唐德偉

（蘇州熱工研究院有限公司，廣東 深圳 518038）

0 引言

疏水泵是核電廠給水加熱器疏水回收系統(tǒng)（ACO）的重要組成部分，承擔(dān)3級(jí)、4級(jí)低壓給水加熱器殼側(cè)冷凝水的受控排出等功能。ACO系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，通過(guò)交叉連接口和出口管道，任一臺(tái)低壓疏水泵可單獨(dú)使用于任一個(gè)系列的低壓加熱器。

疏水泵是該系統(tǒng)的核心組件，對(duì)于低壓加熱器水位控制起到了關(guān)鍵作用。疏水泵易出現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械常見(jiàn)的異常振動(dòng)問(wèn)題，威脅水泵乃至電站的安全。其原因在于立式長(zhǎng)軸泵軸系長(zhǎng)、重心高，導(dǎo)致泵及電機(jī)轉(zhuǎn)子的振動(dòng)最終會(huì)影響其配套電機(jī)的上部軸承位置，致使異常振動(dòng)問(wèn)題頻發(fā)[1]。振動(dòng)高的常見(jiàn)原因包括摩擦、軸心偏離、共振等原因。其中，共振問(wèn)題的比重較大。

關(guān)于電站泵類設(shè)備異常振動(dòng)是電力系統(tǒng)設(shè)備研究的重

圖1 ACO系統(tǒng)流程簡(jiǎn)圖Fig.1 ACO System flow chart

圖2 電機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Motor structure diagram

點(diǎn)。董寶澤[2]針對(duì)三門核電的制氯取水泵異常振動(dòng)問(wèn)題，通過(guò)敲擊實(shí)驗(yàn)確定電機(jī)支架固有頻率，并通過(guò)改變電機(jī)支架、改變電機(jī)重量等方式改變固有頻率，避免共振的影響。孫山[3]指出，電站水泵振動(dòng)問(wèn)題常具備諧波性振動(dòng)、次諧波性振動(dòng)、低頻性振動(dòng)、工頻性振動(dòng)、高頻性振動(dòng)等特點(diǎn)。張小科[4]針對(duì)某300MW火電機(jī)組的凝結(jié)水泵異常振動(dòng)問(wèn)題展開(kāi)研究，針對(duì)結(jié)構(gòu)共振及軸系存在不平衡質(zhì)量問(wèn)題，調(diào)整螺栓緊力改變凝結(jié)水泵系統(tǒng)的共振區(qū)間。付江永[5]針對(duì)某電站水泵電機(jī)共振問(wèn)題，在結(jié)構(gòu)不易改變的情況下，采用頻譜分析及固有頻率分析等方法診斷故障，通過(guò)改變泵組系統(tǒng)的剛度，有效降低振動(dòng)。魏邦華[6]同樣指出，對(duì)于已安裝的設(shè)備，采用改變電機(jī)固有頻率的方法難度較大，可采用Block Lanczos法對(duì)分析模型進(jìn)行模態(tài)求解，對(duì)電機(jī)共振情況進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)。

1 疏水泵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與問(wèn)題分析

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

疏水泵采用筒袋型立式多級(jí)離心泵，具有整體結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕、噪聲低等特點(diǎn)。由電機(jī)帶動(dòng)軸上的葉輪旋轉(zhuǎn)，使液體獲得壓力和速度，同時(shí)經(jīng)過(guò)流道導(dǎo)殼流向下一級(jí)葉輪，由此實(shí)現(xiàn)能量累加，使液體獲得揚(yáng)程。其中，電機(jī)采用全封閉、鼠籠型結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)主要由定子、轉(zhuǎn)子、端蓋、軸承、接線板等部件組成。電機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.2 問(wèn)題描述

某電廠1/2號(hào)機(jī)疏水泵組自運(yùn)行以來(lái)均存在電機(jī)非驅(qū)動(dòng)端振動(dòng)高的問(wèn)題，空載運(yùn)行時(shí)振動(dòng)速度達(dá)到14mm/s。經(jīng)泵組全檢、更換同型號(hào)電機(jī)未有改善。初步分析后，擬采用轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡的方案處理，在轉(zhuǎn)子上加配重或去配重的方法。但采取轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡措施處理后，振動(dòng)仍偏高，均超過(guò)報(bào)警值7.1mm/s。兩臺(tái)ACO泵組均存在此問(wèn)題，涉及范圍為：1/2ACO301/302MO，共4臺(tái)設(shè)備。

圖3 泵敲擊固有頻率Fig.3 Natural frequency of pump knocking

1.3 原因分析

推測(cè)導(dǎo)致上述問(wèn)題的原因是泵的工作頻率與其固有頻率過(guò)于接近，引發(fā)共振效應(yīng)，導(dǎo)致泵的異常振動(dòng)。因而應(yīng)采集泵的固有頻率和其工作頻率，進(jìn)行進(jìn)一步的分析。

測(cè)試固有頻率的方法包括敲擊法、啟停法、調(diào)頻法等。采用敲擊實(shí)驗(yàn)獲取泵的固有頻率，通過(guò)敲擊迫使泵自由振動(dòng)，進(jìn)而獲得泵的固有頻率。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖3所示。

