陳 波，趙一煒，李甲駿，盧 彬，祁亞靜

（河北張河灣蓄能發(fā)電有限責(zé)任公司，河北 石家莊 050300）

技術(shù)供水管路伸縮節(jié)在蓄能電站的實際應(yīng)用

陳 波，趙一煒，李甲駿，盧 彬，祁亞靜

（河北張河灣蓄能發(fā)電有限責(zé)任公司，河北 石家莊 050300）

張河灣抽水蓄能電站1號機(jī)組技術(shù)供水在管路改造過程中，將技術(shù)供水泵出口與技術(shù)供水過濾器之間采用不銹鋼管路及法蘭連接，引起管路振動和技術(shù)供水泵軸承垂直振動加大，導(dǎo)致技術(shù)供水泵機(jī)械密封磨損并出現(xiàn)甩水情況。通過分析，采用技術(shù)供水管路伸縮節(jié)解決了技術(shù)供水泵振動問題。

技術(shù)供水；管路；振動；伸縮節(jié)

1 引言

河北張河灣蓄能發(fā)電有限責(zé)任公司（簡稱“張河灣抽水蓄能電站”）位于河北省石家莊市井陘縣境內(nèi)，距石家莊市直線距離為53 km，公路里程為77 km。張河灣電站設(shè)計安裝4臺250 MW單級混流可逆式水泵水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量1 000 MW，以一回500 kV線路接入河北南部電網(wǎng)，主要承擔(dān)系統(tǒng)調(diào)峰、填谷、調(diào)頻、調(diào)相等任務(wù)，并且在電網(wǎng)故障甚至瓦解時，可以充當(dāng)電網(wǎng)最佳的緊急事故備用和“黑啟動”電源。

張河灣抽水蓄能電站在1號機(jī)組技術(shù)供水管路改在期間,將技術(shù)供水泵連接方式采用不銹鋼管路和法蘭連接方式連接，導(dǎo)致技術(shù)供水泵管路及技術(shù)供水泵主軸振動加大。我廠技術(shù)人員通過認(rèn)真分析原因，采取有效處理措施，減小了技術(shù)供水泵管路及技術(shù)供水泵主軸振動。下面就張河灣電站1號機(jī)組技術(shù)供水管路結(jié)構(gòu)、振動原因分析及處理方案和措施進(jìn)行詳述。

2 1號機(jī)組技術(shù)供水管路結(jié)構(gòu)及技術(shù)供水泵介紹

張河灣抽水蓄能電站1號機(jī)組技術(shù)供水系統(tǒng)每個單元設(shè)2臺水泵，一臺工作一臺備用，水源取自本機(jī)組尾水管擴(kuò)散段，排至下庫。過濾器自動排污至排水總管，手動排污至集水井。機(jī)組技術(shù)供水系統(tǒng)由供水泵、過濾器、冷卻器、閥門、表計及對應(yīng)的管路組成，為機(jī)組及主變提供冷卻水，同時為主軸密封提供潤滑水。

技術(shù)供水系統(tǒng)AA811至AA812為明管段，技術(shù)供水管路、技術(shù)供水出口閥AA812供水側(cè)及技術(shù)供水過濾器進(jìn)口閥AA811取水側(cè)，均采用混泥土澆筑預(yù)埋管路方式，技術(shù)供水泵及技術(shù)供水過濾器采用支架安裝固定。具體結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 技術(shù)供水管路圖

我廠技術(shù)供水泵采用立式泵單級離心泵,技術(shù)供水泵各技術(shù)參數(shù)如表1。它的特點是工作揚程大，其工作原理是利用葉輪旋轉(zhuǎn)而使水發(fā)生離心運動來工作的。水泵在啟動前，必須使泵殼和吸水管內(nèi)充滿水，然后啟動電機(jī)，使泵軸帶動葉輪和水做高速旋轉(zhuǎn)運動，水發(fā)生離心運動，被甩向葉輪外緣，經(jīng)蝸形泵殼的流道流入水泵的壓水管路。立式泵的工作原理是：泵軸帶動葉輪一起作高速旋轉(zhuǎn)運動。

