化肥廠循環水泵振動問題的分析及處理

李佳朋

（中國石油大慶石化公司化肥廠，黑龍江大慶 163000）

0 引言

化肥廠離心泵在使用時，可能會因為泵的實際工作揚程、流量與工作狀態值偏差或葉輪間隙超差、軸承潤滑不良等原因而產生振動故障。本文針對化肥廠熱網多個循環泵并聯時，一臺工率水泵的實際工作揚程較小，當流量大大超出額定流速時會造成離心泵葉輪通過頻率異常、振動值超出標準。采用離線振動數據收集裝置，對泵的各種開啟模式進行適當限定，分析、研究水泵的振動頻譜圖、波形解調圖以及泵軸力，從而對振動故障進行定位和排除。

1 系統概述及設備簡介

1.1 熱網系統概述

熱網泵站包括4 個熱網循環泵其中熱網循環泵A、B 采用的是變頻式泵，C、D 采用的是工頻泵，4 個熱網循環泵管網結構為一條母管布局。其中，熱網循環泵進流口與熱網循環水母管相連通，熱網循環泵排出端與熱網換熱器給水總管相連，熱網循環水與熱網換熱器的出口處相連。

該集中供暖網絡系統的給水系統設計為120 ℃，蒸汽壓10 m（H2O），剩余3～5 m（H2O）富壓。如果將熱網的相對標高設為0 m，則可得出供熱系統中最不利回路的最高高度為55 m。這樣，為確保循環泵停機時管道頂上的水位不會蒸發，且存在5 m（H2O）的富壓，靜壓線應超過70 m（10 m+55 m+5 m），因而采用70 m 的靜壓力。此外，為確保系統的總回水壓不低于30 m（H2O），同時還要兼顧外部網絡的流速等因素，將外部網絡的啟動壓設定為1.18 MPa。

1.2 熱網循環泵設備

熱網循環泵的型號是SM400-720，流量3550 t/h（最大3920 t/h），定揚程130 m（H2O），軸功率1397 kW。然而，熱網式循環泵電機采用變頻器控制，電機型號為YSPKK560-4，額定功率1600 kW，額定電壓為6 kV，額定電流182.8 A，恒力矩頻率為20～50 Hz。其余2 臺熱網式循環泵電機采用的是工頻電機，型號為YSBPKK500-4，額定功率1600 kW，額定電壓6 kV，額定電流174 A。

1.3 振動分析診斷

在每年例行的月度狀態監控中，對變頻熱網式循環水泵進行振動檢測，測得的信號頻率情況見表1。

表1 C 熱網循環泵月度狀態監控的通頻值 mm/s

由表1 可知，電機驅動端垂直方向和水平方向的測量點通頻都大于警戒線2.7 mm/s，泵驅動端和非驅動端水平方向的測量點通頻大于警戒數值4.4 mm/s，而在非驅動端非驅動端水平方向的信號通頻大于危險值4.4 mm/s，在泵驅動端垂直方向、軸向方向和泵非驅動端垂直方向上的信號通頻率均在7.0 mm/s 以上。

從頻譜分析可以看出，1X 葉片在泵的傳動和自由端的流經和2X 葉片的流經次數都有很大的變化，最高達到了5.935 mm/s。對抽油機的波形解調曲線進行分析，結果表明：在20～40 g，泵的主動和自由側的橫向沖擊力最大（圖1）。而且，泵身還能聽到沙粒穿過水泵的聲響，這時的熱網式循環泵工作狀態很差，產生大量的噪聲和振動，氣蝕現象是由于水中壓力不均產生的氣泡炸裂，所以經常會聽到金屬撞擊的聲音，嚴重時甚至會發出爆炸聲。

圖1 頻譜圖

檢查C 熱網式循環泵進口壓力為0.65 MPa，進氣口壓力達到5.8 m 所需要的氣蝕量，從而可以消除由進口壓差引起的空化。因為A、B 兩個熱網循環泵是變頻器控制，工作頻率為36.5 Hz，C 熱網式循環泵又是一種工業全速泵，因此C 熱網式循環泵因為3 個水泵的流量不一致，造成C 熱網式循環泵的流體在液體中機械振動使其內部壓強發生變化，當壓力降低時候流體內部或者在一些界面上會出現結構斷裂從而形成空腔。然而，由于C 熱網式循環泵的出口沒有安裝流量計，所以不能準確地判定其流量，而且那時正值供暖季節；D 熱網循環泵出現了問題，暫時沒有后備水泵，因此不能進行判定。因此，計劃在供暖季節末進行實驗，在這段時間內對熱網循環泵進行監測，包括振動情況和軸承的溫度。

