技术供水管路伸缩节在蓄能电站的实际应用

2017-01-17赵一炜李甲骏祁亚静

水电站机电技术 2016年12期

关键词：供水管联轴器过滤器

陈波，赵一炜，李甲骏，卢彬，祁亚静

（河北张河湾蓄能发电有限责任公司，河北石家庄 050300）

技术供水管路伸缩节在蓄能电站的实际应用

陈波，赵一炜，李甲骏，卢彬，祁亚静

（河北张河湾蓄能发电有限责任公司，河北石家庄 050300）

张河湾抽水蓄能电站1号机组技术供水在管路改造过程中，将技术供水泵出口与技术供水过滤器之间采用不锈钢管路及法兰连接，引起管路振动和技术供水泵轴承垂直振动加大，导致技术供水泵机械密封磨损并出现甩水情况。通过分析，采用技术供水管路伸缩节解决了技术供水泵振动问题。

技术供水；管路；振动；伸缩节

1 引言

河北张河湾蓄能发电有限责任公司（简称“张河湾抽水蓄能电站”）位于河北省石家庄市井陉县境内，距石家庄市直线距离为53 km，公路里程为77 km。张河湾电站设计安装4台250 MW单级混流可逆式水泵水轮发电机组，总装机容量1 000 MW，以一回500 kV线路接入河北南部电网，主要承担系统调峰、填谷、调频、调相等任务，并且在电网故障甚至瓦解时，可以充当电网最佳的紧急事故备用和“黑启动”电源。

张河湾抽水蓄能电站在1号机组技术供水管路改在期间,将技术供水泵连接方式采用不锈钢管路和法兰连接方式连接，导致技术供水泵管路及技术供水泵主轴振动加大。我厂技术人员通过认真分析原因，采取有效处理措施，减小了技术供水泵管路及技术供水泵主轴振动。下面就张河湾电站1号机组技术供水管路结构、振动原因分析及处理方案和措施进行详述。

2 1号机组技术供水管路结构及技术供水泵介绍

张河湾抽水蓄能电站1号机组技术供水系统每个单元设2台水泵，一台工作一台备用，水源取自本机组尾水管扩散段，排至下库。过滤器自动排污至排水总管，手动排污至集水井。机组技术供水系统由供水泵、过滤器、冷却器、阀门、表计及对应的管路组成，为机组及主变提供冷却水，同时为主轴密封提供润滑水。

技术供水系统AA811至AA812为明管段，技术供水管路、技术供水出口阀AA812供水侧及技术供水过滤器进口阀AA811取水侧，均采用混泥土浇筑预埋管路方式，技术供水泵及技术供水过滤器采用支架安装固定。具体结构如图1。

图1 技术供水管路图

我厂技术供水泵采用立式泵单级离心泵,技术供水泵各技术参数如表1。它的特点是工作扬程大，其工作原理是利用叶轮旋转而使水发生离心运动来工作的。水泵在启动前，必须使泵壳和吸水管内充满水，然后启动电机，使泵轴带动叶轮和水做高速旋转运动，水发生离心运动，被甩向叶轮外缘，经蜗形泵壳的流道流入水泵的压水管路。立式泵的工作原理是：泵轴带动叶轮一起作高速旋转运动。

表1 技术供水泵各技术参数

3 故障现象及原因分析

3.1 故障现象及危害

由于原管路运行时间长导致管路腐蚀严重，于2016年对1号机组技术供水管路进行改造，将管路及阀门更换为不锈钢材质。改造后，技术供水泵AP811至逆止阀BU811采用DN300不锈钢管路及法兰连接。管路打压试验正常，启动技术供水泵后发现两台技术供水泵振动均较大，振速为4.4 cm/s，且技术供水泵运行8 h后技术供水泵主轴出现甩水情况。

振动超标的危害主要有:造成机组不能正常运行；引发电机和管路的振动，造成机毁人伤；造成轴承等零部件的损坏；造成连接部件松动，基础裂纹或电机损坏；造成与水泵连接的管件或阀门松动、损坏；形成振动噪声。

3.2 原因分析

水泵机组振动的原因很复杂，从引发振动的起因看主要原因有：

（1）电机结构件松动，轴承定位装置松动，铁芯硅钢片过松，轴承因磨损而导致支撑刚度下降，会引起振动。

（2）驱动装置架与基础之间采用的接触固定形式不好，基础和电机系统吸收、传递、隔离振动能力差，导致基础和电机的振动都超标。水泵基础松动，或者水泵机组在安装过程中形成弹性基础，或者由于油浸水泡造成基础刚度减弱，从而使水泵振动频率增加，如果增加的频率与某一外在因素频率接近或相等，就会使水泵的振幅加大。另外，基础地脚螺栓松动，导致约束刚度降低，会使电机的振动加剧。

