李坤
摘? 要:火電廠當(dāng)中,凝結(jié)水泵系統(tǒng)是極為重要的組成部分,經(jīng)過技術(shù)改造該系統(tǒng)可實現(xiàn)變頻運行,但常常出現(xiàn)振動,嚴(yán)重影響了變頻節(jié)能效果。為此,本文以優(yōu)化系統(tǒng)運行為目標(biāo),結(jié)合實際對火電廠凝結(jié)水泵系統(tǒng)的動力特性加以分析。實踐中,依托于科學(xué)試驗探討各項變頻影響因素對系統(tǒng)動力特性的影響。
關(guān)鍵詞:凝結(jié)水泵系統(tǒng);動力特性;火電廠;軸承
火電廠是電力生產(chǎn)的最重要基礎(chǔ),生產(chǎn)過程中需要消耗大量電能。在實踐中,以凝結(jié)水泵系統(tǒng)為代表的大容量輔機,普遍具有能耗高的問題。所以,在運用變頻調(diào)速技術(shù)后,凝結(jié)水泵系統(tǒng)完成了變頻改造,降耗需求得以滿足。但受到振動問題影響,降耗效果常常難以發(fā)揮,此時,解決振動問題十分必要。
1系統(tǒng)動力學(xué)分析模型
為實現(xiàn)節(jié)能降耗,火電廠紛紛基于變頻調(diào)速技術(shù)改造凝結(jié)水泵系統(tǒng)。經(jīng)過改造可借助于流量實現(xiàn)轉(zhuǎn)速的自動調(diào)節(jié),十分有利于維持正常水位。不過,在凝結(jié)水泵系統(tǒng)運行環(huán)節(jié),當(dāng)電機轉(zhuǎn)速達到特定區(qū)間時容易出現(xiàn)大幅振動。這種情況嚴(yán)重干擾了系統(tǒng)的正常運行,也讓機組安全受到影響,更阻礙了變頻改造節(jié)能效果發(fā)揮。為了明確火電廠凝結(jié)水泵系統(tǒng)的動力特性,我們需要構(gòu)建系統(tǒng)動力學(xué)分析模型,以便根據(jù)模型分析找到系統(tǒng)運行振動的主要原因和影響因素,進而有效處理系統(tǒng)故障問題[1]。
在本次研究中,案例火電廠中的凝結(jié)水泵系統(tǒng)由“600MW單元制凝汽式機組+NLT500-57筒袋式立式多級離心泵(凝結(jié)水泵)+YKSL630-4電機”組合而成,離心泵的變頻調(diào)節(jié)范圍在900-1500r/min。從凝結(jié)水泵系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)上來看,電機位于立式結(jié)構(gòu)的最上方,基于支座連接泵體;而泵體則通過“水泥基礎(chǔ)平臺+基座”固定。在泵基礎(chǔ)下方,設(shè)有筒帶式結(jié)構(gòu),筒體分內(nèi)外雙層,前者進出水管相連,而后者則與進水管相連;兩個水管不僅連通整個管道系統(tǒng),更與各類閥門、濾網(wǎng)相連。在火電廠凝結(jié)水泵系統(tǒng)運行過程中,凝結(jié)水的流動路線如下:(1)進水管;(2)內(nèi)外筒體之間;(3)內(nèi)筒體;(4)出水管。系統(tǒng)中,“轉(zhuǎn)子+內(nèi)筒體”形成抽芯式結(jié)構(gòu),電機軸與泵軸利用聯(lián)軸器連接。而且,泵組的軸向力和徑向力分別由推力瓦和滾動軸承承擔(dān)。在對凝結(jié)水系統(tǒng)震動問題加以分析時,相關(guān)工作人員可根據(jù)該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)打造三維有限元分析模型。在此環(huán)節(jié),需要建立的部件三維實體模型主要包括以下幾種:其一是電機支座;其二是水流管道;其三是筒體;其四是葉輪。建模完成后可基于實際工況組裝并劃分網(wǎng)絡(luò),計算時需要加入邊界條件。為了有效分析凝結(jié)水泵系統(tǒng)的震動類型和來源,應(yīng)分別開展整機分析以及轉(zhuǎn)子系統(tǒng)分析。
2差異化模態(tài)頻率影響因素分析
2.1整體系統(tǒng)模態(tài)頻率分析
整體系統(tǒng)模態(tài)頻率分析環(huán)節(jié),應(yīng)該分別對系統(tǒng)中的各階模態(tài)頻率加以統(tǒng)計。在實際作業(yè)環(huán)節(jié),案例凝結(jié)水泵系統(tǒng)的變頻范圍在15-25Hz;系統(tǒng)當(dāng)中內(nèi)筒體、整機以及外筒體的一振型分別為3.13Hz、19.1Hz和22.9Hz;而內(nèi)筒體的二階模態(tài)以及電機支架的固定頻率則分別是23.7Hz和24.2Hz。從這些數(shù)據(jù)中不難看出,內(nèi)筒體一階模態(tài)頻率并不在變頻工作范圍內(nèi),且與變頻范圍差距相對較大,所以不會對振動產(chǎn)生過大影響;但整機一階振型外筒體一階振型、內(nèi)筒體二階振型以及電機支架的固有頻率都處于系統(tǒng)變頻工作范圍,所以它們都會對相應(yīng)結(jié)構(gòu)的振動產(chǎn)生影響。基于科學(xué)計算發(fā)現(xiàn),系統(tǒng)模態(tài)頻率為19-24Hz時,整體系統(tǒng)存在多階模態(tài)。如果凝結(jié)水泵系統(tǒng)以25Hz為定速運行,則不會出現(xiàn)上述模態(tài);反之,若系統(tǒng)仍然以變頻方式運行,則容易激發(fā)模態(tài)增加大幅振動。為解決振動問題需要強調(diào)結(jié)構(gòu)約束,著力基于改變泵體的約束條件,讓其固有頻率發(fā)生變化。比如,加強進水管與出水管約束;豐富外筒體約束。