2 振動問題分析

2.1 循環水泵的工作狀態

（1）2022 年4 月5 日8:18，在供熱系統關閉后，關閉供熱系統蒸汽、只留水運行。A、B 熱網循環泵的運行頻率分別為36 Hz，C 熱網循環泵運行電流175 A、循環流量10 629 t/h、0.65 MPa 的泵進總管的壓力，A、B、C 熱網循環泵的輸出壓力分別為1.15 MPa。

（2）8:55，B 熱網式循環泵停止工作，A 熱網式循環泵的工作頻率為35.4 Hz，C 熱網式循環泵的運行電流為176 A。在循環流量達到8748 t/h 時，水泵進口主管道的壓力為0.65 MPa，A、C 熱網循環泵的輸出壓力分別為1.05 MPa。通過B 熱網式循環泵停止運轉后的流量的改變，可以推導出B 熱網式循環泵在36 Hz的并聯工況下輸出速度為1880 t/h。這樣，在36 Hz 的情況下，A熱網絡循環泵在并聯操作期間的出水量約為1880 t/h；在175 A的情況下，C 熱網絡的循環泵在并聯工況下的出水量約為6868 t/h。然而，在3 個水泵并聯運行時，各個水泵的出水量處于一個較好的均衡，因此C 熱網的循環水泵的出水量要比理論值（6868 t/h）小，A、B 熱網的實際出水量要比理論值（1880 t/h）大得多。

（3）9:20，C 熱網式循環泵停止運轉，A熱網式循環泵的工作頻率維持35.3 Hz，循環流量達到4192 t/h，泵進氣口主管道壓力為0.65 MPa，A 熱網式循環泵的輸出壓力為0.95 MPa。從C 熱網絡系統中的循環泵停止運行后，其流量的改變可以驗證以上結論。由于在A 和C 熱網循環泵并行操作期間，盡管總流速為8748 t/h，但在頻率為35.3 Hz 的工況下，熱網循環泵的輸出流一定要大于A 熱網循環泵的出水量，但A 熱網循環水泵獨立工作時兩者之間沒有任何的影響，因此A 熱網循環泵的出口流速要比并聯時更大。

（4）9:21，關掉A 熱網循環泵，在進入主管處的壓力達到0.7 MPa。在經過穩壓后，水泵出口處的主管壓達到0.7 MPa。這時，0.7 MPa 是由供暖系統內部和外部網絡的高度差異引起的靜壓力。

（5）9:32，C 熱網式循環泵被分開啟動，電機電流175 A，在循環流量達到6563 t/h 后，泵主管的進口壓力和輸出的壓力分別為0.65 MPa 和1.2 MPa，這時C 熱網循環泵的工作范圍是55 m，而額定揚程是130 m。從圖1 中可以看到，55 m 的揚程比標稱的130 m 要小得多。

當流速增大時，泵的揚程成反比例減小，而軸功率則呈線性增大；空化剩余部分成比例增大。當泵的出液面壓達到1.2 MPa，也就是水泵本身可以揚水的高度55 m 時，其流速達到6563 t/h，相當于額定的2 倍左右。結果表明，C 熱網式循環泵在運行時，其實際揚程為75 m，由于泵站的平衡位置會朝較大的方向運動，導致流量持續增加；最終達到額定的流量，同時在一定流量和揚程下，原動機單位時間內給予泵軸的功也在繼續增大。而在6563 t/h 時，沒有反映出泵的工作特性，如果持續運轉則會出現超出額定的流量，造成電機超負荷運行甚至燒壞的情況。為了設備的安全性，在該工作狀態下首先應進行軸動力的估算。

2.2 軸功率計算

軸功率是在某一特定的流速和高度下，對泵的運行進行單位周期的工作。軸功率是一個專門的名詞，通常用于泵，也就是軸向作功元件（葉輪）傳遞電力，該電源的容量低于電機的標稱。

