文/馬忠南 叢述廣 肖永國(guó) 孔曉明

熱網(wǎng)循環(huán)泵振動(dòng)高的原因分析及解決方案——針對(duì)某熱電廠多臺(tái)熱網(wǎng)循環(huán)泵在并聯(lián)運(yùn)行期間，其中一臺(tái)工頻泵振動(dòng)異常的問(wèn)題，利用離線振動(dòng)數(shù)據(jù)采集設(shè)備，通過(guò)調(diào)節(jié)出口門在不同開度的方式下，并結(jié)合循環(huán)水流量、循環(huán)水泵出入口壓力等運(yùn)行參數(shù)，進(jìn)行水泵振動(dòng)測(cè)量、分析和解決的過(guò)程。通過(guò)振動(dòng)數(shù)據(jù)采集、水泵性能工況分析、軸功率分析和出口門節(jié)流分析等手段，發(fā)現(xiàn)熱網(wǎng)循環(huán)泵振動(dòng)異常的原因是葉片通過(guò)頻率高導(dǎo)致的，并且確定了引起葉片通過(guò)頻率高的原因是工頻控制方式的熱網(wǎng)循環(huán)泵實(shí)際揚(yáng)程偏低，而流量大幅超過(guò)額定流量。最終結(jié)果表明，此方法能夠有效地進(jìn)行振動(dòng)分析并確定熱網(wǎng)循環(huán)泵振動(dòng)高的原因，繼而采取有針對(duì)性的手段解決此問(wèn)題，具有很好的實(shí)用價(jià)值。

在火力發(fā)電廠離心泵運(yùn)行過(guò)程中，由于水泵實(shí)際運(yùn)行揚(yáng)程和流量偏離性能工況點(diǎn)，或者葉輪安裝間隙超差、軸承潤(rùn)滑不良等各種因素，都會(huì)導(dǎo)致離心泵異常振動(dòng)情況的發(fā)生。本文主要討論的是某燃煤熱電廠，在多臺(tái)熱網(wǎng)循環(huán)泵并聯(lián)運(yùn)行的過(guò)程中，其中一臺(tái)工頻泵，由于實(shí)際運(yùn)行揚(yáng)程偏低，而流量大幅超過(guò)額定流量，引起離心泵葉片通過(guò)頻率異常、振動(dòng)值超標(biāo)的問(wèn)題。通過(guò)利用離線振動(dòng)數(shù)據(jù)采集設(shè)備，合理限制泵出口門在不同開度的方式下，分析水泵振動(dòng)頻譜圖、波形解調(diào)圖和水泵軸功率等數(shù)據(jù)，進(jìn)行水泵振動(dòng)原因鎖定和故障消除。旨在通過(guò)分享此分析過(guò)程及處理方法，對(duì)同類型設(shè)備故障診斷提供一定的借鑒參考。

系統(tǒng)概述及設(shè)備簡(jiǎn)介

熱網(wǎng)系統(tǒng)概述

某新建電廠分一、二期建設(shè)，一期建設(shè)2×50 MW背壓機(jī)組，二期建設(shè)2×350 MW抽凝機(jī)組，配套建設(shè)熱網(wǎng)首站。本熱網(wǎng)首站分兩期建設(shè)，一期配置2臺(tái)熱網(wǎng)循環(huán)泵和2臺(tái)熱網(wǎng)加熱器，熱網(wǎng)循環(huán)泵電動(dòng)機(jī)為變頻控制方式，并且預(yù)留出二期2臺(tái)熱網(wǎng)循環(huán)泵和2臺(tái)熱網(wǎng)加熱器的安裝位置。4臺(tái)熱網(wǎng)循環(huán)泵及4臺(tái)熱網(wǎng)加熱器的系統(tǒng)采用母管制布置方式，即熱網(wǎng)循環(huán)泵入口連接熱網(wǎng)循環(huán)水回水母管，熱網(wǎng)循環(huán)泵出口連接熱網(wǎng)加熱器供水母管，熱網(wǎng)加熱器出口連接熱網(wǎng)循環(huán)水供水母管。4臺(tái)熱網(wǎng)加熱器布置在首站6 m層，4臺(tái)熱網(wǎng)循環(huán)泵布置在首站0 m層。

