汽轮机变频凝结水泵振动处理分析

2022-01-14苏金寿

现代制造技术与装备 2021年12期

苏金寿

（福建泉州闽光钢铁有限责任公司，泉州 362000）

1 案例设备情况简析

在动力厂所应用的基础设备类型中，给水泵是较为关键的组成部分之一。38 MW余能发电式给水泵主要负责增加除氧装置储水箱内部给水的基础压力后将其输送至锅炉区域。这些给水的温度相对较高，并且已经完成除氧处理，能够满足锅炉系统的用水基础需求。在运输过程中，泵体需要自动调整给水压力与流量状态，同时需要解决锅炉内部与回热系统内部存在的阻力问题，使水动力循环能够维持正常运转状态。在整体机组系统中，其出口位置通常是压力最高的位置，因此锅炉给水泵装置对于整体运行的基础安全性与可靠性具有不可忽视的作用。一旦给水泵装置出现故障问题，就会导致较为严重的安全损失。极端情况下，甚至可能引发事故，给人员与设备的正常应用带来麻烦。给水泵装置频繁进行检修处理需要消耗大量的人力资源与物力资源，也会对其连续运转状态造成不必要的负面影响，不利于机组装置的安全、稳定运行。因此，为尽可能降低给水泵装置的故障概率，并解决其对锅炉与汽轮机系统正常运行产生的负面影响，需要针对38 MW给水泵余能发电给水泵故障问题进行分析，并采取有效的解决措施，确保相关设备能够维持正常运行状态。

本次研究案例为某地区钢铁厂用汽轮机，基础功率为38 MW，凝结水泵型号为150N150，额定流量数据为140～150 m3·h-1，扬程数值为150 m，出口压强为1.4 MPa。凝结水泵内部轴功率为110 kW，转速平均为2 970 r·min-1。通过结合以往检修记录以及现场进行实际检查的信息能够发现，该给水泵检修次数较为频繁，其中故障问题检修次数为30次、管道系统存在泄露的检修次数为17次、电机装置故障问题1次、其他故障问题5次。通过分析相关检修信息与故障技术的原因，可以认定导致水泵故障的主要原因与泵体受到冲击、振动存在关联。通过总结引发此问题的原因，导致水泵故障的主要因素包括电机装置采用工频类型、最小流量阀筛选不合规范、暖泵时间相对较短、实际运行工况变化次数较多以及泵体吸入空气等。同时，最为核心的原因与该凝结水泵长期以来主要应用诱导轮与单级叶轮的运行方式有关，运行过程中经常出现振动增大的问题，导致频繁进行备件更换。

在节能发展要求与提高经济效益的背景下，需要针对该水泵振动问题进行处理，从而为后续进一步应用提供理想条件。因此，本次案例需要从变频凝结水泵产生故障问题的主要原因入手，探索其正常运行的基础区间，同时对转速与频率进行科学分析，以明确相关参数与实际转速的基础关系，并确定频率区间。通过对振动点位进行测量，能够为解决水泵振动问题与冲击问题提供重要参考，以便于降低故障率，实现理想应用目标。除此之外，还需要分析解决故障问题需要注意的细节内容，从根源层面探索处理变频凝结水泵振动故障的科学方式，尽可能降低出现不良问题的概率，使相关故障处理工作能够正常进行，为后续进一步应用相关设备夯实基础，防止运行过程中出现严重故障而导致经济效益受损等异常情况。

2 变频凝结水泵振动故障原因检测与分析

2.1 确定正常运行区间

本案例中凝结水泵由传统工频类型改造为变频类型后，其振动问题可以从定转速问题转变为变转速问题[1]。因此，排除故障时需保证凝结水泵在正常运行过程中处于低振动状态，并且使设备频率维持最低流量、最小扬程标准。