表1 技術(shù)供水泵各技術(shù)參數(shù)

3 故障現(xiàn)象及原因分析

3.1 故障現(xiàn)象及危害

由于原管路運行時間長導(dǎo)致管路腐蝕嚴(yán)重，于2016年對1號機(jī)組技術(shù)供水管路進(jìn)行改造，將管路及閥門更換為不銹鋼材質(zhì)。改造后，技術(shù)供水泵AP811至逆止閥BU811采用DN300不銹鋼管路及法蘭連接。管路打壓試驗正常，啟動技術(shù)供水泵后發(fā)現(xiàn)兩臺技術(shù)供水泵振動均較大，振速為4.4 cm/s，且技術(shù)供水泵運行8 h后技術(shù)供水泵主軸出現(xiàn)甩水情況。

振動超標(biāo)的危害主要有:造成機(jī)組不能正常運行；引發(fā)電機(jī)和管路的振動，造成機(jī)毀人傷；造成軸承等零部件的損壞；造成連接部件松動，基礎(chǔ)裂紋或電機(jī)損壞；造成與水泵連接的管件或閥門松動、損壞；形成振動噪聲。

3.2 原因分析

水泵機(jī)組振動的原因很復(fù)雜，從引發(fā)振動的起因看主要原因有：

（1）電機(jī)結(jié)構(gòu)件松動，軸承定位裝置松動，鐵芯硅鋼片過松，軸承因磨損而導(dǎo)致支撐剛度下降，會引起振動。

（2）驅(qū)動裝置架與基礎(chǔ)之間采用的接觸固定形式不好，基礎(chǔ)和電機(jī)系統(tǒng)吸收、傳遞、隔離振動能力差，導(dǎo)致基礎(chǔ)和電機(jī)的振動都超標(biāo)。水泵基礎(chǔ)松動，或者水泵機(jī)組在安裝過程中形成彈性基礎(chǔ)，或者由于油浸水泡造成基礎(chǔ)剛度減弱，從而使水泵振動頻率增加，如果增加的頻率與某一外在因素頻率接近或相等，就會使水泵的振幅加大。另外，基礎(chǔ)地腳螺栓松動，導(dǎo)致約束剛度降低，會使電機(jī)的振動加劇。

（3）聯(lián)軸器連接螺栓的周向間距不良，對稱性被破壞；聯(lián)軸器加長節(jié)偏心，將會產(chǎn)生偏心力；聯(lián)軸器錐面度超差；聯(lián)軸器靜平衡或動平衡不好；彈性銷和聯(lián)軸器的配合過緊，使彈性柱銷失去彈性調(diào)節(jié)功能造成聯(lián)軸器不能很好地對中；聯(lián)軸器與軸的配合間隙太大；聯(lián)軸器膠圈的機(jī)械磨損導(dǎo)致的聯(lián)軸器膠圈配合性能下降；聯(lián)軸器上使用的傳動螺栓質(zhì)量互相不等。這些原因都會造成振動。

（4）葉輪是泵的最主要的部件。它將原動機(jī)輸入的機(jī)械能傳遞給液體，使液體的能量得到提高。葉輪一般由前蓋板、后蓋板、葉片及輪轂組成。液體由葉輪中心進(jìn)入，流經(jīng)前、后蓋板間由各葉片形成的通道，由輪緣排出。其失效形式主要表現(xiàn)在:

1）葉輪偏心。葉輪制造過程中質(zhì)量控制不好，比如，鑄造質(zhì)量、加工精度不合格；或者輸送的液體帶有腐蝕性，葉輪流道受到?jīng)_刷腐蝕，導(dǎo)致葉輪產(chǎn)生偏心。

