馬思聰,李 俊,萬大偉,楊典兵,白洪宸,錢林鋒
(1.杭州意能電力技術(shù)有限公司,杭州 310014;2.哈爾濱電站科技開發(fā)有限公司,哈爾濱 150030)
隨著電力技術(shù)的不斷發(fā)展,變頻技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電廠節(jié)能改造中,主要應(yīng)用于300 MW以上大型機(jī)組的凝結(jié)水泵(以下簡稱“凝泵”)中,具有很好的節(jié)能效果[1-3],有效地提高機(jī)組經(jīng)濟(jì)效益。大型機(jī)組的凝泵基本為定轉(zhuǎn)速水泵,但部分凝泵在變頻改造后,出現(xiàn)結(jié)構(gòu)共振等故障現(xiàn)象,使改造后的變頻凝泵只能部分投運(yùn),甚至出現(xiàn)無法投運(yùn)的現(xiàn)象。
某1 000 MW機(jī)組的凝泵改造后,在變頻運(yùn)行區(qū)間內(nèi),存在兩個(gè)轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)明顯的振動(dòng)峰值現(xiàn)象,導(dǎo)致變頻改造無法高效投運(yùn),影響設(shè)備安全運(yùn)行。嘗試通過振動(dòng)測(cè)試分析,查找凝泵振動(dòng)原因,結(jié)合檢修措施,以解決此問題。
某電廠2臺(tái)1 000 MW機(jī)組配有6臺(tái)50%容量工頻凝泵,每臺(tái)機(jī)組配備3臺(tái)50%容量工頻凝泵,運(yùn)行方式為二用一備。該凝泵型號(hào)為NLT400-500×5S,電機(jī)型號(hào)為YLKS560-4三相異步電動(dòng)機(jī),整體型式為立式筒型離心泵,其額定轉(zhuǎn)速為1 480 r/min,如圖1所示。將凝泵工頻方式改造成變頻方式,能在當(dāng)機(jī)組負(fù)荷發(fā)生變化時(shí),系統(tǒng)根據(jù)凝結(jié)水流量改變凝泵轉(zhuǎn)速,以達(dá)到節(jié)能的效果。
圖1 凝泵結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of condensate pump structure
在變頻改造后,電廠工作人員在巡檢時(shí),發(fā)現(xiàn)4臺(tái)凝泵均存在在變頻轉(zhuǎn)速區(qū)域運(yùn)行時(shí),出現(xiàn)振動(dòng)值增大的現(xiàn)象,表現(xiàn)為在轉(zhuǎn)速變化過程中,電機(jī)自由端的振動(dòng)出現(xiàn)明顯的波動(dòng)現(xiàn)象,有個(gè)別凝泵電機(jī)振動(dòng)遠(yuǎn)超過標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的4.5 mm/s限值,影響設(shè)備的安全運(yùn)行,同時(shí)導(dǎo)致變頻投運(yùn)率低。
對(duì)4臺(tái)凝泵電機(jī)在變頻轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)進(jìn)行測(cè)試,除凝泵6B振動(dòng)較小外,其余3臺(tái)凝泵在轉(zhuǎn)速升降過程中,在兩個(gè)特定的轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi),振動(dòng)會(huì)出現(xiàn)明顯的峰值現(xiàn)象,具體表現(xiàn)為當(dāng)轉(zhuǎn)速在1 050 r/min至1 200 r/min(第1轉(zhuǎn)速區(qū)間)之間和1 250 r/min至1 400 r/min(第2轉(zhuǎn)速區(qū)間)之間振動(dòng)均存在明顯的振動(dòng)峰值。以凝泵5A為例:當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到1 104 r/min時(shí),電機(jī)自由端振動(dòng)8.2 mm/s;當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到1 326 r/min時(shí),電機(jī)自由端振動(dòng)4.9 mm/s,偏離上述兩個(gè)轉(zhuǎn)速區(qū)間后,振動(dòng)迅速回落,整個(gè)振動(dòng)趨勢(shì)重復(fù)性較好,如表1、圖2所示。
表1 3臺(tái)凝泵在轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)振動(dòng)值Table 1 Vibration values of three condensate pumps in the speed range
圖2 凝泵5A電機(jī)自由端振動(dòng)波特圖Fig.2 Vibration Bode diagram of the free end of the condensate pump 5A motor
在第1轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi),頻譜特征均以1倍頻分量為主,無其他低、高頻分量,屬于典型的強(qiáng)迫振動(dòng),基本可排除不對(duì)中、軸承失效[4-5]、局部松動(dòng)[6]等其他故障現(xiàn)象,如圖3所示,基本可認(rèn)定凝泵電機(jī)存在轉(zhuǎn)速頻率與本體存在結(jié)構(gòu)共振現(xiàn)象。
