抽水蓄能机组推力外循环系统异常振动故障分析及处理

马运翔,彭 辉,吴建标,曹 扬,殷 翔

(江苏方天电力技术有限公司，南京 211102)

0 前 言

抽水蓄能水轮发电机推力轴承的运行可靠性是水轮发电机组能否安全运行的关键之一，大型水轮发电机推力轴承润滑油冷却方式原则上分内、外循环2种。经验表明，外加泵外循环系统比内循环系统散热效果好，可靠性大[1-2]。推力润滑系统是水轮发电机组安全运行的重要环节，它主要是为机组下导瓦及推力瓦提供润滑油，对系统起到润滑保护作用。轴承润滑系统的故障会严重影响机组的安全稳定运行[3-4]，往往会造成机组的事故停机，更甚者导致烧伤轴瓦和主轴，严重损害主机设备，造成企业的直接经济损失，主设备损坏导致机组非计划停机造成不良的社会影响[5]。

国信溧阳抽水蓄能电站装机6台抽水蓄能机组，机组为哈尔滨电机厂有限责任公司生产的立轴、单级混流水泵水轮机，机组型号为HLNA1094-LJ-474，水轮机工况额定出力为255 MW，水泵工况最大出力为269 MW[6]。机组推力外循环油泵是由瑞典IMO公司供应的三螺杆泵，型号为LPQ140N1IRYP，工作转速1 495 r/min，最大差压16 bar[7]。机组在调试期间推力外循环系统出现异常振动故障，润滑油泵和管道振动大，并伴有撞击声，噪声超标，油泵运行过程中管道出口手动阀手轮脱落，长期运行会造成油管断裂，甚至机组断油造成烧瓦，严重影响机组安全运行。

1 振动试验过程

2017年3月24日，现场对油泵振动、管道振动和噪声进行测试试验。现场在4号机组2号推力外循环油泵上布置传感器进行振动测量试验。试验传感器采用Bently公司的9200速度传感器，分别在油泵轴向方向、水平方向和管道出口处布置3个测点，图1给出了传感器布置示意图。现场在油泵和主机转轴上贴反光条，安装激光测速探头测量转速，配备Bently 408数据采集仪及分析软件。

图1 传感器布置示意图

2017年3月24日14：00，2号推力外循环油泵正常启动，机组处于停机热备工况，油泵在额定转速1 490 r/min下运行稳定，振动较小。机组转速由零升速至额定，油泵振动、管道振动不断增大，并伴随撞击声。机组升速到额定转速300 r/min时轴向振动4.8 mm/s、水平振动7.4 mm/s、管道振动25.3 mm/s、噪声也由91.3 dB增大到103.6 dB。机组升速过程中各测点振动变化趋势如图2所示。可以看出，油泵振动及管道振动随着机组转速升高而增大，机组转速超过120 r/min后油泵和管道振动增大速度明显增大。各测点振动数据如表1所示。

图2 机组升速过程中各测点振动变化趋势图

机组停机后推力外循环油泵采用变频启动，油泵设定初始转速为800 r/min，油泵油流量为260 m3/h，满足设计要求。分别在主机停机和机组运行2个工况下以50 r/min为间隔逐渐提高油泵转速至额定。2个工况下油泵变频升速过程中各测点振动变化趋势如图3、4所示，试验数据如表2所示。可以看出机组停机状态下，随着油泵转速的升高油泵振动和管道振动增大，但增大幅度很小；机组运行状态下，随着油泵转速的升高油泵振动和管道振动大幅增大，并且管道振动增大较大；管道振动在转速1 200 r/min存在一个峰值，图5给出了油泵在1 200 r/min转速下管道振动频谱图，振动幅值中1倍频分量很小，以8倍频分量为主。

图3机组停机工况下油泵升速过程中各测点振动变化趋势图

图4 机组运行时油泵升速过程中各测点振动变化趋势图

图5 油泵在转速1 200 r/min下管道振动频谱图

工况轴向振动/(mm·s-1)水平振动/(mm·s-1)管道振动/(mm·s-1)噪声/dB机组停机0.90.62.391.3机组运行4.87.425.3103.6

