郭玉杰，王曉東，高宇，葉海庭

(1.河南電力試驗研究院，鄭州 450052；2.大唐信陽發(fā)電有限責任公司，河南 信陽 464100)

近年來，隨著變頻調速技術的日益成熟，大多數(shù)電廠把凝結水泵變頻改造作為一項重要的汽輪機專業(yè)節(jié)能技術措施。電廠凝結水泵的作用是將凝汽器中的凝結水輸送到除氧器中。傳統(tǒng)的凝結水泵是定速運行，屬于節(jié)流調節(jié)方式，水泵工作轉速在1 500 r/min左右，不隨汽輪發(fā)電機組有功負荷、除氧器水位變化而變化。

凝結水泵變頻調節(jié)主要是通過降低電動機的運行轉速，從而降低能耗達到節(jié)能效果，是變頻調速方式。其在運行中根據(jù)汽輪發(fā)電機組的有功負荷及除氧器水位要求而改變凝結水泵的運行轉速。某型超臨界660 MW汽輪發(fā)電機組配套的凝結水泵投產后變頻運行中出現(xiàn)了比較嚴重的振動問題，表現(xiàn)在某一轉速區(qū)域振動異常增大，類似汽輪發(fā)電機組柔性轉子的臨界轉速，導致無法變頻運行。

1 振動測試分析

電廠立式凝結水泵一般布置在汽輪機房零米以下，通過聯(lián)軸器與布置在零米基礎上部的電動機連接，如圖1所示。依據(jù)國家標準的有關規(guī)定，對于垂直的機器，能得到最大的振動測量讀數(shù)的位置應作為傳感器放置的方向，因此凝結水泵振動測量位置應靠近電動機上部軸承附近[1]。徑向振動測量方向需要互為垂直的兩個方向。

圖1 軸系簡圖

該型凝結水泵共4臺，機組每天配備2臺，一臺運行另一臺備用，即“一運一備”，2臺凝結水泵共用1個變頻調節(jié)器，變頻調速方式與工頻定速方式可以進行相互切換。試運行期間，4臺凝結水泵變頻運行中均出現(xiàn)了不同程度的振動問題，導致無法變頻調速，只能工頻定速運行。下面以其中的一臺為例進行分析。

該型電動機的主要結構參數(shù)為：長、寬、高分別為2 448 mm×1 260 mm×2 369 mm，質量為9 150 kg，額定功率為2 300 kW，額定電壓為6 000 V，額定電流為259 A。

該凝結水泵于2009年3月投產，工作轉速為1 500 r/min。2009年9月24日，對該凝結水泵進行了振動測試，現(xiàn)場振動試驗測量位置是電動機上部，測量方向是南北和東西方向，振動傳感器為速度傳感器。凝結水泵進、出水管道布置在南北方向，由于管道的支撐作用力影響，一般該方向振動值通常小于另一方向沒有管道連接的振動值。

測試工況有啟動升速、降速過程。運行方式采取變頻調速升速，升速到最高轉速1 500 r/min，手動打閘停機降速惰走。圖2為南北和東西方向的波德圖。

圖2 啟動升速、降速過程振動的波德圖

根據(jù)以上振動測試，該凝結水泵電動機振動特點如下：

(1)東西、南北方向軸承處振動頻率以基頻為主，無明顯低頻、高頻振動分量，振動性質為普通強迫振動；

(2)啟動升速過程中，在1 100 r/min時東西方向有一個振動峰值，達到955 μm，對應凝結水泵電動機變頻調速頻率為32 Hz，在1 100～1 200 r/min，振動峰值前后相位變化約173°；

(3)啟動升速過程中，在1 020 r/min時南北方向有一個振動峰值，達到788 μm，對應凝結水泵電動機變頻調速頻率是37.3 Hz，在900～1 100 r/min，最大振動峰值前后相位變化約151°；

(4)東西、南北方向的振動峰值前后區(qū)域基頻振動幅值、相位具有急劇變化的特點，與汽輪發(fā)電機組柔性轉子的動力學振動特性類似；

(5)最高轉速1 500 r/min時，東西方向振動大于南北方向，東西方向振動值達到81 μm，兩個方向相位差為61°；

(6)對比啟動升速與降速過程中的振動數(shù)據(jù)，相同轉速下振動變化不大，兩條曲線基本重合。

2 振動故障診斷

該立式電動機振動無明顯2倍頻振動，降速過程是在切斷電源后自然降速惰走下進行的，與啟動升速過程對比，兩條曲線基本上重合，說明電動機無熱彎曲現(xiàn)象，因此不存在定子電磁激振、動靜碰磨、氣隙不均勻、電動機發(fā)熱不均勻、轉子繞組故障等電氣方面的因素，也不存在轉子冷卻不均勻的故障[2]。