本采暖供熱聯(lián)網(wǎng)工程管網(wǎng)供水溫度設(shè)計(jì)為120℃，其汽化壓力為10 m H2O，并留有3～5 m H2O的富裕壓力。若將熱電廠處的相對(duì)標(biāo)高定為0 m，計(jì)算出熱水管網(wǎng)最不利環(huán)路的最高點(diǎn)相對(duì)標(biāo)高為55 m。因此，為保證在循環(huán)水泵停止工作時(shí)管網(wǎng)最高點(diǎn)的水不會(huì)汽化，并有5 m H2O的富裕壓頭，靜壓線應(yīng)大于10+55+5=70 m，取靜壓線為70 m。另外，為保證整個(gè)管網(wǎng)運(yùn)行回水壓力不小于30 m H2O，并且考慮外網(wǎng)流量等波動(dòng)情況，因此，外網(wǎng)起供壓力設(shè)置為1.18 MPa。

熱網(wǎng)循環(huán)泵設(shè)備簡(jiǎn)介

一、二期熱網(wǎng)循環(huán)泵采用的水泵型式均為：臥式水平中開雙吸單級(jí)離心泵，型號(hào)：SM400-720，額 定 流 量：3 545 t/h，最 大 流 量：3 900 t/h，額 定揚(yáng)程：130 m H2O，額定軸功率：1 396.7 kW。但是，一期熱網(wǎng)循環(huán)泵電動(dòng)機(jī)為變頻控制方式，電動(dòng)機(jī)型號(hào)：YSPKK560-4，額定功率：1 600 kW，額定電壓：6 000 V，額定電流：182.6 A，恒轉(zhuǎn)矩頻率范圍：20～50Hz。二期熱網(wǎng)循環(huán)泵電動(dòng)機(jī)為工頻控制方式，電動(dòng)機(jī)型號(hào)：YSBPKK500-4，額定功率：1 600 kW，額定電壓：6 000 V，額定電流：173.9 A。

振動(dòng)分析診斷

振動(dòng)問(wèn)題初步分析

2022年3月20日，在每月定期狀態(tài)監(jiān)測(cè)的過(guò)程中，對(duì)C熱網(wǎng)循環(huán)泵進(jìn)行振動(dòng)監(jiān)測(cè)。測(cè)量的通頻值見表1。

通過(guò)表1可以看出，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)端垂直、水平方向兩處測(cè)點(diǎn)通頻值均超過(guò)警告值2.8 mm/s，泵驅(qū)動(dòng)端、非驅(qū)動(dòng)端水平方向兩處測(cè)點(diǎn)通頻值均超過(guò)警告值4.5 mm/s，電動(dòng)機(jī)非驅(qū)動(dòng)端水平方向通頻值超過(guò)危急值4.5 mm/s，泵驅(qū)動(dòng)端垂直、軸向和泵非驅(qū)動(dòng)端垂直方向等多處測(cè)點(diǎn)通頻值均超過(guò)危急值7.1 mm/s。

表1 C熱網(wǎng)循環(huán)泵通頻值

結(jié)合頻譜圖分析，水泵驅(qū)動(dòng)端和自由端的1X葉輪通過(guò)頻率和2X葉輪通過(guò)頻率均存在較大峰值，最大值為5.935 mm/s，如圖1所示。結(jié)合波形解調(diào)圖進(jìn)一步分析，發(fā)現(xiàn)水泵驅(qū)動(dòng)端和自由端的水平?jīng)_擊值在20～40g的峰值比較密集，如圖2所示。并且，泵體發(fā)出砂石通過(guò)泵的聲音，此時(shí)熱網(wǎng)循環(huán)泵的運(yùn)行狀況已經(jīng)非常不好，懷疑泵存在嚴(yán)重汽蝕現(xiàn)象。

圖1 頻譜圖

圖2 波形解調(diào)圖

查看當(dāng)時(shí)C熱網(wǎng)循環(huán)泵入口壓力為0.65 MPa，入口壓力滿足所需汽蝕余量5.8 m 的要求，因此可以排除入口壓力不足導(dǎo)致的汽蝕。由于A、B熱網(wǎng)循環(huán)泵都是變頻泵，當(dāng)時(shí)運(yùn)行頻率 均 為36.5 Hz，C熱網(wǎng)循環(huán)泵為工頻泵，所以懷疑是3臺(tái)泵之間流量匹配存在問(wèn)題，導(dǎo)致C熱網(wǎng)循環(huán)泵超流量運(yùn)行引起的汽蝕現(xiàn)象。但是，此時(shí)C熱網(wǎng)循環(huán)泵出口未設(shè)置流量變送器，無(wú)法判斷具體流量，并且當(dāng)時(shí)處于供熱季，D熱網(wǎng)循環(huán)泵故障，暫無(wú)備用泵，因而無(wú)法停運(yùn)判斷。所以計(jì)劃在4月5日采暖季結(jié)束之后進(jìn)行試驗(yàn)，在此期間密切監(jiān)視熱網(wǎng)循環(huán)泵的振動(dòng)及軸承溫度等參數(shù)。