表2 油泵以额定频率运行时振动和噪声数据表

机组运行状态下，油泵水平振动达7.4 mm/s，管道振动达25.3 mm/s，图6、7给出了机组运行时油泵水平振动频谱图和油泵出口管道振动频谱图。由图中可以看出，油泵在工频运行时振动较大，管道振动幅值远大于油泵振动，管道振动与油泵振动频谱分布一致，频谱分析图谱表明振动成分中1倍频分量较小，主要是以4X、8X和12X等倍频分量为主，油泵和管道振动主要是由于泵内部流体力造成，且油泵出口管道刚度不足，振动幅值放大。

图6 机组运行时油泵水平振动频谱图

图7 机组运行时油泵出口管道振动频谱图

2 振动故障原因分析与处理

通过数据分析表明造成油泵振动大故障的主要激振力是流体力，可能原因有汽蚀和系统进入空气。

当液体在泵内流动时，若局部压力低于一定值，则在液体内的杂质、微小固体颗粒或液体界面的缝隙中存在的气核会迅速生长为人眼可见的空泡。空泡随液流到达高压区后，受到周围液体压力的压缩，并经过反弹，直到最后完全溃灭，这一过程称为汽蚀[8]。为了避免螺杆泵汽蚀现象的发生，泵的安装应在距离油箱液面一定高度范围之内，否则当泵安装过高时极易造成泵的汽蚀，并导致泵及管路系统的振动和噪声[8-10]。溧阳电站推力外循环油泵现场安装设计留有足够的汽蚀余量，因此由汽蚀原因造成的振动故障可以排除。

润滑油系统内进入空气。机组运行时，推力头及镜板在油中旋转，搅起泡沫，导致油内挟附的气体较多，油泵运行时，油泵吸油腔内产生一定负压。随着压力的降低，油中的空气被释放并作为微气泡出现，当油流通过运行中的螺杆泵的螺杆啮合区进入油泵压油腔时，这些微气泡突然暴露于较高的压力中，受到周围液体的压缩，其中一些迅速溃灭，此时，产生极大的压强。当这个过程发生在固体边界附近时，边界面就受到强烈的冲击作用，产生振动和噪声[11-12]。

公式[13-14]：

A=F/K

式中：A为振动幅值；F为激振力；K为刚度。

由以上公式可知，在相同作用力下振动幅值与刚度成反比，与激振力的大小成正比。在相同工况下，机组油泵管道振动与油泵振动频谱一致，油泵管道振动远大于油泵本身振动是由于管道刚度不足，可以通过增大刚度和减小激振力方法减小管道振动[15]。油泵在800 r/min转速下变频运行，降低了激振力，油泵和管道振动降低，保证了油泵的安全运行。油泵在800 r/min转速下油泵油流量为260 m3/h，能够满足机组运行设计要求，为了保证机组安全，机组正常运行状态下推力外循环油泵运行转速设置为900 r/min。表3给出了机组推力外循环油泵改造前后下导瓦和推力瓦瓦温稳定试验数据对比，由表3可以看出油泵变频改造前后机组正常运行时下导瓦和推力瓦瓦温稳定值基本不变，油泵变频能保证机组安全稳定运行。

表3给出了机组推力外循环油泵改造前后下导瓦和推力瓦瓦温稳定试验数据对比，由表3可以看出机组变频运行工况下下导瓦和推力瓦瓦温稳定后基本不变，油泵变频能保证机组安全稳定运行。

表3 机组瓦温数据表

机组推力外循环油泵进行变频改造后不仅解决了油泵及管道振动大、噪声大的问题，油泵在变频运行下能耗大大降低，油泵功率由原来的120 kW降低至35 kW。

每台机组按年运行 6 000 h计算，年总节电数为:

(120-35)×6000= 510 000 kWh

按0.36元/kWh 计算，年总效益折合人民币: 510 000×0.36=18.36 万元

节能收益明显 。

3 结 语

溧阳抽水蓄能电站推力外循环油泵及管道振动大、噪声大根本原因是机组运行过程中润滑油使油系统带入空气，油泵出口管道支撑刚度不足是油泵管道振动大的又一个主要原因。

对推力外循环油泵进行变频改造，减少了气体吸入量并降低油泵出口压力，降低了激振力，有效降低了油泵及管道振动。

改造后提高了推力外循环油泵系统的可靠性，保障了机组的安全稳定运行，同时降低了油泵能耗，提高了经济效益。