圖3 凝泵5A第1轉(zhuǎn)速區(qū)間振動(dòng)頻譜圖Fig.3 Vibration frequency spectrum of condensate pump 5A in the first speed range
在第2轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi),頻譜特征均以5倍、7倍的高倍頻分量為主,且當(dāng)特征頻率出現(xiàn)時(shí)凝泵電機(jī)旁同時(shí)出現(xiàn)明顯的噪聲,而1倍倍頻分量較小且基本不變,該振動(dòng)特征頻率與第1轉(zhuǎn)速區(qū)間的共振特征頻率明顯不同,但振動(dòng)波特圖同樣存在峰值,因1倍頻分量較小且振動(dòng)特征頻率隨轉(zhuǎn)速變化而變化,基本可排除質(zhì)量不平衡、不對(duì)中、軸承失效、轉(zhuǎn)子熱彎曲等原因,如圖4、圖5所示。
圖4 凝泵5A第2轉(zhuǎn)速區(qū)間振動(dòng)頻譜圖Fig.4 Vibration frequency spectrum of condensate pump 5A in the second speed range
圖5 凝泵6A第2轉(zhuǎn)速區(qū)間振動(dòng)頻譜圖Fig.5 Vibration frequency spectrum of condensate pump 6A in the second speed range
綜合上述振動(dòng)特征,分析判斷得出3臺(tái)凝泵電機(jī)在變頻運(yùn)行區(qū)間內(nèi)存在2種類型的結(jié)構(gòu)共振。
為了進(jìn)一步驗(yàn)證分析判斷, 對(duì)其中1臺(tái)凝泵 6A 電機(jī)殼體進(jìn)行固有頻率測(cè)試試驗(yàn),結(jié)果表明:一階頻率17.0 Hz、三階頻率116.9 Hz、四階頻率133.8 Hz、五階頻率166.9 Hz均與上述故障特征頻率相近,如圖6、表2所示。
圖6 凝泵6A電機(jī)殼體頻響函數(shù)幅值曲線Fig.6 Condensate pump 6A motor shell frequency response function amplitude curve
表2 凝泵6A電機(jī)殼體固有頻率數(shù)據(jù)Table 2 Condensate pump 6A motor shell natural frequency data
由圖6、表2所述,得出凝泵6A電機(jī)殼體固有頻率的一階頻率17.0 Hz接近轉(zhuǎn)速1 100 r/min(相當(dāng)于18.6 Hz)左右的頻率,可判定在第1轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)電機(jī)存在工頻結(jié)構(gòu)共振的現(xiàn)象。
而在第2轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)振動(dòng)出現(xiàn)的高倍頻分量的故障現(xiàn)象,可能的原因分析如下:
1)電機(jī)內(nèi)部轉(zhuǎn)子出現(xiàn)斷條[7-8]現(xiàn)象,導(dǎo)致轉(zhuǎn)子出現(xiàn)電流短路,形成電磁力不均勻和轉(zhuǎn)子熱變形的現(xiàn)象,引起電機(jī)振動(dòng)1倍頻、2倍頻分量的大幅上升以及部分高倍頻分量的上升,而電機(jī)在單體試轉(zhuǎn)時(shí),振動(dòng)1.0 mm/s以下,故該故障可能性較小。
2)電機(jī)內(nèi)部定子線圈、鐵心等部件出現(xiàn)磨損、松動(dòng)等故障現(xiàn)象,造成磁場不均勻,產(chǎn)生的新磁場頻率與本體鐵心機(jī)殼等機(jī)械部件產(chǎn)生諧振,兩者頻率相似或重合時(shí),會(huì)產(chǎn)生共振現(xiàn)象。通常采取對(duì)電機(jī)進(jìn)行解體檢查和重新安裝,可基本消除,故該故障有存在的可能性。
3)葉輪組在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)所產(chǎn)生的葉片“通過頻率”與電機(jī)本體機(jī)械固有頻率相近或重合,會(huì)形成高倍頻的結(jié)構(gòu)共振現(xiàn)象。如果葉輪組出現(xiàn)磨損、間隙較大等故障現(xiàn)象,會(huì)加劇結(jié)構(gòu)共振,故此故障有存在可能性。而該凝泵泵軸上共有5級(jí)葉輪,首級(jí)葉輪葉片數(shù)為5片,第2級(jí)至5級(jí)葉輪葉片數(shù)為7片,可計(jì)算出相應(yīng)的葉片通過頻率,計(jì)算式如下:
f=z·n/60
式中:f為葉片通過頻率,Hz;z為葉片數(shù);n為轉(zhuǎn)速,r/min。
