水轮机冷却塔振动原因分析及对策

张尔东

（中国石油天然气股份有限公司哈尔滨石化分公司，黑龙江 哈尔滨 150056）

1 冷却塔运行状况及分析

1.1 冷却塔运行状况

哈尔滨石化公司三循凉水塔原有2间4 000 m3/h大型工业电机驱动风机式逆流冷却塔，2012年公司响应国家节能减排要求分别将风机驱动改造为水轮机驱动风机，改造后当风机转速大于100 rpm时，（正常类似风机设计转速127 rpm），冷却塔风筒振动值严重超标，最大值达到18.5 mm/s，比规范设计要求超3倍，严重影响冷却塔长周期安全运行，且风机转速达不到风机的额定转速，冷却塔的冷却效果受到严重限制，特别在夏季更严重影响正常生产工艺指标，由于上述问题是个较大的技术难题，公司也咨询并邀请了国内几家权威机构来现场查看诊断，但最终都无法找到问题的原因及彻底解决的方案[1]。几年来此冷却塔进入夏季仅能靠补充冷水和减小负荷的办法维持生产。2019年改造水轮机后冷却塔运行工况测试数据如表1所示。

表1 改造水轮机后现场冷却塔检测振动数据表

1.2 最终诊断结果

从目前上述运行状况来看：现场的振感比原电机驱动塔振动强烈得多，较为明显的是从冷却塔风机转速改变来看，在100 rpm以下转动相对平稳，当风机转速逐渐提升时，冷却塔风筒和塔顶振幅明显加大，特别达到额定转速120 rpm左右时，风筒振动更加强烈；从现场检测数据来看，随着风机转速从100 rpm至122 rpm时，风筒振动值飙升至18.5 mm/s，此种状态运行对冷却塔长周期安全运行有较大的影响。

1.3 综合导致振动原因的分析

1.3.1 风机因素

现风机叶片数量为6片，按9 140 mm风机直径来算，风机夹角偏大，风速相对不均匀，风场波动性较大，易产生较大振动，另风机为玻璃钢材质风机，本体较重，当负载时叶尖下沉较大，从而改变原风机的叶型，打破风机的平衡，并产生一定振动，而碳纤维风机可改变现状，其重量仅玻璃钢风机的1/3，性能强度是玻璃钢的5倍，负载时叶型变化量较小，运行效率相对玻璃钢可提高15%，故建议更换为8片碳纤维风机，这也是消除振动方法之一。

1.3.2 风筒因素

目前现冷却塔的风筒由于已超出玻璃钢产品的使用寿命（玻璃钢的使用寿命一般均在15年），并且根据现场测量风筒的局部厚度太薄，易导致冷却塔风筒振动。

1.3.3 水轮机因素

（1）水轮机是风机运行的动力源，如水轮机振动则影响到冷却塔的振动，现水轮机带减速装置，减速机为行星齿轮结构，受润滑油和密封限制，容易失油，齿轮易磨损或损坏，如磨损或损坏，易产生振动，从现场观察水轮机端盖上存积一定的润滑油，说明减速箱是漏油，如在低转速时，磨损相对好点，如高速运行则易损坏。

（2）在减速箱上端有一减速传动轴，且较短，轴承如有磨损摆动较大，易产生振动。

（3）由于水轮机结构问题，造成整体高度较高，重心偏高，振动扩大。

（4）水轮机本体靠出水框支撑，支撑强度较差，应加强水轮机支撑强度，即在涡壳加装4只支撑腿。

1.3.4 水轮机附件因素

附件主要分析水轮机出水框和出水管，现出水管为2支DN600的螺旋管，出水分流相对较差，使水轮机转轮出水不均匀，易使转轮转动不平衡，另还增加水轮机出水压力，阻碍水轮机转速，如要出水分流均匀，可采用4支DN400分流管，如采纳可降低水轮机高度，降低振动，也使风机位置靠近风筒喉部。

另水轮机底座-出水框与底梁对接无任何紧固件，处于浮动状态，当水轮机负载时，仅依靠两只出水管来稳定运行状态，易产生振动。

1.3.5 风机与风筒相对位置不合理

现风机位置离风筒喉部上沿约450 mm，偏离较大，风机叶尖距离风筒壁远大于有关规定30～40 mm，造成风机上端的正压风沿风筒壁回流至风机下端的负压区，这样就产生扰流现象，由于风机叶片少，扰流现象很不均匀，易造成风筒振动。另风筒强度不足时，也易产生振动。