（3）联轴器连接螺栓的周向间距不良，对称性被破坏；联轴器加长节偏心，将会产生偏心力；联轴器锥面度超差；联轴器静平衡或动平衡不好；弹性销和联轴器的配合过紧，使弹性柱销失去弹性调节功能造成联轴器不能很好地对中；联轴器与轴的配合间隙太大；联轴器胶圈的机械磨损导致的联轴器胶圈配合性能下降；联轴器上使用的传动螺栓质量互相不等。这些原因都会造成振动。

（4）叶轮是泵的最主要的部件。它将原动机输入的机械能传递给液体，使液体的能量得到提高。叶轮一般由前盖板、后盖板、叶片及轮毂组成。液体由叶轮中心进入，流经前、后盖板间由各叶片形成的通道，由轮缘排出。其失效形式主要表现在:

1）叶轮偏心。叶轮制造过程中质量控制不好，比如，铸造质量、加工精度不合格；或者输送的液体带有腐蚀性，叶轮流道受到冲刷腐蚀，导致叶轮产生偏心。

2）使用中叶轮口环与泵体口环之间、级间衬套与隔板衬套之间，由最初的碰摩，逐渐变成机械摩擦磨损，这些将会加剧泵的振动。

（5）轴很长的泵，易发生轴刚度不足，挠度太大，轴系直线度差的情况，造成动件（传动轴）与静件（滑动轴承或口环）之间碰摩，形成振动。另外，泵轴太长，受水池中流动水冲击的影响较大，使泵水下部分的振动加大。轴端的平衡盘间隙过大，或者轴向的工作窜动量调整不当，会造成轴低频窜动，导致轴瓦振动。旋转轴的偏心，会导致轴的弯曲振动。

（6）每台泵都有自己的额定工况点，实际的运行工况与设计工况是否符合，对泵的动力学稳定性有重要的影响。水泵在设计工况下运行比较稳定，但在变工况下运行时，由于叶轮中产生径向力的作用，振动有所加大；单泵选型不当，或是两种型号不匹配的泵并联。这些都会造成泵的振动。

（7）轴承的刚度太低，引起振动。推力轴承和其他的滚动轴承的磨损，则会使轴的纵向窜动振动以及弯曲振动同时加剧。润滑油选型不当、变质、杂质含量超标及润滑管道不畅而导致的润滑故障，都会造成轴承工况恶化，引发振动。

（8）泵的出口管道支架刚度不够，变形太大，造成管道下压在泵体上，使得泵体和电机的对中性破坏；管道在安装过程中较劲太大，进出口管路与泵连接时内应力大；进、出口管线松动,约束刚度下降甚至失效；杂物卡入叶轮；管路不畅；出水口不畅，出水阀门掉板，或没有开启；进水口有进气等，这些原因都会直接或者间接地导致泵和管路的振动。

（9）电机轴和泵轴同心度超差；电机和传动轴的连接处使用了联轴器，联轴器同心度超差；动、静零部件之间（如叶轮和口环之间）的设计间隙由于磨损变大；轴承支架与泵体间隙超标、轴承内圈与泵轴间隙超标（俗称轴承跑外圈、跑内圈），这些不利因素都能造成振动。

（10）汽蚀振动是泵振动的很重要的一部分。水泵叶轮中心产生真空，水才能被大气压压上来，水泵离下水面越高，需要的真空度就越大。当水泵叶轮中心的真空度大到一定程度时，虽在常温下，叶轮进口处的水也要大量的汽化，气泡随水逐渐进入高压区，压力升高气泡又凝结成水而消失。气泡消失时，四周的水以高速来补充它的空间，而发生猛烈的碰撞，在这瞬时间就产生了很强的水锤现象，打击叶片表面，使叶片一小块一小块的剥落损坏。另外，液化中逸出的氧气借助气泡凝结时放出的热量对金属起化学腐蚀作用。这种泵内反复出现液体的汽化和凝结，以致对过流部件损坏的现象称为汽蚀现象。汽蚀发生后，由于反复地机械撞击作用和化学腐蚀作用，使叶轮受到破坏。流量扬程下降，甚至不出水，使水泵产生噪音和振动。若汽蚀引起振动的频率与设备的自然频率相等时，就会引起强烈振动。