2.2轉(zhuǎn)子系統(tǒng)模態(tài)分析
在凝結(jié)水泵系統(tǒng)當(dāng)中,轉(zhuǎn)子是最為重要的轉(zhuǎn)動部件,也是引發(fā)振動的主要原因。通常來說,轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的模態(tài)頻率是否與變頻工作范圍重合,將直接影響轉(zhuǎn)子振動;若二者重合,則系統(tǒng)運行階段轉(zhuǎn)子的振動明顯,且振動會基于軸承傳遞至其他系統(tǒng)結(jié)構(gòu),最終引起管道和其他部件振動。案例系統(tǒng)當(dāng)中,轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)以及其支承方式,是最為主要的模態(tài)頻率影響因素;而軸承支承則是影響轉(zhuǎn)子特性的主要結(jié)構(gòu)。在探討軸承支撐特性時必須重點關(guān)注軸承磨損情況以及軸承的布設(shè)情況[2]。當(dāng)支承模式不同時,轉(zhuǎn)子系統(tǒng)一階振型和二階振型的模態(tài)頻率也存在差異。具體表現(xiàn)為,當(dāng)上下導(dǎo)軸承和級間軸承同時運行時,轉(zhuǎn)子固有頻率會遠遠超出系統(tǒng)變頻上限,此時轉(zhuǎn)子系統(tǒng)運行可無視共振問題;當(dāng)系統(tǒng)中的軸承出現(xiàn)磨損時,磨損部位以及程度差異,會導(dǎo)致轉(zhuǎn)子固有頻率差異。
2.3試驗分析
為進一步研究火電廠凝結(jié)水泵系統(tǒng)的動力特性,筆者還基于凝結(jié)水泵轉(zhuǎn)子錘擊試驗以及凝結(jié)水泵電機起動振動試驗進行分析。在轉(zhuǎn)子錘擊試驗中,系統(tǒng)處的支承狀態(tài)是基于2個上下導(dǎo)軸承支承,受到脈沖激勵的泵軸出現(xiàn)峰值頻率點,其中符合凝結(jié)水泵變頻范圍的有兩個:其一是2.8Hz;其二是10.4Hz;與這一支撐模式下的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)一階振型和二階振型相近。在振動實驗當(dāng)中,支承狀態(tài)同樣是基于上下2個導(dǎo)軸承支承,經(jīng)計算發(fā)現(xiàn)接近650r/min出現(xiàn)共振峰值,其對應(yīng)頻率點是10.3Hz,同樣符合該支承模式下的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)模態(tài)頻率。由此可見凝結(jié)水泵系統(tǒng)當(dāng)中,若出現(xiàn)了軸承大面積磨損就會導(dǎo)致約束失效。
經(jīng)過此次研究可知,多系統(tǒng)共振是導(dǎo)致火電廠凝結(jié)水泵系統(tǒng)電機振動的根本原因。在特定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi),凝結(jié)水泵系統(tǒng)會進入共振區(qū),因此當(dāng)電機變頻運轉(zhuǎn)時會出現(xiàn)較強振動。系統(tǒng)運行過程中,為避免激發(fā)振動需有效控制凝結(jié)水泵系統(tǒng)的變頻轉(zhuǎn)速。通常來說,需規(guī)避19-20Hz區(qū)間,若想要避免振動則可以25Hz為基準(zhǔn)開展定速運行;若繼續(xù)按照變頻運行,則十分容易引發(fā)振動。
結(jié)束語
火電廠凝結(jié)水泵系統(tǒng)的振動問題與軸承轉(zhuǎn)動有直接關(guān)系;在系統(tǒng)運行過程中,轉(zhuǎn)子、軸承以及支承系統(tǒng)共振是引發(fā)凝結(jié)水泵系統(tǒng)電機振動的根本原因。從現(xiàn)實角度來看,解決凝結(jié)水泵系統(tǒng)變頻運行階段的振動問題,必須提高系統(tǒng)的固有頻率,所以相關(guān)工作人員需要做好軸承檢修和裝配。
參考文獻:
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