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        火電廠凝結(jié)水泵系統(tǒng)動(dòng)力特性分析

        2022-07-02 00:28:44李坤
        科學(xué)與財(cái)富 2022年9期
        關(guān)鍵詞:動(dòng)力特性火電廠軸承

        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(guò)技術(shù)改造該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)變頻運(yùn)行,但常常出現(xiàn)振動(dòng),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(yùn)行為目標(biāo),結(jié)合實(shí)際對(duì)火電廠凝結(jié)水泵系統(tǒng)的動(dòng)力特性加以分析。實(shí)踐中,依托于科學(xué)試驗(yàn)探討各項(xiàng)變頻影響因素對(duì)系統(tǒng)動(dòng)力特性的影響。

        關(guān)鍵詞:凝結(jié)水泵系統(tǒng);動(dòng)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(guò)程中需要消耗大量電能。在實(shí)踐中,以凝結(jié)水泵系統(tǒng)為代表的大容量輔機(jī),普遍具有能耗高的問(wèn)題。所以,在運(yùn)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(dòng)問(wèn)題影響,降耗效果常常難以發(fā)揮,此時(shí),解決振動(dòng)問(wèn)題十分必要。

        1系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析模型

        為實(shí)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(guò)改造可借助于流量實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的自動(dòng)調(diào)節(jié),十分有利于維持正常水位。不過(guò),在凝結(jié)水泵系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)節(jié),當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到特定區(qū)間時(shí)容易出現(xiàn)大幅振動(dòng)。這種情況嚴(yán)重干擾了系統(tǒng)的正常運(yùn)行,也讓機(jī)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(dòng)力特性,我們需要構(gòu)建系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析模型,以便根據(jù)模型分析找到系統(tǒng)運(yùn)行振動(dòng)的主要原因和影響因素,進(jìn)而有效處理系統(tǒng)故障問(wèn)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(jī)組+NLT500-57筒袋式立式多級(jí)離心泵(凝結(jié)水泵)+YKSL630-4電機(jī)”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(lái)看,電機(jī)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(guò)“水泥基礎(chǔ)平臺(tái)+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(jìn)出水管相連,而后者則與進(jìn)水管相連;兩個(gè)水管不僅連通整個(gè)管道系統(tǒng),更與各類(lèi)閥門(mén)、濾網(wǎng)相連。在火電廠凝結(jié)水泵系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中,凝結(jié)水的流動(dòng)路線如下:(1)進(jìn)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(jī)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(dòng)軸承承擔(dān)。在對(duì)凝結(jié)水系統(tǒng)震動(dòng)問(wèn)題加以分析時(shí),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(shí)體模型主要包括以下幾種:其一是電機(jī)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(shí)際工況組裝并劃分網(wǎng)絡(luò),計(jì)算時(shí)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(dòng)類(lèi)型和來(lái)源,應(yīng)分別開(kāi)展整機(jī)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(duì)系統(tǒng)中的各階模態(tài)頻率加以統(tǒng)計(jì)。在實(shí)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(jī)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(jī)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(duì)較大,所以不會(huì)對(duì)振動(dòng)產(chǎn)生過(guò)大影響;但整機(jī)一階振型外筒體一階振型、內(nèi)筒體二階振型以及電機(jī)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(huì)對(duì)相應(yīng)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)產(chǎn)生影響。基于科學(xué)計(jì)算發(fā)現(xiàn),系統(tǒng)模態(tài)頻率為19-24Hz時(shí),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(yùn)行,則不會(huì)出現(xiàn)上述模態(tài);反之,若系統(tǒng)仍然以變頻方式運(yùn)行,則容易激發(fā)模態(tài)增加大幅振動(dòng)。為解決振動(dòng)問(wèn)題需要強(qiáng)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(qiáng)進(jìn)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(dòng)部件,也是引發(fā)振動(dòng)的主要原因。通常來(lái)說(shuō),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(dòng);若二者重合,則系統(tǒng)運(yùn)行階段轉(zhuǎn)子的振動(dòng)明顯,且振動(dòng)會(huì)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(dòng)。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(shí)必須重點(diǎn)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(shí),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(jí)間軸承同時(shí)運(yùn)行時(shí),轉(zhuǎn)子固有頻率會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出系統(tǒng)變頻上限,此時(shí)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)運(yùn)行可無(wú)視共振問(wèn)題;當(dāng)系統(tǒng)中的軸承出現(xiàn)磨損時(shí),磨損部位以及程度差異,會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子固有頻率差異。

        2.3試驗(yàn)分析

        為進(jìn)一步研究火電廠凝結(jié)水泵系統(tǒng)的動(dòng)力特性,筆者還基于凝結(jié)水泵轉(zhuǎn)子錘擊試驗(yàn)以及凝結(jié)水泵電機(jī)起動(dòng)振動(dòng)試驗(yàn)進(jìn)行分析。在轉(zhuǎn)子錘擊試驗(yàn)中,系統(tǒng)處的支承狀態(tài)是基于2個(gè)上下導(dǎo)軸承支承,受到脈沖激勵(lì)的泵軸出現(xiàn)峰值頻率點(diǎn),其中符合凝結(jié)水泵變頻范圍的有兩個(gè):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(dòng)實(shí)驗(yàn)當(dāng)中,支承狀態(tài)同樣是基于上下2個(gè)導(dǎo)軸承支承,經(jīng)計(jì)算發(fā)現(xiàn)接近650r/min出現(xiàn)共振峰值,其對(duì)應(yīng)頻率點(diǎn)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(jiàn)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(huì)導(dǎo)致約束失效。

        經(jīng)過(guò)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(jī)振動(dòng)的根本原因。在特定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi),凝結(jié)水泵系統(tǒng)會(huì)進(jìn)入共振區(qū),因此當(dāng)電機(jī)變頻運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)出現(xiàn)較強(qiáng)振動(dòng)。系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中,為避免激發(fā)振動(dòng)需有效控制凝結(jié)水泵系統(tǒng)的變頻轉(zhuǎn)速。通常來(lái)說(shuō),需規(guī)避19-20Hz區(qū)間,若想要避免振動(dòng)則可以25Hz為基準(zhǔn)開(kāi)展定速運(yùn)行;若繼續(xù)按照變頻運(yùn)行,則十分容易引發(fā)振動(dòng)。

        結(jié)束語(yǔ)

        火電廠凝結(jié)水泵系統(tǒng)的振動(dòng)問(wèn)題與軸承轉(zhuǎn)動(dòng)有直接關(guān)系;在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)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(jī)振動(dòng)的根本原因。從現(xiàn)實(shí)角度來(lái)看,解決凝結(jié)水泵系統(tǒng)變頻運(yùn)行階段的振動(dòng)問(wèn)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(xiàn):

        [1]宗緒東.凝結(jié)水泵運(yùn)行中出力降低故障樹(shù)診斷方法研究[J].山東電力技術(shù),2020,47(07):72-76.

        [2]盧英欣.變頻調(diào)節(jié)電控系統(tǒng)在凝結(jié)水泵改造中的應(yīng)用[J].機(jī)電信息,2019(18):65-66.DC644009-F855-4523-8E4E-478FCE6E4BB3

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