2.1.1 转速与频率

转速的计算方式为：

式中：n为实际转速状态；s为转差率数据，在本案例中采用1/75进行计算；n0为同步转速数据；f为供电频率数据；p为电动机装置极对数，在本案例中采用2进行计算。

转差率的计算方式为：

根据式（1）与式（2）可知，在转差率数据等于0的条件下，电动机装置供电频率f与实际转速状态n成正比。

2.1.2 相关参数与转速的关系

根据凝结水泵设备相似律，相关参数中轴功率比例、流量比例和扬程比例的计算方式分别为：

式中：P为轴功率数据；Q为流量数据；H为扬程数据。

综合以上公式能够明确，凝结水泵设备的基础流量与基础转速存在正比关系，扬程数据与转速数据平方存在正比关系，轴功率数据与转速数据的三次方存在正比关系。

2.1.3 频率区域确定

将上水与冷却水需求纳入至考虑范围后，凝结水泵装置出口区域压力通常为额定压力的50%以上。按照H=1/2He进行计算，可以获得近似最低转速数据，计算阶段He为额定扬程数据，则有：

式中：ne为额定转速数据。

按照转速数据与频率数据的关联性进行分析，在转差率约等于0的情况下，最低工作频率为35.4 Hz，由此可明确凝结水泵常见频率范围在36～50 Hz。

2.2 振动测量点位布置

在布置测试点位的过程中，通常可在轴承盖区域、轴承座区域的正交方向设置测量点位。若水泵处于垂直或倾斜状态，则应当选择可获得极限振动数据的位置作为测量点位。在特殊情况下，还可以针对轴向振动进行同步测量。

3 变频凝结水泵振动改善方法研究

变频凝结式水泵产生振动的原因通常较为复杂，本次案例中引发振动现象的条件主要为气蚀余量与叶轮级数[3]。因此，将额外加固需要消耗的资源纳入考虑范围后，本次案例决定通过定位故障问题的方式更换相关异常配件，同时将单级叶轮更改为多级叶轮，以达到排除振动现象的最终目标。以下将1#与2#两台凝结水泵作为分析案例。

3.1 1#凝结水泵装置

气蚀现象主要指泵内液体在固定温度条件下，压力状态降低至气化压力时，产生的气泡逐渐流动至高压位置，在压力影响下缩小体积并破灭，从而导致液体质点高速冲击空穴部件，并引发水击作用使水泵装置出现振动问题。通过分析1#凝结水泵的振动问题，可以明确其主要原因与气蚀现象有关。因此，可采取改进吸入口叶轮结构设计、应用前置型诱导轮、更换对应部件以及采用防气蚀材料等措施确保凝结水泵的正常运行。此外，通过进一步降低水量的方式可有效降低产生气蚀的概率和振动级别，此时可增加测振探头以及时明确产生振动问题原因，防范问题扩大。改善操作前与完成操作后，1#凝结水泵振动详细数据如表1所示。

表1 1#凝结水泵前后振动情况对比

3.2 2#凝结水泵装置

通过对2#凝结水泵的振动问题进行测量与分析发现，该问题的产生主要与单级叶轮有关。相对于多级叶轮结构而言，单级叶轮虽然成本较低，但在长时间运行后会出现老化现象，最终引发振动问题。因此，针对本次2#凝结水泵存在的振动现象，采用将内部的单级叶轮更换为多级叶轮的方式进行处理。多级叶轮从结构角度而言，比单级叶轮更稳定，能有效降低出现振动问题的频率。除此之外，若条件允许应当重视选型的科学性，结合实际情况合理筛选水泵，从源头降低振动问题。排除故障效果如表2所示。

表2 2#凝结水泵前后振动情况对比

3.3 处理需要注意的细节

本次振动处理案例能够为其他相似变频装置的振动处理提供重要参考信息。由于受实际条件与环境的限制，无法采用配重与动平衡处理的方式解决振动问题，因此本次案例主要通过更换相关配件的方式，解决因气蚀现象和单级叶轮稳定性而引发的故障的问题[4]。在处理过程中，需确保振动位置与数据的精确性，避免振动检测产生偏差，从而为后续进一步应用操作方案提供重要数据支持。此外，在处理阶段除更换配件的方式外，还需要对水泵的选型进行科学分析，明确其与环境条件的适应性，尽可能提高整体故障排除效果，为水泵后续正常应用打下坚实基础[5]。