機械方面的因素主要有軸承失效、中心不正、質量不平衡及局部松動等。結合運行中軸承溫度、聲音和振動頻譜，基本上可以排除軸承異常問題。

由圖2可知，類似汽輪發(fā)電機組柔性轉子動力學的振動特性，主要表現(xiàn)在東西、南北方向基頻振動幅值和相位變化急劇，相位變化接近180°，分析振動原因是轉子-軸承-外殼系統(tǒng)共振。結合振動相位變化，可以確定東西方向的共振轉速為960 r/min，南北方向的共振轉速為1 140 r/min。還可確定共振放大因子，東西方向約為11.6，南北方向約為9.6，通常認為這時系統(tǒng)阻尼處于邊緣狀態(tài)[3]。

從圖2中還可以看出，電動機在變頻工作區(qū)域中存在明顯的振動峰值，而正常設計是不允許出現(xiàn)這種情況的，因此說明該型電動機的動剛度偏低。

機械因素造成的振動原因有：(1)轉子激振力大，處理方法是動平衡；(2)支承剛度偏低，處理措施是增加支承剛度，比如常用的現(xiàn)場加固等。從工作轉速下的振動值和經驗上判斷，認為該轉子激振力不大，應從增加支承剛度上開展工作，進行現(xiàn)場加固試驗。

3 處理措施和效果

2009年12月，采取了現(xiàn)場加固電動機的減振方法。實施方案為：首先焊接一個固定支架，并與基礎埋鐵進行焊接固定，進行探傷檢查，確保焊縫無裂紋、夾渣、未熔合等缺陷。然后用力錘激振法測試支架的固有頻率，避免支架共振。如果支架共振會使凝結水泵電動機振動放大，因此該項工作十分必要。最后是采用8個螺栓同時加固，如圖3所示，對稱方向同時加力，主要是解決剛度不足或不對稱的問題。凝結水泵電動機靜止時，利用力矩扳手進行螺栓預緊固。螺栓預緊固后，再次測量支架的固有頻率，測量結果應明顯高于未緊固時的頻率。

圖3 電動機加固受力示意圖

設備運行后，由于南北、東西方向剛度的不同及加固螺栓松緊度的變化，可能造成電動機振動的變化，根據(jù)設備振動狀況進行再次緊固。

處理后振動數(shù)據(jù)見表1?？梢钥闯?，東西方向共振轉速960 r/min時，電動機上部振動值降低到78 μm。南北方向共振轉速1 140 r/min下，電動機上部振動值降低到66 μm。整個變頻運行區(qū)域，東西、南北方向的振動值均小于78 μm，振動值處于合格范圍，可以滿足運行要求。

振動值的計算式為

(1)

式中：P為激振力；Kd為部件的動剛度，表示部件產生單位振幅所需的交變力。

對比圖2和表1可以看出，電動機加固后振動幅值明顯減小。由(1)式可知，在激振力P不變時，振動幅值A與動剛度Kd成反比。因此，可以證明加固后動剛度得到顯著提高。

另外3臺凝結水泵也采取了相同處理方法，效果非常明顯，基本上解決了變頻運行中的振動問題。至此，該型4臺凝結水泵均可以采取變頻調速方式運行。

需要強調的是，引起立式電動機振動的因素很多，有定子電磁激振、氣隙不均勻、轉子繞組故障、質量不平衡、軸承失效、中心偏差大、結構共振等，對應有不同的檢查和處理方法。

4 結論

(1)立式凝結水泵變頻運行中，一個主要特點是某個方向在某個轉速下出現(xiàn)振動峰值，同時該轉速前后基頻相位也發(fā)生較大變化，東西、南北方向振動與轉速關系特性類似。振動頻率以工頻為主，振動性質為強迫振動。引起立式凝結水泵變頻運行的振動原因是轉子-軸承-外殼系統(tǒng)共振。通過現(xiàn)場加固，有效降低了立式凝結水泵變頻運行的振動水平，可以滿足運行要求。

(2)共振轉速前后，振動出現(xiàn)明顯峰值，相位變化接近180°。

(3)立式凝結水泵變頻運行中的振動問題，應引起制造廠家的高度重視，在設計階段應考慮到此問題，在變頻運行轉速之內應避免轉子-軸承-外殼系統(tǒng)產生共振。