由式(1)計(jì)算可知,第2轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)的葉片通過頻率為105~170 Hz,與電機(jī)殼體固有頻率的三階頻率116.9 Hz、四階頻率133.8 Hz、五階頻率166.9 Hz較為接近,可判定葉輪所產(chǎn)生的葉片通過頻率可能與電機(jī)固有頻率兩者接近,形成高倍頻結(jié)構(gòu)共振的現(xiàn)象,而當(dāng)凝泵葉輪組安裝狀態(tài)偏差時(shí),轉(zhuǎn)子偏心加劇,會(huì)引起較大的激振力,加劇結(jié)構(gòu)共振現(xiàn)象。
針對(duì)第1轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)的結(jié)構(gòu)振動(dòng)現(xiàn)象,采取對(duì)凝泵電機(jī)進(jìn)行動(dòng)平衡的方法,經(jīng)查詢電機(jī)結(jié)構(gòu)圖,可知共有3處配重平面,分別為電機(jī)自由端、電機(jī)驅(qū)動(dòng)端、凝泵聯(lián)軸器,如圖7所示。
圖7 凝泵電機(jī)配重平面示意圖Fig.7 Plan view of the counterweight of the condensate pump motor
凝泵為立式布置方式,其振動(dòng)具有自下而上逐漸增大的特征。按振動(dòng)理論將最大振動(dòng)位置進(jìn)行動(dòng)平衡處理后,相應(yīng)地電機(jī)整體振動(dòng)幅值也會(huì)一并減小。決定在電機(jī)自由端處配重,相比另外兩處配重平面(電機(jī)驅(qū)動(dòng)端安裝相對(duì)復(fù)雜,聯(lián)軸器配重塊較重[9-10])不僅安裝方便而且配重塊的質(zhì)量較輕,還可明顯降低激振力,達(dá)到減振目的,效果好于其他兩處配重平面,如圖8所示。
圖8 電機(jī)自由端平衡面Fig.8 Free end balance surface of the motor
3臺(tái)凝泵電機(jī)動(dòng)平衡后,振動(dòng)明顯下降,均可在第1轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)正常安全運(yùn)行,配重前后試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表3。
表3 配重前后共振區(qū)振動(dòng)對(duì)比Table 3 Comparison of vibration in resonance zone before and after counterweight
針對(duì)第2轉(zhuǎn)速區(qū)間的結(jié)構(gòu)共振現(xiàn)象,決定采用改變電機(jī)殼體固有頻率、增加阻尼、減小激振力為目的處理措施,根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況,采取以下處理措施:
1)檢查電機(jī)內(nèi)部是否存在松動(dòng),緊固各連接面,以改變固有頻率和阻尼;
2)對(duì)凝泵葉輪葉片、導(dǎo)向軸承等的磨損程度進(jìn)行檢查與檢修,減小葉片通過頻率引起的激振力。
利用調(diào)停機(jī)會(huì),對(duì)凝泵6A電機(jī)本體與凝泵葉輪進(jìn)行檢修,電機(jī)本體內(nèi)部無明顯松動(dòng)與磨損,但發(fā)現(xiàn)凝泵泵軸上葉輪底部的導(dǎo)向軸承磨損嚴(yán)重,間隙已達(dá)0.62 mm,已明顯超標(biāo)(最大允許磨損間隙為0.52 mm),進(jìn)行更換與調(diào)整。啟動(dòng)后,該轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)振動(dòng)明顯下降,最大振動(dòng)2.7 mm/s,如圖9所示,并計(jì)劃將此檢修項(xiàng)目安排于其他2臺(tái)凝泵上。
圖9 凝泵6A葉輪處理后振動(dòng)波特圖Fig.9 Vibration Bode diagram of condensate pump 6A impeller after treatment
通過對(duì)某電廠4臺(tái)凝泵電機(jī)的振動(dòng)測(cè)試,通過測(cè)試、分析與處理,結(jié)論如下:
1)采用在電機(jī)自由端進(jìn)行動(dòng)平衡的方式成功解決了在第1轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)振動(dòng)大的現(xiàn)象,在此轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)可正常運(yùn)行。建議同類型的凝泵變頻改造后出現(xiàn)以1X倍頻分量的結(jié)構(gòu)共振現(xiàn)象,應(yīng)最先在電機(jī)自由端進(jìn)行配重,但如果電機(jī)自由端無平衡位置,再考慮其他加重平面或在電機(jī)自由端加裝動(dòng)平衡盤。
2)凝泵電機(jī)轉(zhuǎn)速在第2轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)產(chǎn)生高倍頻振動(dòng),經(jīng)分析判斷是由凝泵葉輪葉片產(chǎn)生的葉片通過頻率與電機(jī)本體的固有頻率相近或重合的可能性較大。采用對(duì)凝泵葉輪的檢修,可有效減少葉輪通過頻率產(chǎn)生的激振力來抑制和降低振動(dòng)。