水泵性能工況分析

在2022年4月5日8時(shí)18分機(jī)組停機(jī)后，熱網(wǎng)加熱器汽側(cè)停運(yùn)，保留水側(cè)運(yùn)行。當(dāng)時(shí)A、B熱網(wǎng)循環(huán)泵頻率都是36 Hz，C熱網(wǎng)循環(huán)泵電流175 A，循環(huán)水流量10 628 t/h，泵入口母管壓力0.65 MPa，A、B、C熱網(wǎng)循環(huán)泵出口壓力均為1.15 MPa。

于8時(shí)55分，將B熱網(wǎng)循環(huán)泵停運(yùn)，A熱網(wǎng)循環(huán)泵運(yùn)行頻率為35.3 Hz，C熱網(wǎng)循環(huán)泵電流為176 A。循環(huán)水流量穩(wěn)定后為8 748 t/h，泵入口母管壓力0.65 MPa，A、C熱網(wǎng)循環(huán)泵出口壓力均為1.05MPa。根據(jù)B熱網(wǎng)循環(huán)泵停運(yùn)后的流量變化，從理論上可以推斷出，B熱網(wǎng)循環(huán)泵頻率為36Hz時(shí)，在并聯(lián)運(yùn)行過(guò)程中，輸出流量為1 880 t/h。以此類推，A熱網(wǎng)循環(huán)泵頻率為36 Hz時(shí)，在并聯(lián)運(yùn)行過(guò)程中，輸出流量也約為1 880 t/h。C熱網(wǎng)循環(huán)泵電流為175 A時(shí)，在并聯(lián)運(yùn)行過(guò)程中，輸出流量約為6 868 t/h。但是，考慮到在3臺(tái)泵并聯(lián)運(yùn)行過(guò)程中，泵出口流量之間的互相干擾，各泵出口流量會(huì)達(dá)到一個(gè)相對(duì)平衡狀態(tài)，所以C熱網(wǎng)循環(huán)泵實(shí)際輸出流量肯定要低于理論值6 868 t/h，而A、B熱網(wǎng)循環(huán)泵實(shí)際輸出流量肯定要高于理論值1 880 t/h。

9時(shí)20分，將C熱網(wǎng)循環(huán)泵停運(yùn)，A熱網(wǎng)循環(huán)泵運(yùn)行頻率保持35.3 Hz不變，循環(huán)水流量穩(wěn)定后為4 192 t/h，泵入口母管壓力0.65 MPa，A熱網(wǎng)循環(huán)泵出口壓力為0.95 MPa。根據(jù)停運(yùn)C熱網(wǎng)循環(huán)泵后的流量變化，可以證明上述推斷的正確性。因?yàn)?，在A、C熱網(wǎng)循環(huán)泵并聯(lián)運(yùn)行的過(guò)程中，雖然總流量為8 748 t/h，但是，工頻泵C熱網(wǎng)循環(huán)泵輸出流量肯定會(huì)高于頻率為35.3 Hz時(shí)的 A熱網(wǎng)循環(huán)泵輸出流量，不過(guò)在A熱網(wǎng)循環(huán)泵單獨(dú)運(yùn)行時(shí)，不存在相互干擾的情況，所以A熱網(wǎng)循環(huán)泵出口流量會(huì)比并聯(lián)過(guò)程中有所提高。

9時(shí)21分，將A熱網(wǎng)循環(huán)泵停運(yùn)，泵入口母管壓力穩(wěn)定后為0.7 MPa。泵出口母管壓力穩(wěn)定后為0.7 MPa。此時(shí)0.7 MPa即為供熱內(nèi)外網(wǎng)高度差產(chǎn)生的靜壓。

9時(shí)32分單獨(dú)起動(dòng)C熱網(wǎng)循環(huán)泵，電動(dòng)機(jī)電流為175 A，循環(huán)水流量穩(wěn)定后為6 563 t/h，泵入口母管壓力0.65 MPa，出口壓力1.2 MPa，此時(shí)C熱網(wǎng)循環(huán)泵實(shí)際運(yùn)行揚(yáng)程為55 m，而額定揚(yáng)程為130 m?？梢钥闯?，實(shí)際運(yùn)行揚(yáng)程55 m遠(yuǎn)低于額定揚(yáng)程130 m。