2）使用中葉輪口環(huán)與泵體口環(huán)之間、級間襯套與隔板襯套之間，由最初的碰摩，逐漸變成機(jī)械摩擦磨損，這些將會加劇泵的振動。

（5）軸很長的泵，易發(fā)生軸剛度不足，撓度太大，軸系直線度差的情況，造成動件（傳動軸）與靜件（滑動軸承或口環(huán)）之間碰摩，形成振動。另外，泵軸太長，受水池中流動水沖擊的影響較大，使泵水下部分的振動加大。軸端的平衡盤間隙過大，或者軸向的工作竄動量調(diào)整不當(dāng)，會造成軸低頻竄動，導(dǎo)致軸瓦振動。旋轉(zhuǎn)軸的偏心，會導(dǎo)致軸的彎曲振動。

（6）每臺泵都有自己的額定工況點，實際的運行工況與設(shè)計工況是否符合，對泵的動力學(xué)穩(wěn)定性有重要的影響。水泵在設(shè)計工況下運行比較穩(wěn)定，但在變工況下運行時，由于葉輪中產(chǎn)生徑向力的作用，振動有所加大；單泵選型不當(dāng)，或是兩種型號不匹配的泵并聯(lián)。這些都會造成泵的振動。

（7）軸承的剛度太低，引起振動。推力軸承和其他的滾動軸承的磨損，則會使軸的縱向竄動振動以及彎曲振動同時加劇。潤滑油選型不當(dāng)、變質(zhì)、雜質(zhì)含量超標(biāo)及潤滑管道不暢而導(dǎo)致的潤滑故障，都會造成軸承工況惡化，引發(fā)振動。

（8）泵的出口管道支架剛度不夠，變形太大，造成管道下壓在泵體上，使得泵體和電機(jī)的對中性破壞；管道在安裝過程中較勁太大，進(jìn)出口管路與泵連接時內(nèi)應(yīng)力大；進(jìn)、出口管線松動,約束剛度下降甚至失效；雜物卡入葉輪；管路不暢；出水口不暢，出水閥門掉板，或沒有開啟；進(jìn)水口有進(jìn)氣等，這些原因都會直接或者間接地導(dǎo)致泵和管路的振動。

（9）電機(jī)軸和泵軸同心度超差；電機(jī)和傳動軸的連接處使用了聯(lián)軸器，聯(lián)軸器同心度超差；動、靜零部件之間（如葉輪和口環(huán)之間）的設(shè)計間隙由于磨損變大；軸承支架與泵體間隙超標(biāo)、軸承內(nèi)圈與泵軸間隙超標(biāo)（俗稱軸承跑外圈、跑內(nèi)圈），這些不利因素都能造成振動。

（10）汽蝕振動是泵振動的很重要的一部分。水泵葉輪中心產(chǎn)生真空，水才能被大氣壓壓上來，水泵離下水面越高，需要的真空度就越大。當(dāng)水泵葉輪中心的真空度大到一定程度時，雖在常溫下，葉輪進(jìn)口處的水也要大量的汽化，氣泡隨水逐漸進(jìn)入高壓區(qū)，壓力升高氣泡又凝結(jié)成水而消失。氣泡消失時，四周的水以高速來補(bǔ)充它的空間，而發(fā)生猛烈的碰撞，在這瞬時間就產(chǎn)生了很強(qiáng)的水錘現(xiàn)象，打擊葉片表面，使葉片一小塊一小塊的剝落損壞。另外，液化中逸出的氧氣借助氣泡凝結(jié)時放出的熱量對金屬起化學(xué)腐蝕作用。這種泵內(nèi)反復(fù)出現(xiàn)液體的汽化和凝結(jié)，以致對過流部件損壞的現(xiàn)象稱為汽蝕現(xiàn)象。汽蝕發(fā)生后，由于反復(fù)地機(jī)械撞擊作用和化學(xué)腐蝕作用，使葉輪受到破壞。流量揚程下降，甚至不出水，使水泵產(chǎn)生噪音和振動。若汽蝕引起振動的頻率與設(shè)備的自然頻率相等時，就會引起強(qiáng)烈振動。