水泵的軸力N 為：

式中 N——軸力，kW

Q——流量，m3/h

H——真實揚程，m

r——媒介濃度，t/m3

θ——泵的工作效能（0.6～0.85），通常為0.85

對C 熱網泵的軸力進行分析，得出6563 t/h 的C 熱網泵的軸功為6563×55×1/（367×0.85）=1157 kW，小于泵的額定軸功率1396.7 kW，更遠低于相應電機的過載保護動作。

2.3 節流和振動的診斷

C 熱網循環泵采用的是一種工作頻率的控制，不能用來調整流量。所以，可以通過調整排氣閥的開啟，調整排氣量，從而找到最優的工作平衡。它是一類具有關閉啟動模式的離心式水泵，其啟動邏輯是開啟式的，因此當出口門打開程度為20%的時候，將排氣閥開關到原位、中間閥關閉，這時循環水流量為3050 t/h、小于額定流量。出口門打開到28%時循環水量為4000 t/h，當要收集振動數據的時候，發現循環水的流量出現不穩定的變化，而且一直上升至4600 t/h。由于外部網絡的回用水較多，因此要采取穩定措施。試驗結束后進行首次的振動監控，特定的頻率值如表2 所示。

表2 試驗結束后首次監控的泵通頻值 mm/s

由表2 可知，各個測量點處的信號頻率都下降到警示值之下，說明了解析的正確性，盡管運轉速度過高，并未引起電機過負荷，然而會對泵的葉輪運行產生很大干擾。再將頻譜圖和波形解調圖進行對比，發現泵的傳動和自由側1X 葉片和2X 葉片的流經頻率仍然有峰值，但幅度已經明顯下降，最大值為1.799 mm/s，而泵的驅動力和自由端部的橫向沖擊力值均低于30 g，泵體內也只有細微的砂流聲，泵的空化問題明顯減少。因此，隨著泵的流速減少，泵的流量也相應變低，泵的振幅也明顯下降。接著將小孔閘門的開啟狀態持續關閉至16%，當循環流量達到3900 t/h時再次進行振動監控，具體傳輸數值如表3 所示。

表3 關小出口閘門開度后泵的通頻值 mm/s

從表3 和表2 可以看出，每個測量點的頻率都有一個降低。并將頻譜圖和波形圖進行了進一步的解析，發現在泵的驅動和自由端1X 葉片的流經和2X 葉片的流經頻峰都被再次降低，最大值只有1.084 mm/s。抽油機的主動和自由側的橫向沖擊值均小于12 g，僅出現極小的振蕩，泵體異聲和空化現象均被去除；該系統的工作條件是良好的。

3 改善方案

從以上分析和診斷可知，C 熱網式循環泵的葉片通過頻率高、振動值大，其關鍵是要把水泵的揚程和流速保持在適當位置。在考慮改造成本、可操作性、可靠性和施工難度等因素的前提下，對兩套熱網式循環泵進行了改進。

（1）節流氣門。在C、D 熱網循環泵的出料管上分別加裝一臺流量傳感器，并依據儀表和輸出壓力表的數據，適當調節水泵的出料開度；通過對泵的出水量及揚程進行調節，使其達到最優工作狀態。

（2）增加頻率轉換裝置。在C、D 熱網循環泵電機加裝變頻器，由原來的工作頻段改為變頻，可以根據不同的頻率調節轉速，從而實現對揚程、流速的調節，保證熱網式循環機在適當的工作條件下工作。

（3）將電機換成小型氣輪機。采用輔助蒸汽法，將熱網式循環泵電機的傳動模式變為小型汽輪，這樣可以在適當的條件下調節熱網循環泵的運轉速度，從而調節其揚程和流量。

（4）車銑葉輪。根據水泵特性，采用葉片的方式使水泵的揚程下降，減少余量，并調節水泵的轉速、減少其振動。

4 結論

針對熱網循環泵的故障進行分析與判斷，采用離線數據采集分析、工作狀態分析、軸功率分析、節流分析等分析手段，得出導致水泵振動的根本原因是由于葉片經過的頻率較高，導致風機運行的較高，造成泵工作狀態與工作狀態的偏差。同時，對水泵的出水率和揚程進行控制，從根本上解決了振動高的問題。本文還給出了一些解決方案，以增加對系統的可靠性和可靠性。