根據(jù)圖3水泵的性能曲線可知，隨著流量的增加，揚(yáng)程成反比不斷下降，軸功率成正比不斷增加，汽蝕余量成正比不斷增加。在水泵出口壓力穩(wěn)定在1.2 MPa時(shí)，即水泵揚(yáng)程為55 m時(shí)，流量穩(wěn)定在6 563 t/h，約是額定流量的2倍?？梢耘袛喑?，在C熱網(wǎng)循環(huán)泵運(yùn)行過(guò)程中，泵的實(shí)際揚(yáng)程仍有75 m的余量，進(jìn)而造成泵運(yùn)行的過(guò)程中，水泵平衡點(diǎn)向大流量移動(dòng)，造成流量不斷增大，最后超過(guò)額定流量值，而軸功率也隨之不斷增加。但是，在流量為6 563 t/h的工況下，水泵性能曲線未得到體現(xiàn)，如果繼續(xù)運(yùn)行，在水泵實(shí)際流量過(guò)高的超過(guò)額定流量情況下，極有可能會(huì)導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)過(guò)載甚至燒毀。為設(shè)備安全起見，暫停試驗(yàn)，先行計(jì)算出此工況下的軸功率。

圖3 水泵性能曲線

軸功率分析

軸功率是指在一定流量和揚(yáng)程下，原動(dòng)機(jī)單位時(shí)間內(nèi)給予泵軸的功。軸功率是多用在泵上的一個(gè)專業(yè)術(shù)語(yǔ)，即軸將動(dòng)力（電動(dòng)機(jī)功率）傳給做功部件（葉輪）的功率。功率值小于電動(dòng)機(jī)額定功率。

泵的軸功率計(jì)算公式是：N=Q×H×r/（367×η）。其中N是軸功率，單位是kW；Q是流量，單位是m3/h；H是實(shí)際揚(yáng)程，單位是m；r是介質(zhì)密度，單位是t/m3；367是常數(shù)，是一個(gè)固定值；η是水泵的效率（0.6～0.85），一般大流量時(shí)取0.85。

根據(jù)公式計(jì)算出C熱網(wǎng)循環(huán)泵流量在6563t/h時(shí)，軸功率 為：N=Q×H×r/（367×η）=6563×55×1/（367×0.85）=1 157 kW，小于水泵額定軸功率1 396.7 kW，更遠(yuǎn)小于配套電動(dòng)機(jī)功率1 600 kW，所以未造成電動(dòng)機(jī)過(guò)載保護(hù)動(dòng)作。

節(jié)流分析及振動(dòng)診斷

由于C熱網(wǎng)循環(huán)泵為工頻控制方式，無(wú)法通過(guò)控制轉(zhuǎn)速進(jìn)行流量的調(diào)節(jié)。因此，選擇通過(guò)控制出口門開度，調(diào)節(jié)流量，進(jìn)而尋找到最佳的工況平衡點(diǎn)。

C熱網(wǎng)循環(huán)泵作為一種離心泵，采用關(guān)門起動(dòng)方式，設(shè)置的起動(dòng)邏輯為啟泵連鎖開出口門，所以，在出口門開度達(dá)到20%開度時(shí)，將出口電動(dòng)門切換至就地，中停出口門，此時(shí)觀察循環(huán)水量為3 050 t/h，低于額定流量，因此繼續(xù)開出口門至26%，此時(shí)循環(huán)水量為4 000 t/h，在準(zhǔn)備進(jìn)行振動(dòng)數(shù)據(jù)采集時(shí)，發(fā)現(xiàn)循環(huán)水流量存在波動(dòng)現(xiàn)象，并且持續(xù)增加到4 600 t/h?？紤]外網(wǎng)循環(huán)水量比較大，所以需要時(shí)間穩(wěn)定。在穩(wěn)定后，進(jìn)行第一次振動(dòng)監(jiān)測(cè)。具體通頻值見表2。

表2 C熱網(wǎng)循環(huán)泵通頻值

根據(jù)表2可發(fā)現(xiàn)，各測(cè)點(diǎn)的通頻值均降到警告值以下的水平，可以斷定分析的方向?qū)α耍^(guò)高的運(yùn)行流量雖然沒(méi)有造成電動(dòng)機(jī)過(guò)載，但是對(duì)水泵葉輪通過(guò)頻率造成了嚴(yán)重的影響。進(jìn)一步結(jié)合頻譜圖、波形解調(diào)圖分析來(lái)看，水泵驅(qū)動(dòng)端和自由端的1X葉輪通過(guò)頻率和2X葉輪通過(guò)頻率雖然仍存在峰值，但是幅值已大幅減小，最大值僅為1.799 mm/s，并且水泵驅(qū)動(dòng)端和自由端的水平?jīng)_擊值峰值均降低到30g以下，泵體也只有輕微的細(xì)沙流動(dòng)聲音，泵汽蝕現(xiàn)象明顯減小。因此，在流量減小后，水泵葉輪的通過(guò)頻率峰值隨之降低，進(jìn)而水泵的振動(dòng)值也大幅下降。隨后，繼續(xù)關(guān)小出口門的開度至16%，此時(shí)循環(huán)水量穩(wěn)定在3 900 t/h，進(jìn)行第二次振動(dòng)監(jiān)測(cè)。此時(shí)具體通頻值見表3。

