

隨著電機變頻節(jié)能技術(shù)的逐漸成熟，某電廠#5機B凝結(jié)水泵電機于2015年進行變頻節(jié)能改造，改造后機組系統(tǒng)實現(xiàn)節(jié)能降耗，具有良好的經(jīng)濟性。

雖然改造取得良好節(jié)能效果，但變頻改造后的凝結(jié)水泵電機在28～35Hz 頻率區(qū)域出現(xiàn)了大幅值振動。在分析機組正常運行最小負荷下的凝結(jié)水泵最小流量及最小揚程的需求后，設(shè)定電機工作頻率區(qū)域為35～48Hz，凝結(jié)水泵組可以在合格的振動幅值范圍內(nèi)正常運行。但是在設(shè)備運行中仍然發(fā)現(xiàn)凝結(jié)水泵電機出現(xiàn)振動幅值緩慢爬升的現(xiàn)象，凝結(jié)水泵電機在工作頻率區(qū)域35～38Hz 出現(xiàn)較大的振動幅值，最高達0.32mm，電機上機架中的推力軸承各瓦塊溫差達8℃以上，無法繼續(xù)在變頻條件下安全運行，此時改造前凝結(jié)水泵軸承振動測量報表見表1。

表1 改造前凝結(jié)水泵軸承振動測量報表

3 振動原因分析

凝結(jié)水泵電機長期以來轉(zhuǎn)速進入下限頻率區(qū)域時存在上機架振動超標問題，迫切需要及時采取可靠的措施進行減振處理，以保障設(shè)備的經(jīng)濟、可靠、安全地運行。

參照電機在運行中劣化的各種表現(xiàn)形式，結(jié)合電機的結(jié)構(gòu)圖紙、設(shè)備臺賬等，對導(dǎo)致泵組振動的劣化成因進行深入調(diào)查和分析，如凝結(jié)水泵基礎(chǔ)平臺發(fā)生沉降現(xiàn)象、電機箱體剛度下降、電機定子和轉(zhuǎn)子絕緣變差、現(xiàn)存檢修工藝存在缺陷等問題，最終分析出導(dǎo)致泵組振動加大的原因是上機架剛度不足。

YLST500-4型電機上機架結(jié)構(gòu)如圖1所示，電機轉(zhuǎn)子由安裝在上、下機架軸承室內(nèi)的32000 系列滾子軸承和6000系列滾動軸承聯(lián)合定位固定。雙滾動軸承配置結(jié)構(gòu)的主要作用是承受電機徑向力，確保轉(zhuǎn)子軸線始終與電機箱體保持同心。電機上機架內(nèi)安裝有推力瓦軸承，承擔泵、電機轉(zhuǎn)子重量和水泵組運行中產(chǎn)生軸向推力。

圖1 YLST500-4型電機上機架結(jié)構(gòu)

雙滾動軸承與推力瓦軸承聯(lián)合設(shè)計結(jié)構(gòu)的立式電機具有滾動軸承的優(yōu)缺點。減振能力差的特點，決定了電機的安裝精度要求較高，表現(xiàn)為電機裝配過程對泵組整個軸線擺動度、垂直度要求高。具體包括有3 個方面：一是水泵基礎(chǔ)臺板機架水平度要求較高。電動機箱體不垂直，將可能使雙滾動軸承或上機架蓋板徑向承載超限，因此基礎(chǔ)臺板機架法蘭水平度應(yīng)小于0.02mm/m。二是推力軸承鏡板水平度要求較嚴格[3]。如果鏡板水平不合格，將導(dǎo)致推力軸承的各推力瓦塊受力不均勻而超溫和電機軸擺度過大。由于兩端蓋板的滾動軸承抗振性較差，容易因此誘發(fā)大幅振動，為此要求鏡板面安裝水平度小于0.02mm/m。三是轉(zhuǎn)子軸線與箱體垂心線重合度要求精確。該類型的電機承擔水泵轉(zhuǎn)子的重量和軸向力，為此電機軸與泵軸連成一條軸線。電動機箱體內(nèi)兩端滾動軸承與箱體動靜間隙很小，為防止整條軸線擺度過大，電機滾動軸承承受的沖擊力過大，甚至造成動靜部分碰磨，要求電機轉(zhuǎn)子軸線豎直度為0.02mm/m。其中水泵基礎(chǔ)臺板機架水平度與轉(zhuǎn)子軸線與箱體垂心線重合度安裝要求互相影響，因此本電機裝配條件要求比較嚴苛，上述某一條件不滿足就有振動突增的風險。

