馬運(yùn)翔,彭 輝,吳建標(biāo),曹 揚(yáng),殷 翔

(江蘇方天電力技術(shù)有限公司，南京 211102)

0 前 言

抽水蓄能水輪發(fā)電機(jī)推力軸承的運(yùn)行可靠性是水輪發(fā)電機(jī)組能否安全運(yùn)行的關(guān)鍵之一，大型水輪發(fā)電機(jī)推力軸承潤(rùn)滑油冷卻方式原則上分內(nèi)、外循環(huán)2種。經(jīng)驗(yàn)表明，外加泵外循環(huán)系統(tǒng)比內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)散熱效果好，可靠性大[1-2]。推力潤(rùn)滑系統(tǒng)是水輪發(fā)電機(jī)組安全運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)，它主要是為機(jī)組下導(dǎo)瓦及推力瓦提供潤(rùn)滑油，對(duì)系統(tǒng)起到潤(rùn)滑保護(hù)作用。軸承潤(rùn)滑系統(tǒng)的故障會(huì)嚴(yán)重影響機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行[3-4]，往往會(huì)造成機(jī)組的事故停機(jī)，更甚者導(dǎo)致燒傷軸瓦和主軸，嚴(yán)重?fù)p害主機(jī)設(shè)備，造成企業(yè)的直接經(jīng)濟(jì)損失，主設(shè)備損壞導(dǎo)致機(jī)組非計(jì)劃停機(jī)造成不良的社會(huì)影響[5]。

國信溧陽抽水蓄能電站裝機(jī)6臺(tái)抽水蓄能機(jī)組，機(jī)組為哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司生產(chǎn)的立軸、單級(jí)混流水泵水輪機(jī)，機(jī)組型號(hào)為HLNA1094-LJ-474，水輪機(jī)工況額定出力為255 MW，水泵工況最大出力為269 MW[6]。機(jī)組推力外循環(huán)油泵是由瑞典IMO公司供應(yīng)的三螺桿泵，型號(hào)為L(zhǎng)PQ140N1IRYP，工作轉(zhuǎn)速1 495 r/min，最大差壓16 bar[7]。機(jī)組在調(diào)試期間推力外循環(huán)系統(tǒng)出現(xiàn)異常振動(dòng)故障，潤(rùn)滑油泵和管道振動(dòng)大，并伴有撞擊聲，噪聲超標(biāo)，油泵運(yùn)行過程中管道出口手動(dòng)閥手輪脫落，長(zhǎng)期運(yùn)行會(huì)造成油管斷裂，甚至機(jī)組斷油造成燒瓦，嚴(yán)重影響機(jī)組安全運(yùn)行。

1 振動(dòng)試驗(yàn)過程

2017年3月24日，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)油泵振動(dòng)、管道振動(dòng)和噪聲進(jìn)行測(cè)試試驗(yàn)?，F(xiàn)場(chǎng)在4號(hào)機(jī)組2號(hào)推力外循環(huán)油泵上布置傳感器進(jìn)行振動(dòng)測(cè)量試驗(yàn)。試驗(yàn)傳感器采用Bently公司的9200速度傳感器，分別在油泵軸向方向、水平方向和管道出口處布置3個(gè)測(cè)點(diǎn)，圖1給出了傳感器布置示意圖。現(xiàn)場(chǎng)在油泵和主機(jī)轉(zhuǎn)軸上貼反光條，安裝激光測(cè)速探頭測(cè)量轉(zhuǎn)速，配備Bently 408數(shù)據(jù)采集儀及分析軟件。

圖1 傳感器布置示意圖

2017年3月24日14：00，2號(hào)推力外循環(huán)油泵正常啟動(dòng)，機(jī)組處于停機(jī)熱備工況，油泵在額定轉(zhuǎn)速1 490 r/min下運(yùn)行穩(wěn)定，振動(dòng)較小。機(jī)組轉(zhuǎn)速由零升速至額定，油泵振動(dòng)、管道振動(dòng)不斷增大，并伴隨撞擊聲。機(jī)組升速到額定轉(zhuǎn)速300 r/min時(shí)軸向振動(dòng)4.8 mm/s、水平振動(dòng)7.4 mm/s、管道振動(dòng)25.3 mm/s、噪聲也由91.3 dB增大到103.6 dB。機(jī)組升速過程中各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)變化趨勢(shì)如圖2所示?？梢钥闯?，油泵振動(dòng)及管道振動(dòng)隨著機(jī)組轉(zhuǎn)速升高而增大，機(jī)組轉(zhuǎn)速超過120 r/min后油泵和管道振動(dòng)增大速度明顯增大。各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)數(shù)據(jù)如表1所示。