（11）叶轮旋转时产生的非对称压力场；吸水池和进水管涡流；叶轮内部以及蜗壳、导流叶片漩涡的发生及消失；阀门半开造成漩涡而产生的振动；由于叶轮叶片数有限而导致的出口压力分布不均；叶轮内的脱流；喘振；流道内的脉动压力；汽蚀；水在泵体中流动，对泵体会有摩擦和冲击，比如水流撞击隔舌和导流叶片的前缘，造成振动；泵体内压力脉动，主要是泵叶轮密封环，泵体密封环的间隙过大，造成泵体内泄漏损失大，回流严重，进而造成转子轴向力的不平衡和压力脉动，会增强振动。

3.3 故障排查

结合上述原因，对技术供水泵及管路设备进行相应检查。

（1）对技术供水电机结构件进行检查，未发现松动及其他异常情况。

（2）驱动装置架与基础之间采用的接触固定形式良好，检查基础地脚螺栓无松现象。

（3）检查联轴器连接螺栓的周向间距正常，对称性良好；对技术供水泵盘车检查均正常。

（4）检查叶轮及流道受到无冲刷腐蚀；检查叶轮口环与泵体口环之间、级间衬套与隔板衬套之间，无机械摩擦磨损。

（5）检查轴端的平衡盘间隙正常，轴向的工作窜动量检查正常。

（6）由于本次改造技术供水泵及电机未进行更换，且改造前技术供水泵运行正常，判断的运行工况与设计工况相符合。

（7）检查滚动轴承的磨损正常，润滑油无变质、杂质超标及润滑管道不畅现象。

（8）检查技术供水泵叶轮无杂物卡入管路不畅；出水口不畅，出水阀门正常，启动技术供水泵并开启技术供水泵本体排气阀及技术供水过滤器排气阀无气体，泵的出口管道支架变形正常。对于管道在安装过程中较劲太大，进出口管路与泵连接时内应力大无法检查，初步判断有该可能性。

（9）检查电机轴和泵轴同心度及间隙正常。

（10）气蚀及压力脉动等原因不具备检查条件，初步判断有这种可能性。

通过上述原因分析及检查，振动产生的可能原因为：1）安装过程中较劲太大，进出口管路与泵连接时内应力大造成振动；2）气蚀、压力脉动引起强烈振动。

由于技术供水泵和技术供水过滤器均采用固定安装方式，技术供水泵与技术供水过滤器之间长度为1.5 m，采用DN300钢管通过法兰连接方式。固初步判断振动是由于管道在安装过程中较劲太大，进出口管路与泵连接时内应力大，管道与水泵的连接采用了强力对口所致。

4 处理方案

4.1 根据上述原因分析有以下两个处理方案

方案一：在技术供水泵与技术供水过滤器之间靠近技术供水过滤器处切割300 mm管路，并在焊接上DN300法兰，完全冷却后，安装上DN300橡胶技术供水伸缩节（如图2）。

技术供水管路伸缩节有以下特点：

图2 技术供水伸缩节图

1）管道为柔性连接，消除了管道系统弹性应力转移，实现了补偿，提高了系统的安全性。

2）能适应一定限度内的自由伸缩，故四季温度变化，管线不必再设补偿器。

3）密封圈与管子为柔性连接，对连接的管子精度要求低，对工况条件要求极低。

方案二：根据技术供水泵与技术供水过滤器管接头高度重新配管，通过法兰适当调节水平度，以达到消除管道与水泵的强力对口连接。增加一个支架以减小管路自重对法兰连接的拉力。

4.2 方案优缺点分析

方案一：实施简单方便，并能消除技术供水泵启停过程中水锤对设备的影响；技术供水伸缩节为橡胶制品，长时间使用后会出现老化现象，并需重新采购新的技术供水伸缩节。

方案二：由于技术供水泵与技术供水过滤器均采用固定安装方式，技术供水泵与技术供水过滤器管口的中心度无法调整，小的偏差可通过法兰焊接调整，若中心相差较大则无法调整；该方案优势在于管路为不锈钢材质，不存在老化现象。

4.3 方案确定

综合上述分析，确定采用方案一以达到减小技术供水泵振动目的。

5 处理措施

在1号技术供水泵与技术供水过滤器之间靠近技术供水过滤器处切割300 mm管路，并在焊接上DN300法兰，完全冷却后，安装上DN300橡胶技术供水伸缩节。打压试验，管路无渗漏。

采取以上措施后，1号技术供水泵运行平稳，振动现象消除。更换1号技术供水泵机械密封，机组运行2 d后检查技术供水泵机械密封完好。2号技术供水泵按方案一实施。改造后经测量水泵振动由改造前的振速4.4 cm/s降低为1.39 cm/s。根据振动强烈度标准ISO2372-1974可以判定水泵运行处于优秀区。目前张河湾蓄能电站1号机组技术供水泵未再出现振动大的情况。