李 俊，高 強(qiáng)

(中國電建集團(tuán)上海能源裝備有限公司，上海 201316)

鍋爐給水泵是傳統(tǒng)火力發(fā)電廠汽機(jī)系統(tǒng)的重要設(shè)備，給水泵的振動(dòng)問題是影響鍋爐給水泵及汽機(jī)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的一個(gè)主要因素。導(dǎo)致水泵振動(dòng)產(chǎn)生的原因有很多[1-5]，而鍋爐給水泵是多級(jí)給水泵，這里面的振動(dòng)因素更加復(fù)雜，大致可分為外因和內(nèi)因兩大部分。管路振動(dòng)、中心不正、基礎(chǔ)松動(dòng)、軸瓦磨損、電氣故障等都屬于外部因素，而轉(zhuǎn)子本身部件磨損、脫落、摩擦是引起振動(dòng)的內(nèi)因。從引起振動(dòng)的機(jī)理來說，又可分為電氣、機(jī)械、水力和其他原因等[6]。

傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)排除法是有效方法之一，也是現(xiàn)在最常規(guī)的手段。但由于可造成振動(dòng)的因素眾多，如果逐一排除，那必將耗時(shí)耗力。本文結(jié)合電廠運(yùn)行實(shí)例，使用數(shù)字化振動(dòng)數(shù)據(jù)采集裝置采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，通過頻譜分析法來進(jìn)行鍋爐給水泵的振動(dòng)分析，迅速找到癥結(jié)的所在并進(jìn)行相應(yīng)的處理消缺。

1 研究對(duì)象及運(yùn)行故障特征

某鋼廠自備超高溫亞臨界煤氣發(fā)電廠配置2臺(tái)110%鍋爐BMCR容量的多級(jí)臥式電動(dòng)調(diào)速給水泵，每臺(tái)泵組配置給水泵、齒輪箱、電動(dòng)機(jī)及前置泵各一臺(tái)，變頻電動(dòng)機(jī)主軸伸端通過增速齒輪箱驅(qū)動(dòng)鍋爐給水泵，電動(dòng)機(jī)副軸伸端驅(qū)動(dòng)前置泵，給水泵組布置方式如圖1所示，給水泵組設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。給水泵在驅(qū)動(dòng)端及自由端的軸承座上各配置2個(gè)振動(dòng)探頭，分別監(jiān)測(cè)水平及垂直方向上給水泵的振動(dòng)數(shù)據(jù)，同時(shí)配置轉(zhuǎn)速探頭，監(jiān)測(cè)給水泵的轉(zhuǎn)速及反轉(zhuǎn)報(bào)警[7]。此泵型為傳統(tǒng)火電廠300 MW亞臨界機(jī)組常規(guī)產(chǎn)品，在高負(fù)荷的運(yùn)行工況下可以穩(wěn)定運(yùn)行，并經(jīng)過了時(shí)間的驗(yàn)證。

圖1 給水泵布置圖

表1 給水泵設(shè)計(jì)運(yùn)行參數(shù)

該機(jī)組在投運(yùn)后經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)反饋，當(dāng)機(jī)組運(yùn)行至1號(hào)給水泵流量為260～270 t/h、轉(zhuǎn)速在3 800～4 200 r/min區(qū)間時(shí)，給水泵的振動(dòng)探頭數(shù)據(jù)已超0.05 mm的報(bào)警值。切換2號(hào)泵時(shí)，在此區(qū)域內(nèi)發(fā)生同樣情況。當(dāng)2臺(tái)給水泵發(fā)生同樣問題時(shí)，即可排除是單臺(tái)給水泵自身的制造和裝配問題。通過與表1的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，此時(shí)的負(fù)荷工況比THA工況略低，但仍屬于可運(yùn)行區(qū)域內(nèi)。

在排除制造和裝配問題后，能引起給水泵振動(dòng)的原因依然很多，現(xiàn)場(chǎng)基礎(chǔ)安裝、進(jìn)出口管道連接、設(shè)備間聯(lián)軸器對(duì)中的不到位，都會(huì)影響給水泵的振動(dòng)數(shù)值。在使用排除法對(duì)現(xiàn)場(chǎng)問題逐一排除后，振動(dòng)問題仍然沒有消失。