在檢查電動機的軸擺度時發(fā)現(xiàn)電動轉(zhuǎn)子空轉(zhuǎn)時擺度合格，但當電動機與水泵對中完并連接上聯(lián)軸器后，再次檢查擺度不合格，此時拆開上機架檢查孔檢查推力軸承的各推力瓦有松動現(xiàn)象，主要原因是電機上軸承支架蓋板存在平面變形缺陷，進一步檢查發(fā)現(xiàn)缺陷在本廠同類電動機上普遍存在。深入論證分析可能與廠家的設(shè)備使用說明書的檢修步驟說明不完善和多年來檢修程序存在瑕疵有關(guān)，具體有以下幾點。

一是設(shè)備說明書的檢修步驟說明不完善。電機設(shè)備說明書的檢修步驟要求先嚴格找正推力鏡板水平使電機轉(zhuǎn)軸豎直，然后直接組裝蓋板和徑向滾動軸承。這種組裝方法沒有考慮到電機自身結(jié)構(gòu)在長期運行中存在箱體和連接法蘭變形、轉(zhuǎn)子彎曲等問題，直接按推力鏡板找水平得到的電機轉(zhuǎn)軸豎直線與兩端滾子軸承定位的軸線將產(chǎn)生較大的偏差。

二是檢修程序存在瑕疵。檢修程序沒有綜合考慮到電機轉(zhuǎn)子和水泵轉(zhuǎn)子連接成一條彎曲軸線時產(chǎn)生的變化。泵組臺板在運行中無可避免地產(chǎn)生沉降，檢修時軸間對中存在誤差或其他原因都將使電機基礎(chǔ)水平發(fā)生了變化且難以糾正，泵組整個軸線將發(fā)生偏斜現(xiàn)象。

原有的裝配方法將使電機轉(zhuǎn)軸線與物理垂線不重合，即電機箱體兩端蓋板的徑向滾動軸承定位的電機軸和按物理豎直線調(diào)整的推力瓦水平面不垂直。這個不垂直量的產(chǎn)生將使運行中凝結(jié)水泵電機推力軸瓦上的各個瓦塊受力不一致，導(dǎo)致推力軸承內(nèi)個別推力軸瓦溫度較高，推力軸瓦溫差變大。按照反作用定理，上機架蓋板和滾動軸承也承受較大的交變應(yīng)力和比上機架剛度設(shè)計值大得多的轉(zhuǎn)動慣量。長期承受超標載荷的軸承組振動將逐漸增大，承受沖擊力較大的上支承蓋板產(chǎn)生撓性變形，使電機承載能力下降，導(dǎo)致電機振動幅值逐步放大，進入惡性循環(huán)。

4 改進方案

凝結(jié)水泵基礎(chǔ)是較大型的建筑工程，因此凝結(jié)水泵基礎(chǔ)在長期運行發(fā)生沉降后，重新調(diào)整泵的基礎(chǔ)臺板水平是一項經(jīng)費支出較高、工程量大、工期長的工作，對電廠維護檢修工作是較沉重的負擔。根據(jù)目前現(xiàn)場條件，要維持凝結(jié)水泵長期安全正常運行，同時滿足電機在變頻節(jié)能改造后的運行條件，只能加強該類型電機的箱體與上機架剛度，實施現(xiàn)場動平衡校正從減少電機激振力著手。但實施現(xiàn)場動平衡校正只能減少剩余不平衡量導(dǎo)致的激振動現(xiàn)象，不能徹底解決泵組長期運行中存在共振動問題，因此必須改造電機上機架或箱體結(jié)構(gòu)，增加剛度，改進電機組裝工藝，充分利用滾子軸承的自調(diào)能力，減少基礎(chǔ)沉降對電機沖擊力的影響。