圖2 機(jī)組升速過程中各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)變化趨勢(shì)圖

機(jī)組停機(jī)后推力外循環(huán)油泵采用變頻啟動(dòng)，油泵設(shè)定初始轉(zhuǎn)速為800 r/min，油泵油流量為260 m3/h，滿足設(shè)計(jì)要求。分別在主機(jī)停機(jī)和機(jī)組運(yùn)行2個(gè)工況下以50 r/min為間隔逐漸提高油泵轉(zhuǎn)速至額定。2個(gè)工況下油泵變頻升速過程中各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)變化趨勢(shì)如圖3、4所示，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。可以看出機(jī)組停機(jī)狀態(tài)下，隨著油泵轉(zhuǎn)速的升高油泵振動(dòng)和管道振動(dòng)增大，但增大幅度很??；機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)下，隨著油泵轉(zhuǎn)速的升高油泵振動(dòng)和管道振動(dòng)大幅增大，并且管道振動(dòng)增大較大；管道振動(dòng)在轉(zhuǎn)速1 200 r/min存在一個(gè)峰值，圖5給出了油泵在1 200 r/min轉(zhuǎn)速下管道振動(dòng)頻譜圖，振動(dòng)幅值中1倍頻分量很小，以8倍頻分量為主。

圖3機(jī)組停機(jī)工況下油泵升速過程中各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)變化趨勢(shì)圖

圖4 機(jī)組運(yùn)行時(shí)油泵升速過程中各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)變化趨勢(shì)圖

圖5 油泵在轉(zhuǎn)速1 200 r/min下管道振動(dòng)頻譜圖

工況軸向振動(dòng)/(mm·s-1)水平振動(dòng)/(mm·s-1)管道振動(dòng)/(mm·s-1)噪聲/dB機(jī)組停機(jī)0.90.62.391.3機(jī)組運(yùn)行4.87.425.3103.6

表2 油泵以額定頻率運(yùn)行時(shí)振動(dòng)和噪聲數(shù)據(jù)表

機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)下，油泵水平振動(dòng)達(dá)7.4 mm/s，管道振動(dòng)達(dá)25.3 mm/s，圖6、7給出了機(jī)組運(yùn)行時(shí)油泵水平振動(dòng)頻譜圖和油泵出口管道振動(dòng)頻譜圖。由圖中可以看出，油泵在工頻運(yùn)行時(shí)振動(dòng)較大，管道振動(dòng)幅值遠(yuǎn)大于油泵振動(dòng)，管道振動(dòng)與油泵振動(dòng)頻譜分布一致，頻譜分析圖譜表明振動(dòng)成分中1倍頻分量較小，主要是以4X、8X和12X等倍頻分量為主，油泵和管道振動(dòng)主要是由于泵內(nèi)部流體力造成，且油泵出口管道剛度不足，振動(dòng)幅值放大。

圖6 機(jī)組運(yùn)行時(shí)油泵水平振動(dòng)頻譜圖

圖7 機(jī)組運(yùn)行時(shí)油泵出口管道振動(dòng)頻譜圖

2 振動(dòng)故障原因分析與處理

通過數(shù)據(jù)分析表明造成油泵振動(dòng)大故障的主要激振力是流體力，可能原因有汽蝕和系統(tǒng)進(jìn)入空氣。

當(dāng)液體在泵內(nèi)流動(dòng)時(shí)，若局部壓力低于一定值，則在液體內(nèi)的雜質(zhì)、微小固體顆?；蛞后w界面的縫隙中存在的氣核會(huì)迅速生長(zhǎng)為人眼可見的空泡。空泡隨液流到達(dá)高壓區(qū)后，受到周圍液體壓力的壓縮，并經(jīng)過反彈，直到最后完全潰滅，這一過程稱為汽蝕[8]。為了避免螺桿泵汽蝕現(xiàn)象的發(fā)生，泵的安裝應(yīng)在距離油箱液面一定高度范圍之內(nèi)，否則當(dāng)泵安裝過高時(shí)極易造成泵的汽蝕，并導(dǎo)致泵及管路系統(tǒng)的振動(dòng)和噪聲[8-10]。溧陽電站推力外循環(huán)油泵現(xiàn)場(chǎng)安裝設(shè)計(jì)留有足夠的汽蝕余量，因此由汽蝕原因造成的振動(dòng)故障可以排除。