2 故障診斷及數(shù)據(jù)分析

為解決給水泵的振動(dòng)故障，采用數(shù)字化振動(dòng)數(shù)據(jù)采集裝置結(jié)合頻譜分析法來尋找給水泵的振動(dòng)產(chǎn)生的根本原因。本次采用的設(shè)備是肆點(diǎn)靈智能科技(大連)有限公司的e-Hims4.0設(shè)備健康監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠在線連續(xù)監(jiān)測(cè)給水泵運(yùn)行過程中的振動(dòng)原始信號(hào)參數(shù)，自動(dòng)存儲(chǔ)振動(dòng)分頻、相位、波形等有診斷價(jià)值的數(shù)據(jù)，通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，并提供多種專業(yè)診斷圖譜和報(bào)表及圖譜對(duì)比功能、尋峰功能、倍頻值定位等快速診斷功能。

將給水泵的流量控制在260 m3/h，然后將給水泵轉(zhuǎn)速通過變頻器調(diào)節(jié)逐步上升，從振動(dòng)數(shù)據(jù)異常的轉(zhuǎn)速3 800 r/min開始記錄給水泵驅(qū)動(dòng)端及自由端的軸振和軸承座振動(dòng)數(shù)據(jù)，一直到4 600 r/min。

2.1 給水泵驅(qū)動(dòng)端軸振數(shù)據(jù)診斷與分析

泵軸驅(qū)動(dòng)端軸振趨勢(shì)圖如圖2～圖4所示。

圖2 泵軸驅(qū)動(dòng)端軸振趨勢(shì)圖

圖3 驅(qū)動(dòng)端軸振1多特征值趨勢(shì)圖

圖4 驅(qū)動(dòng)端軸振2多特征值趨勢(shì)圖

從上述趨勢(shì)圖可以看出：不同轉(zhuǎn)速下，驅(qū)動(dòng)端軸振1振動(dòng)值總體平穩(wěn)，峰值接近50 μm，在4 000 r/min附近時(shí)有小幅上升；不同轉(zhuǎn)速下，驅(qū)動(dòng)端軸振2振動(dòng)值總體平穩(wěn)，峰峰值接近60 μm。

泵驅(qū)動(dòng)端軸振在4 211 r/min時(shí)的波形頻譜圖如圖5和圖6所示。

圖5 泵驅(qū)動(dòng)端軸振1在4 211 r/min時(shí)的波形頻譜圖

圖6 泵驅(qū)動(dòng)端軸振2在4 211 r/min時(shí)的波形頻譜圖

從上述波形頻譜圖可以看出：2個(gè)驅(qū)動(dòng)端軸振全部有幅值較小的2×、3×、4×、5×、6×、7×等整數(shù)倍頻成分，有時(shí)有幅值較小的1/2×、1/3×、1/4×等低頻成分；驅(qū)動(dòng)端軸振1的7×倍頻約等于100%*1×倍頻。

驅(qū)動(dòng)端軸振的耐奎斯特圖和波德圖分別如圖7～圖10所示。

圖7 驅(qū)動(dòng)端軸振1耐奎斯特圖

圖8 驅(qū)動(dòng)端軸振2耐奎斯特圖

圖9 驅(qū)動(dòng)端軸振1波德圖

圖10 驅(qū)動(dòng)端軸振2波德圖

從上述耐奎斯特圖及波德圖可以看出：驅(qū)動(dòng)端2個(gè)軸振的1×倍頻隨著轉(zhuǎn)速上升而上升，軸振1的1×倍頻不超過20 μm，軸振2的1×倍頻不超過30 μm，因此驅(qū)動(dòng)端平衡整體良好。

2.2 給水泵自由端軸振數(shù)據(jù)診斷與分析

為進(jìn)一步分析給水泵自由端軸振對(duì)給水泵性能的影響，對(duì)軸振數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集與分析。通過自由端軸振趨勢(shì)圖(見圖11～圖13)可以看出：自由端振動(dòng)呈現(xiàn)明顯波動(dòng)特性，且其幅值隨著工作轉(zhuǎn)速變化而發(fā)生微小波動(dòng)。