（11）葉輪旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的非對稱壓力場；吸水池和進(jìn)水管渦流；葉輪內(nèi)部以及蝸殼、導(dǎo)流葉片漩渦的發(fā)生及消失；閥門半開造成漩渦而產(chǎn)生的振動；由于葉輪葉片數(shù)有限而導(dǎo)致的出口壓力分布不均；葉輪內(nèi)的脫流；喘振；流道內(nèi)的脈動壓力；汽蝕；水在泵體中流動，對泵體會有摩擦和沖擊，比如水流撞擊隔舌和導(dǎo)流葉片的前緣，造成振動；泵體內(nèi)壓力脈動，主要是泵葉輪密封環(huán)，泵體密封環(huán)的間隙過大，造成泵體內(nèi)泄漏損失大，回流嚴(yán)重，進(jìn)而造成轉(zhuǎn)子軸向力的不平衡和壓力脈動，會增強(qiáng)振動。

3.3 故障排查

結(jié)合上述原因，對技術(shù)供水泵及管路設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)檢查。

（1）對技術(shù)供水電機(jī)結(jié)構(gòu)件進(jìn)行檢查，未發(fā)現(xiàn)松動及其他異常情況。

（2）驅(qū)動裝置架與基礎(chǔ)之間采用的接觸固定形式良好，檢查基礎(chǔ)地腳螺栓無松現(xiàn)象。

（3）檢查聯(lián)軸器連接螺栓的周向間距正常，對稱性良好；對技術(shù)供水泵盤車檢查均正常。

（4）檢查葉輪及流道受到無沖刷腐蝕；檢查葉輪口環(huán)與泵體口環(huán)之間、級間襯套與隔板襯套之間，無機(jī)械摩擦磨損。

（5）檢查軸端的平衡盤間隙正常，軸向的工作竄動量檢查正常。

（6）由于本次改造技術(shù)供水泵及電機(jī)未進(jìn)行更換，且改造前技術(shù)供水泵運行正常，判斷的運行工況與設(shè)計工況相符合。

（7）檢查滾動軸承的磨損正常，潤滑油無變質(zhì)、雜質(zhì)超標(biāo)及潤滑管道不暢現(xiàn)象。

（8）檢查技術(shù)供水泵葉輪無雜物卡入管路不暢；出水口不暢，出水閥門正常，啟動技術(shù)供水泵并開啟技術(shù)供水泵本體排氣閥及技術(shù)供水過濾器排氣閥無氣體，泵的出口管道支架變形正常。對于管道在安裝過程中較勁太大，進(jìn)出口管路與泵連接時內(nèi)應(yīng)力大無法檢查，初步判斷有該可能性。

（9）檢查電機(jī)軸和泵軸同心度及間隙正常。

（10）氣蝕及壓力脈動等原因不具備檢查條件，初步判斷有這種可能性。

通過上述原因分析及檢查，振動產(chǎn)生的可能原因為：1）安裝過程中較勁太大，進(jìn)出口管路與泵連接時內(nèi)應(yīng)力大造成振動；2）氣蝕、壓力脈動引起強(qiáng)烈振動。

由于技術(shù)供水泵和技術(shù)供水過濾器均采用固定安裝方式，技術(shù)供水泵與技術(shù)供水過濾器之間長度為1.5 m，采用DN300鋼管通過法蘭連接方式。固初步判斷振動是由于管道在安裝過程中較勁太大，進(jìn)出口管路與泵連接時內(nèi)應(yīng)力大，管道與水泵的連接采用了強(qiáng)力對口所致。

