立式凝结水泵电动机变频改造后的共振问题分析

2018-02-01邢海波傅行军

发电设备 2018年1期

邢海波，傅行军

(东南大学火电机组振动国家工程研究中心，南京 210096)

近年来，在对600 MW、1 000 MW 等机组火力发电站的节能改造中，大型立式凝结水泵是改造的重点设备之一。凝结水泵是将凝汽器中的凝结水输送到除氧器中的电厂重要辅机。传统定速运行凝结水泵采用节流调节方式，转速不随机组负荷、除氧器水位变化而变化，能耗较大，经济性较差[1-2]。将凝结水泵机组由工频运行改为变频运行，根据不同负荷确定相应转速使泵组实现节能。

1 振动测试与分析

某电厂为了实现节能，对2台660 MW机组的4台凝结水泵(每台机组配2台凝结水泵一备一用)均做了变频改造，其改造所用的YLST630-4电动机和C720-4凝结水泵参数具体见表1。实际运行中发现，在个别常用转速下，电动机顶端的振幅较大，无法满足长期安全运行的要求。

表1 电动机和凝结水泵设计参数

依据国家标准的相关规定，对于垂直布置的机器，在进行振动测量时，径向振动测量需要互为垂直的两个方向，传感器应布置于能得到的最大振动读数位置，因此立式泵组振动测量位置应靠近电动机上部轴承附近[3]。

试验测点包括3个(见图1和图2)：键相测点1个；电动机顶部水流方向测点1个(1号测点，下称垂直向)；电动机顶部垂直水流方向测点1个(2号测点，下称水平向)。

图1 测试系统示意图

图2 轴系简图

振动传感器采用G08G04D6型速度传感器，采集仪器为ZXP-8振动分析仪。

1.1 振动测试

在启动过程中结合电动机的启动设计曲线，采取每升30 r/min后定速观察的方法，待振动稳定继续升速，直至得到整个转速范围的振动情况，得到的振动曲线和振动峰值分别见图3和表2。

图3 不同转速下振动变化趋势图

μm/μm∠(°)

1.2 故障分析

(1) 在振动峰值附近，振动分量以基频为主，无明显的低频和高频分量，是普通的强迫振动(见图4和图5)。

图4 垂直向990 r/min时频谱图

图5 水平向1 090 r/min时频谱图

(2) 由于电动机属刚性转子，其工作转速低于临界转速，因而单纯的质量不平衡所引起的振动会随着转速升高而增大，即不会出现图3所示的峰点。

(3) 在整个转速范围内，除了990 r/min和1 090 r/min附近的振动超出标准外，其余转速的振动情况良好。在这两个转速附近，振幅的变化十分剧烈，而且这两个转速分别对应着不同的方向。

综上分析，可以认定这种某一转速下的振动过大是由于转子-轴承-外壳系统发生了共振，而且由于两个方向的结构刚度不同，导致存在两个共振转速，垂直方向的共振转速为990 r/min，水平方向的共振转速为1 090 r/min。

2 理论依据

发生共振时，存在一个共振区间，在此区间内，振幅对系统阻尼和激振力十分敏感。一般区间范围[4]取为0.75<λ<1.25(λ=Ω/ωm，Ω为激振力频率，ωm为共振频率)。

共振时，部件振动值的计算式[5]为：

(1)

式中：A为振幅；F为激振力；kd为动刚度。

因此，为了解决由于共振导致的振动过大问题，主要从三个方面着手：(1)改变部件固有频率，使其能够避开激振力频率，如对泵组返厂进行结构改造；(2)增加系统的阻尼，如常用的现场加固等；(3)减小激振力，处理方法是动平衡[1]。

对刚性部件，其固有频率ωn的计算式为：

(2)

式中：m为部件质量。

通过式(2)可以看出系统共振频率与刚度的平方根成正比。机组满负荷运行时电动机转速约为1 500 r/min，如要完全避开共振区即共振区的下限值不能低于1 500 r/min，则共振频率要提高到2 000 r/min以上，刚度要增大为原先的4倍以上，这在工程上本身就难以实现。此外，在该例中，由于泵组结构是垂直布置，电动机所在高度周边没有着力点，所以也无法加支撑。

在无法有效改变共振频率和系统阻尼的情况下，通过精细的动平衡，将扰动力降至最小，以达到减弱振动的目的[6]。