圖11 2個(gè)自由端軸振趨勢(shì)圖

圖12 自由端軸振3多特征值趨勢(shì)圖

圖13 自由端軸振4多特征值趨勢(shì)圖

自由端軸振在4 211 r/min時(shí)的波形頻譜圖如圖14和圖15所示。

圖14 自由端軸振3在4 211 r/min時(shí)的波形頻譜圖

圖15 自由端軸振4在4 211 r/min時(shí)的波形頻譜圖

從上述波形頻譜圖可以看出：2個(gè)自由端軸振全部有幅值較小的2×、3×、4×、5×、6×、7×等整數(shù)倍頻成分，部分自由端有幅值較小的1/2×、1/3×、1/4×等低頻成分；自由端軸振3的7×倍頻約等于100%*1×倍頻。

自由端軸振的耐奎斯特圖和波德圖分別如圖16～圖19所示。

圖16 自由端軸振3耐奎斯特圖

圖17 自由端軸振4耐奎斯特圖

圖18 自由端軸振3波德圖

圖19 自由端軸振4波德圖

從上述耐奎斯特圖及波德圖可以看出：自由端2個(gè)軸振的1×倍頻隨著轉(zhuǎn)速上升而上升且整體沒超過30 μm，因此自由端平衡整體良好。

2.3 故障采集結(jié)果診斷分析

通過軸振波形頻譜圖可以看出：1)驅(qū)動(dòng)端、自由端4個(gè)測(cè)點(diǎn)的耐奎斯特圖及波德圖的1×倍頻數(shù)值均未超過30 μm，1×倍頻反映的是轉(zhuǎn)子平衡性能，因此，可判定給水泵轉(zhuǎn)子平衡良好，可以排除平衡原因?qū)е碌恼駝?dòng)；2)全部軸振、全部有幅值較小的2×、3×、4×、5×、6×、7×等整數(shù)倍頻成分，有時(shí)有幅值較小的1/2×、1/3×、1/4×等低頻成分，這個(gè)問題的產(chǎn)生可能是給水泵的振動(dòng)導(dǎo)致部件間的松動(dòng)造成的；3)驅(qū)動(dòng)端軸振1及自由端軸振3的7×=100%*1×；結(jié)合葉輪的葉片數(shù)量是7片，根據(jù)離心泵相關(guān)設(shè)計(jì)理論及手冊(cè)中描述，這可能是軸振1、3方向的葉片與導(dǎo)葉之間的間隙不良激發(fā)的流體力學(xué)原因造成的[8-11]。

3 優(yōu)化方案及結(jié)果分析

根據(jù)頻譜分析的結(jié)果，由于已經(jīng)排除了平衡的原因，筆者著重檢查葉片與導(dǎo)葉的間隙值，該泵型的葉輪葉片外徑為335 mm，導(dǎo)葉的葉片內(nèi)徑為340 mm，葉輪與導(dǎo)葉的間隙為5 mm。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)API610 11th[12]中5.1.17描述：“單級(jí)揚(yáng)程超過200 m(650英尺)和單級(jí)功率超過225 kW(300bp)的泵可能需要特殊措施來減小葉輪葉片通過頻率振動(dòng)和小流量時(shí)的低頻振動(dòng)。對(duì)于這些泵，導(dǎo)葉或蝸舌與葉輪葉片外圓周之間的徑向間隙至少應(yīng)當(dāng)為最大葉輪葉尖半徑的3%(對(duì)于導(dǎo)葉式泵)和最大葉輪葉片尖半徑的6%(對(duì)于蝸殼式泵)?！?/p>

百分比間隙按下式計(jì)算：

(1)