4.1 消振改進采取的方法

改進電機蓋板，增強上機架的剛度。不改動電機整體結(jié)構(gòu)，更換原有已變形的蓋板，重新設(shè)計一個增加1 倍厚度的新蓋板，新蓋板增加兩個調(diào)整推力頭鏡板水平用的檢修孔，各觀察孔和檢修孔間加焊肋條增強，以增加蓋板承受徑向載荷能力。改進時要注意校正上下軸承中心孔連線和電機箱體中心線的同心度合格。對凝結(jié)水泵電機上機架進行加厚蓋板改造，達到提高上機架剛度、增加電機承受沖擊載荷的能力。改善電機檢修裝配流程，安裝時始終確保電機軸線與推力鏡板垂直，減少電機運行中的激振力，達到消振的目的。新裝配工藝方法如下。

一是先置入推力軸承并調(diào)整好高度，轉(zhuǎn)子重量轉(zhuǎn)移到推力軸瓦上，粗調(diào)整鏡板水平，裝復(fù)推力頭等。二是安裝上蓋板徑向軸承和上蓋板并緊固好連接螺栓。三是打開蓋板上的全部觀察孔，推動各推力軸瓦檢查松緊情況，依據(jù)推力瓦受力情況調(diào)節(jié)推力軸瓦支柱螺栓，頂高或放低推力軸瓦，使各推力軸瓦受力均勻。四是把電機軸分為8 等份，轉(zhuǎn)動電機軸在各點停下檢查各推力軸瓦松緊情況，頂高或放低推力軸瓦，使各推力軸瓦受力均勻。五是盤動電機轉(zhuǎn)軸幾圈，依步驟三調(diào)整，直至推力軸瓦在整圈各點推力軸瓦無松動為止。六是完成上述工作后，檢查電機軸擺度合格，為連接泵軸做好準備。

經(jīng)檢修單位安裝人員確證，上述安裝過程步驟簡單易行，推力瓦接觸情況也比較真實，只需要電機軸彎曲和泵組對中合格基本可以保證整個軸線擺度合格。通過上述簡單工藝流程改進方案，以較低的成本減少凝結(jié)水泵電機軸承組在泵組基礎(chǔ)發(fā)生沉降時承受的沖擊力，防止電機剛度在運行中劣化，確保電機保持長期、安全、節(jié)能地運行。

4.2 改進后分析對比

安裝好的#5 機B 凝結(jié)水泵組根據(jù)機組運行需要標定凝結(jié)水泵最低變頻轉(zhuǎn)速為1060r/min 后投入運行進行檢驗。B 凝結(jié)水泵組電機振動測量結(jié)果顯示效果顯著，最大振動幅值不大于0.025mm，電機推力瓦溫最大溫度不大于50℃，各瓦溫差不大于2℃，各參數(shù)都達到優(yōu)秀值。此時B 凝結(jié)水泵組電機改進后凝結(jié)水泵軸承振動測量報表見表2。

表2 改進后凝結(jié)水泵軸承振動測量報表

至此，在不增加檢修工藝復(fù)雜性、工作量情況下，#5 機B 凝結(jié)水泵電機通過加裝改進型蓋板、改進檢修工藝，泵組在運行中上機架最大振動幅值從0.32mm下降至0.025mm，下降幅度超過92%,各推力瓦溫差下降7℃，下降幅度超過77%，水泵組運行條件改善程度顯著。

5 結(jié)論

研究人員通過對各種立式泵和電機檢修中的實踐和摸索，打破固有理念，從現(xiàn)場實際情況出發(fā)，解決立式泵電機調(diào)整推力瓦平面與電機兩端蓋板徑向軸承中心線垂直度調(diào)整、立式泵轉(zhuǎn)軸與電機軸連接的擺度問題的工藝方法，通過加厚蓋板提高電機上機架剛度解決了長期影響機組可靠性的凝結(jié)水泵電機變頻運行振動大的問題。此次改造項目的成功滿足了機組提高長期安全性運行要求，為類似變頻改造后電機產(chǎn)生的振動問題處理提供參考。