根據(jù)表3與表2對(duì)比可發(fā)現(xiàn)，各測(cè)點(diǎn)的通頻值均再次下降。結(jié)合頻譜圖、波形解調(diào)圖進(jìn)一步分析來(lái)看，水泵驅(qū)動(dòng)端和自由端的1X葉輪通過(guò)頻率和2X葉輪通過(guò)頻率峰值均得到了再一次減小，最大值僅為1.084 mm/s，如圖4、圖5所示。水泵驅(qū)動(dòng)端和自由端的水平?jīng)_擊值峰值基本控制在12g以下，只有較少的峰值波動(dòng)，并且泵體異音消失，汽蝕現(xiàn)象已消除，水泵運(yùn)行狀態(tài)已經(jīng)達(dá)到優(yōu)良水平。

表3 關(guān)小出口門的開度C熱網(wǎng)循環(huán)泵通頻值

圖4 頻譜圖

圖5 波形解調(diào)圖

改進(jìn)措施建議

根據(jù)上文的分析診斷，可以看出，針對(duì)C熱網(wǎng)循環(huán)泵葉片通過(guò)頻率高、振動(dòng)值大的問(wèn)題，解決的關(guān)鍵在于將泵出口流量和揚(yáng)程控制在合適的工況點(diǎn)。在綜合考慮改進(jìn)成本、可操作性、可靠性及難易程度后，對(duì)二期兩臺(tái)熱網(wǎng)循環(huán)泵提出以下幾種改進(jìn)措施。

1.節(jié)流控制。分別在C、D熱網(wǎng)循環(huán)泵出口管道上，增加流量計(jì)，根據(jù)流量計(jì)和出口壓力表的參數(shù)，合理調(diào)整泵出口門的開度，以控制泵出口流量和揚(yáng)程，將水泵控制在最佳性能工況點(diǎn)運(yùn)行。

2.增加變頻器。將C、D熱網(wǎng)循環(huán)泵電動(dòng)機(jī)增加變頻器，將工頻控制方式改為變頻控制方式，可以通過(guò)改變頻率調(diào)整轉(zhuǎn)速，進(jìn)而控制揚(yáng)程和流量，使熱網(wǎng)循環(huán)泵在合適的工況點(diǎn)運(yùn)行。

3.將電動(dòng)機(jī)改為小汽輪機(jī)。利用輔汽汽源，將熱網(wǎng)循環(huán)泵電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)方式改為小汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)方式?？梢酝ㄟ^(guò)改變小汽輪機(jī)的進(jìn)汽量，調(diào)整熱網(wǎng)循環(huán)泵的運(yùn)行轉(zhuǎn)速，進(jìn)而控制揚(yáng)程和流量，使熱網(wǎng)循環(huán)泵在合適的工況點(diǎn)運(yùn)行。

4.車削葉輪。結(jié)合泵的性能曲線，通過(guò)采取車葉輪的方法，降低泵的揚(yáng)程，減小余量，改變泵的額定流量，降低泵的振動(dòng)。

結(jié)論

本文對(duì)熱網(wǎng)循環(huán)泵振動(dòng)問(wèn)題進(jìn)行了分析和診斷，通過(guò)利用離線振動(dòng)數(shù)據(jù)采集分析、性能工況分析、軸功率分析和節(jié)流分析等方法，發(fā)現(xiàn)引起水泵振動(dòng)異常的根源為葉片通過(guò)頻率高，并確定了引起葉片通過(guò)頻率高的原因是工頻控制方式的熱網(wǎng)循環(huán)泵實(shí)際揚(yáng)程偏低，而流量大幅超過(guò)額定流量，導(dǎo)致水泵實(shí)際運(yùn)行工況偏離了性能曲線的工況點(diǎn)。并通過(guò)限制出口門開度的方法，調(diào)整泵出口流量和揚(yáng)程，徹底消除了振動(dòng)高的問(wèn)題。并且，通過(guò)提出幾種改進(jìn)措施，為消除故障提供更多的選擇。本分析診斷過(guò)程，可以為同類設(shè)備的振動(dòng)診斷提供可靠性參考。