1.3.6 循环水回水压力过高因素

由于系统回水压力较高和水轮机做功需要一定的压力，当回水中的气泡集聚到一定的量和压力时，在水轮机出水时瞬间释放，就造成湍流现象，从而造成冷却塔横向振动，从现场观察这不是主要振动源，如对水轮机改造，可改善振动。

2 根据排查原因进行整改

（1）由于水轮机运行周期已较长，为了摸清水轮机内的磨损件磨损程度，打开水轮机内转动部件，详细检查发现相关磨损件，全部进行更换解除或降低振动源。（2）更换过期及强度弱玻璃钢冷却塔风筒，RC-92型风筒模压工艺成型，梯形空腹加强筋结构，端中两处均设环向实心加强筋，风筒片间联结采用扣接式，板间连接严密无缝隙，整体强度高，表面光滑美观，不龟裂、不褪色，紧固件均为不锈钢材质，厚度不小于10 mm，风筒壁承受的风载荷大于0.8 kPa，寿命20年以上。（3）风机改为碳纤维风机，由原来6片改为8片风叶，风机由单板结构改为双夹板结构，可降低风机高度；减小塔的震动（4）降低水轮机的安装高度；（5）改造水轮机出水框，由原来的2支出水管改为4支出水管，出水管与布水器对接方式由原来的与布水支管对接改为干管对接，这样能够减轻布水支管的承载和降低对接点区域的对喷头的直接冲击；（6）水轮机改造，加装4只支撑柱，增设放气装置；（7）水轮机底座加固。

3 整改技术方案

3.1 更换加厚型高强度玻璃钢风筒

风筒采用玻璃钢材质动能回收型，能适应当地的气象条件，具有较强的抗风载荷能力，抗风载荷大于960 Pa。风筒结构应采用T型大端面空腹加强筋，应力集中段和联接端埋有预制件以保证风机整体强度和运行强度，风筒应拼装严密，风筒动能回收值不得小于30%，风筒紧固件采用不锈钢材质，风筒外表面应不龟裂、不褪色，其表面胶衣应采用进口胶衣并能抗紫外线的长期照射，风筒内表面要求光滑[2]。

3.2 原强度弱震动大纯玻璃钢叶片改为强度高碳纤维复合材料风机叶片

目前国内外轴流风机叶片的材质，主要有铝合金、玻璃钢及碳纤维三种。铝合金因为易变形、质量大，只用在小直径风机。玻璃钢（FRP）材质叶片由于在湿热、酸碱等恶劣环境及抗变形等多方面的诸多优秀表现，而得到广泛应用，现在即使小风机的叶片也逐步被玻璃钢代替。

新材料的选择及应用也为本次改造降低震动值起到较大作用。

3.3 降低水轮机安装高度

由于水轮机本体结构不可动，降低安装高度只能从风机和出水框来实现，风机结构形式由原来的单板改为双板，风机高度可降低100 mm左右；出水框由原来的双管出水改为四管出水，出水框高度可降低200 mm，总体可降低水轮机安装高度300 mm；

3.4 改造水轮机出水框出水管数量

水轮机出水框由原来的2支DN600出水管整改为4支DN450出水管，提高水轮机转轮出水流场的均匀度，降低振动；

3.5 改造水轮机

由于原水轮机支撑紧靠出水框支撑，支撑点所占面积较小，稳定性较差，故加装4只支撑柱；另外，循环水中的气体也无泄放点易产生振动，故加装一放气装置，此装置建议在检修时加装；

3.6 水轮机底座与基础对接方式

由于基础面较小，基础厚度较薄，水轮机底座与基础对接螺栓无预埋孔位置，现利用十字梁采用对夹方式紧固底座；

3.7 水轮机出水管与布水器对接方式

出水管2根管合并成一支管，再与布水器干管对接；

4 整改后技术指标

（1）整改后风机转速能平稳安全的达到设计要求的127 rpm；

（2）改造后的2个冷却塔的振动值经过有关部门实塔测试风筒的震动值分别为3.28 mm/s和2.83 mm/s 塔顶震动值分别为0.35 mm/s和0.16 mm/s 与同型运行的电机驱动塔比较能降低50%以上震动。

（3）改造后的冷却能力恢复、甚至超过原设计水平，夏季最炎热期间冷却后水温比2013年至2018年同期降低2～3 ℃，为三循所带各装置高效生产运行提供了可靠保障。

改造后温度情况如表2所示。

表2 改造后温度情况表