式中，P是百分比間隙；R2是導(dǎo)葉頭部的半徑；R1是最大葉輪葉片尖的半徑。

計(jì)算得到目前這臺(tái)泵的間隙為1.5%，與標(biāo)準(zhǔn)中描述的存在一定差距。由于以往電廠運(yùn)行長期處于高負(fù)荷工況，給水泵的特點(diǎn)就是越接近設(shè)計(jì)點(diǎn)，泵的效率越高效，同時(shí)運(yùn)行也越穩(wěn)定，結(jié)合流場(chǎng)與系統(tǒng)的原因，可能正好避開了振動(dòng)區(qū)域。而本次電廠由于處于低負(fù)荷運(yùn)行區(qū)間，非泵的高效區(qū)，因此泵的振動(dòng)會(huì)比高效區(qū)偏大，同時(shí)結(jié)合間隙值偏小，葉輪葉片通過頻率振動(dòng)和小流量時(shí)的低頻振動(dòng)共同作用使得給水泵的振動(dòng)超出標(biāo)準(zhǔn)值。

考慮標(biāo)準(zhǔn)API610 11th中5.1.18描述：“工作轉(zhuǎn)速高于3 600 r/min，單級(jí)功率在300 kW(400bp)以上的泵甚至可能需要更大的間隙和其他特殊的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)于這類泵，應(yīng)當(dāng)由買方和賣方共同商定特殊要求，把對(duì)各種具體泵型的實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)經(jīng)驗(yàn)考慮進(jìn)去?！币虼?，對(duì)本問題的處理方案的重點(diǎn)是增加葉輪與導(dǎo)葉的間隙，使得轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)過程中的能量能夠充分地釋放，降低流體通過葉輪葉片時(shí)的頻率振動(dòng)。與此同時(shí)，過大的葉輪與導(dǎo)葉間隙將影響給水泵的效率，因此也不能盲目放大。將葉片外徑切割至329 mm，同時(shí)保留葉輪前后蓋板的高度不變，導(dǎo)葉葉片內(nèi)徑加工到342 mm，頭部打磨修圓，保證內(nèi)部流道的光滑。通過調(diào)整，使得葉輪與導(dǎo)葉的間隙達(dá)到3.95%，達(dá)到了API610 11th中規(guī)定的數(shù)值。

給水泵重新按照G2.5級(jí)動(dòng)平衡后復(fù)裝重新運(yùn)轉(zhuǎn)，在流量為260～270 m3/h、轉(zhuǎn)速為3 800～4 600 r/min的區(qū)間，復(fù)測(cè)給水泵軸承座振動(dòng)值，數(shù)據(jù)達(dá)到設(shè)計(jì)值，數(shù)據(jù)見表2。給水泵異常振動(dòng)問題通過數(shù)據(jù)采集、頻譜分析的方法迅速排除了各種可疑性，找到了問題的根源——葉輪與導(dǎo)葉間隙不足，同時(shí)結(jié)合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)與經(jīng)驗(yàn)對(duì)葉輪與導(dǎo)葉的間隙進(jìn)行了優(yōu)化，最終得到了較好的解決。

表2 處理后振動(dòng)數(shù)據(jù)

4 結(jié)語

本文采用e-Hims4.0設(shè)備健康監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)，對(duì)鍋爐給水泵各運(yùn)行工況數(shù)據(jù)進(jìn)行了實(shí)時(shí)采集，診斷分析了該泵在不同工況點(diǎn)下的振動(dòng)內(nèi)在原因，通過優(yōu)化修正給水泵的葉輪與導(dǎo)葉間的間隙，成功解決了給水泵異常振動(dòng)問題，使得該型產(chǎn)品在滿足高效區(qū)穩(wěn)定運(yùn)行的同時(shí)又能達(dá)到調(diào)峰及降負(fù)荷時(shí)的運(yùn)行要求。

傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)排除法固然可以幫助我們解決大多數(shù)的問題，但本文案例中因葉輪與導(dǎo)葉間隙產(chǎn)生的振動(dòng)問題，如果不借用現(xiàn)代化新技術(shù)的頻譜分析法，很難會(huì)在一個(gè)成熟產(chǎn)品中去朝這個(gè)點(diǎn)剖析。通過新技術(shù)、新設(shè)備的運(yùn)用，大多時(shí)候由于客觀原因容易被忽略的一些因素和原因就會(huì)通過系統(tǒng)診斷浮現(xiàn)在操作者面前，從而幫助操作者更迅速、精確地找到問題的根源，這就是新技術(shù)在給水泵故障診斷中的優(yōu)勢(shì)和便利。