可見(jiàn)，實(shí)際敲擊測(cè)得的固有頻率為22.5Hz、26.5Hz、27.5Hz。該類設(shè)備共4個(gè)，另外3個(gè)設(shè)備的實(shí)驗(yàn)過(guò)程與之相同。測(cè)試泵的主要運(yùn)行頻率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 泵運(yùn)行主要頻率特征Fig.4 Main frequency characteristics of pump operation

圖5 結(jié)構(gòu)軟件建模Fig.5 Structure software modeling

工作轉(zhuǎn)速1480rpm，共振點(diǎn)頻率24.67Hz。系統(tǒng)固有頻率在共振點(diǎn)頻率上下10%，即22.2Hz～27.3Hz。泵組運(yùn)行時(shí)，工作頻率接近固有頻率，產(chǎn)生共振，且泵組支架整體剛度不足，最終導(dǎo)致電機(jī)非驅(qū)動(dòng)端振動(dòng)過(guò)高。

2 解決方案與效果

2.1 模型仿真

為制定合適的解決方案，建立泵結(jié)構(gòu)的軟件模型。按照泵的實(shí)際質(zhì)量、尺寸、密度等參數(shù)，建立泵結(jié)構(gòu)模型，并調(diào)整模型參數(shù)，使計(jì)算固有頻率盡量接近實(shí)際測(cè)試得到的固有頻率。由模型計(jì)算可得前6階固有頻率，使其中3、4階固有頻率與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)固有頻率基本一致，其振型也為電機(jī)擺動(dòng)固有頻率。模型及頻率調(diào)整過(guò)程如圖5、圖6所示。

考慮到電機(jī)實(shí)際結(jié)構(gòu)，有兩部分可作調(diào)整，即電機(jī)與電機(jī)支架。通過(guò)更換電機(jī)的機(jī)型，更換輕型電機(jī)、新的電機(jī)支架，以此減小電機(jī)的重量，同時(shí)降低電機(jī)重心高度，并采用新的配電支架，以增大泵組固有頻率，避開(kāi)泵組運(yùn)行的工作頻率，避免產(chǎn)生共振。

2.2 方案設(shè)計(jì)與仿真計(jì)算

電機(jī)可采用初始電機(jī)（原電機(jī)1.6t）、新型電機(jī)（新型電機(jī)1.27t），電機(jī)支架可采用現(xiàn)有機(jī)架（普通電機(jī)機(jī)架）、新電機(jī)機(jī)架（強(qiáng)化電機(jī)機(jī)架）。

兩種設(shè)備的各自兩種選型形成4種組合，即：

1）初始電機(jī)-普通電機(jī)機(jī)架，選用電機(jī)重量1.6t，重心高度680mm。

2）輕型電機(jī)-普通電機(jī)機(jī)架，選用電機(jī)重量1.27t，重心高度570mm。

3）初始電機(jī)-強(qiáng)化電機(jī)機(jī)架，選用電機(jī)重量1.6t，重心高度570mm。

圖6 頻率調(diào)整示意圖Fig.6 Schematic diagram of frequency adjustment

4）輕型電機(jī)-強(qiáng)化電機(jī)機(jī)架，選用電機(jī)重量1.27t，重心高度570mm。

如前文所述，設(shè)計(jì)改進(jìn)后的系統(tǒng)固有頻率應(yīng)避開(kāi)共振點(diǎn)頻率的上下10%，即22.2Hz～27.13Hz。通過(guò)上述分析可知，只有方案4（輕型電機(jī)-強(qiáng)化電機(jī)機(jī)架）能夠達(dá)到要求，通過(guò)物理模型模態(tài)計(jì)算，在更換新型電機(jī)并采用強(qiáng)化的電機(jī)機(jī)架后，固有頻率見(jiàn)表1。

綜上，應(yīng)選擇方案4對(duì)電機(jī)進(jìn)行改造。

2.3 改進(jìn)效果

通過(guò)更換新電機(jī)、新電機(jī)支架、聯(lián)軸器，改造完成后固有頻率為28.52Hz，較舊電機(jī)固有頻率（27Hz）有所提高，更大程度上避開(kāi)了工頻（25Hz），共振效應(yīng)減弱；改造后實(shí)測(cè)振動(dòng)值為2.0mm/s，振動(dòng)較改進(jìn)前明顯改善，更換完成后未出現(xiàn)異常振動(dòng)高的情況。

表1 改造后頻率分析表Table 1 Frequency analysis after transformation

3 總結(jié)

針對(duì)某核電廠疏水泵異常振動(dòng)的問(wèn)題，列出可能的原因并逐個(gè)篩查，確定共振問(wèn)題。采用頻率分析的方法，對(duì)比實(shí)驗(yàn)測(cè)得的設(shè)備固有頻率與設(shè)備運(yùn)行工作頻率，通過(guò)軟件建模的方式設(shè)計(jì)改進(jìn)措施并仿真驗(yàn)證，從多項(xiàng)初步方案中選擇最合適的方案，最終解決了該疏水泵異常振動(dòng)的問(wèn)題。