4 處理方案

4.1 根據(jù)上述原因分析有以下兩個處理方案

方案一：在技術(shù)供水泵與技術(shù)供水過濾器之間靠近技術(shù)供水過濾器處切割300 mm管路，并在焊接上DN300法蘭，完全冷卻后，安裝上DN300橡膠技術(shù)供水伸縮節(jié)（如圖2）。

技術(shù)供水管路伸縮節(jié)有以下特點：

圖2 技術(shù)供水伸縮節(jié)圖

1）管道為柔性連接，消除了管道系統(tǒng)彈性應(yīng)力轉(zhuǎn)移，實現(xiàn)了補(bǔ)償，提高了系統(tǒng)的安全性。

2）能適應(yīng)一定限度內(nèi)的自由伸縮，故四季溫度變化，管線不必再設(shè)補(bǔ)償器。

3）密封圈與管子為柔性連接，對連接的管子精度要求低，對工況條件要求極低。

方案二：根據(jù)技術(shù)供水泵與技術(shù)供水過濾器管接頭高度重新配管，通過法蘭適當(dāng)調(diào)節(jié)水平度，以達(dá)到消除管道與水泵的強(qiáng)力對口連接。增加一個支架以減小管路自重對法蘭連接的拉力。

4.2 方案優(yōu)缺點分析

方案一：實施簡單方便，并能消除技術(shù)供水泵啟停過程中水錘對設(shè)備的影響；技術(shù)供水伸縮節(jié)為橡膠制品，長時間使用后會出現(xiàn)老化現(xiàn)象，并需重新采購新的技術(shù)供水伸縮節(jié)。

方案二：由于技術(shù)供水泵與技術(shù)供水過濾器均采用固定安裝方式，技術(shù)供水泵與技術(shù)供水過濾器管口的中心度無法調(diào)整，小的偏差可通過法蘭焊接調(diào)整，若中心相差較大則無法調(diào)整；該方案優(yōu)勢在于管路為不銹鋼材質(zhì)，不存在老化現(xiàn)象。

4.3 方案確定

綜合上述分析，確定采用方案一以達(dá)到減小技術(shù)供水泵振動目的。

5 處理措施

在1號技術(shù)供水泵與技術(shù)供水過濾器之間靠近技術(shù)供水過濾器處切割300 mm管路，并在焊接上DN300法蘭，完全冷卻后，安裝上DN300橡膠技術(shù)供水伸縮節(jié)。打壓試驗，管路無滲漏。

采取以上措施后，1號技術(shù)供水泵運行平穩(wěn)，振動現(xiàn)象消除。更換1號技術(shù)供水泵機(jī)械密封，機(jī)組運行2 d后檢查技術(shù)供水泵機(jī)械密封完好。2號技術(shù)供水泵按方案一實施。改造后經(jīng)測量水泵振動由改造前的振速4.4 cm/s降低為1.39 cm/s。根據(jù)振動強(qiáng)烈度標(biāo)準(zhǔn)ISO2372-1974可以判定水泵運行處于優(yōu)秀區(qū)。目前張河灣蓄能電站1號機(jī)組技術(shù)供水泵未再出現(xiàn)振動大的情況。

6 結(jié)論

技術(shù)供水泵振動不僅導(dǎo)致泵使用壽命縮短，增加維護(hù)量，同時有導(dǎo)致管路破裂大量漏水的風(fēng)險。技術(shù)供水管路伸縮節(jié)能根本消除技術(shù)供水泵振動大現(xiàn)象。對于抽水蓄能電廠由于空間有限，技術(shù)供水泵與技術(shù)供水過濾器間距較小，同心度要求高，而采用管路伸縮節(jié)方式則能有效解決管口同心度要求高的問題。

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TV734

B

1672-5387（2016）12-0084-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2016.12.030

2016-08-29

陳 波（1980-），男，工程師，從事抽水蓄能電站運行及維護(hù)管理工作。