潤(rùn)滑油系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)入空氣。機(jī)組運(yùn)行時(shí)，推力頭及鏡板在油中旋轉(zhuǎn)，攪起泡沫，導(dǎo)致油內(nèi)挾附的氣體較多，油泵運(yùn)行時(shí)，油泵吸油腔內(nèi)產(chǎn)生一定負(fù)壓。隨著壓力的降低，油中的空氣被釋放并作為微氣泡出現(xiàn)，當(dāng)油流通過運(yùn)行中的螺桿泵的螺桿嚙合區(qū)進(jìn)入油泵壓油腔時(shí)，這些微氣泡突然暴露于較高的壓力中，受到周圍液體的壓縮，其中一些迅速潰滅，此時(shí)，產(chǎn)生極大的壓強(qiáng)。當(dāng)這個(gè)過程發(fā)生在固體邊界附近時(shí)，邊界面就受到強(qiáng)烈的沖擊作用，產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲[11-12]。

公式[13-14]：

A=F/K

式中：A為振動(dòng)幅值；F為激振力；K為剛度。

由以上公式可知，在相同作用力下振動(dòng)幅值與剛度成反比，與激振力的大小成正比。在相同工況下，機(jī)組油泵管道振動(dòng)與油泵振動(dòng)頻譜一致，油泵管道振動(dòng)遠(yuǎn)大于油泵本身振動(dòng)是由于管道剛度不足，可以通過增大剛度和減小激振力方法減小管道振動(dòng)[15]。油泵在800 r/min轉(zhuǎn)速下變頻運(yùn)行，降低了激振力，油泵和管道振動(dòng)降低，保證了油泵的安全運(yùn)行。油泵在800 r/min轉(zhuǎn)速下油泵油流量為260 m3/h，能夠滿足機(jī)組運(yùn)行設(shè)計(jì)要求，為了保證機(jī)組安全，機(jī)組正常運(yùn)行狀態(tài)下推力外循環(huán)油泵運(yùn)行轉(zhuǎn)速設(shè)置為900 r/min。表3給出了機(jī)組推力外循環(huán)油泵改造前后下導(dǎo)瓦和推力瓦瓦溫穩(wěn)定試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，由表3可以看出油泵變頻改造前后機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)下導(dǎo)瓦和推力瓦瓦溫穩(wěn)定值基本不變，油泵變頻能保證機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。

表3給出了機(jī)組推力外循環(huán)油泵改造前后下導(dǎo)瓦和推力瓦瓦溫穩(wěn)定試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，由表3可以看出機(jī)組變頻運(yùn)行工況下下導(dǎo)瓦和推力瓦瓦溫穩(wěn)定后基本不變，油泵變頻能保證機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。

表3 機(jī)組瓦溫?cái)?shù)據(jù)表

機(jī)組推力外循環(huán)油泵進(jìn)行變頻改造后不僅解決了油泵及管道振動(dòng)大、噪聲大的問題，油泵在變頻運(yùn)行下能耗大大降低，油泵功率由原來的120 kW降低至35 kW。

每臺(tái)機(jī)組按年運(yùn)行 6 000 h計(jì)算，年總節(jié)電數(shù)為:

(120-35)×6000= 510 000 kWh

按0.36元/kWh 計(jì)算，年總效益折合人民幣: 510 000×0.36=18.36 萬元

節(jié)能收益明顯 。

3 結(jié) 語

溧陽抽水蓄能電站推力外循環(huán)油泵及管道振動(dòng)大、噪聲大根本原因是機(jī)組運(yùn)行過程中潤(rùn)滑油使油系統(tǒng)帶入空氣，油泵出口管道支撐剛度不足是油泵管道振動(dòng)大的又一個(gè)主要原因。

對(duì)推力外循環(huán)油泵進(jìn)行變頻改造，減少了氣體吸入量并降低油泵出口壓力，降低了激振力，有效降低了油泵及管道振動(dòng)。

改造后提高了推力外循環(huán)油泵系統(tǒng)的可靠性，保障了機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)降低了油泵能耗，提高了經(jīng)濟(jì)效益。