600 MW机组凝泵变频改造后振动模态治理研究

王 婷，刘明军，吴志强

(1.上海交通大学，上海 200240;2.浙江浙能北仑发电有限公司，浙江 宁波 315800;3.国电浙江北仑第一发电有限公司，浙江 宁波 315800)

随着变频技术的成熟，许多火电机组在技术改造中，将凝泵由原来的定速运行泵，改造为变频无级调节运行泵，这样可以降低泵的用电量，减少运行中的节流损失，实现节能的目的[1]。例如某公司通过采用1台变频器控制一用一备的2台水泵变频技术，不仅节约50%以上的投资，还具有控制回路简单、安全可靠性高、运行维护方便的优点[2]。华能威海电厂采用变频技术获得了非常可观的经济效益，负荷率越低，取得的经济效益越高[3]。变频改造中应注意的问题:(1)设备选型问题;(2)旁路设计问题;(3)变频器散热问题;(4)定期工作问题[4]。

某电厂3号机凝结水泵3A于2008年进行了变频改造，在改造后的变频调试中，振动随其转速有所变化，振动明显增加区域是850～900 r/min。考虑到这个转速区间是凝泵变频运行的最常用的转速范围，在这种情况下长期运行，会给凝泵带来很大的危险，因此要解决在该转速范围内振动值过大的问题。引起水泵振动的原因一般可分为:(1)机械原因引起的振动[5]，一般为量不平衡和安装质量不平衡[6];(2)水力原因引起的振动[7];(3)电磁力引起的振动[8]。该发电厂立式多级凝结水泵组振动问题通过现场实地测量，分析得出引起凝结水泵振动的具体原因:(1)二次灌浆存在缺陷;(2)泵支撑法兰台板刚度欠佳[9]。

1 振动分析

该电厂变频改造后振动测试发现北南向振动明显增大，最高的位移振动峰峰值达到204 μm，转速在900 r/min，实测数据如表1所示。

表1 2008年变频改造后调试振动数据 (单位:μm)

由于转速750～900 r/min是变频运行的主要区域，无法避开，因此850～900 r/min之间的过大振动会给凝泵带来很大的危害，必须解决。针对凝泵3A存在振动问题，2010年检修时对其进行了解体检修，发现下橡胶轴承磨损严重，其余部件情况良好，在更换该轴承后装复，但调试情况仍然不是很理想，在转速880 r/min时振动位移峰值达到252 μm，具体数据如表2所示。

从表2的振动测试数据可以看出，该泵存在共振现象;泵转动部件振动幅值不大，可安全运行;从电机驱动端筒体振动数据看，存在两个共振峰，第一共振峰转速低于780 r/min，而第二共振峰转速为880 r/min，在其余转速范围内，泵体振动趋于正常值且稳定。

针对凝结水泵3A的振动问题，现场经过检修，基本排除了由泵体本身引起的振动因素，但是转子－轴承－基础系统共振现象仍然存在，因此为了避免变频器的工作频率进入凝泵固有频率区域引起共振现象，拟采用改变筒体固有频率来强化基座筒体刚度的方法以提高筒体的固有频率而避开共振区[10]，以使泵在变频运行范围内能够避开基座筒体的固有频率，从而在工作转速下能正常运行。

表2 2010年凝泵3A大修后振动数据 (单位:μm)

2 模态计算分析

为了改变筒体本身固有频率以避开变频运行范围，电厂曾经增加四根竖筋，但没有任何变化，为了有的放矢的改造，使得改造效果更好，所以本次改造之前先进行理论建模计算分析，然后选取效果较好且便于实施的方案进行改造。

模态分析采用ANSYS软件对基座桶体进行建模，然后对基座筒体避开变频运行区域内共振的加固措施进行方案筛选，以指导改造实施，减少改造的盲目性。模态分析属于动力学问题，描述其系统的运动通用方程可以由式(1)表示

式中M——系统的质量;

C——系统的阻尼;

K——系统的刚度矩阵;

Z——广义坐标;

F——系统上的广义外力。

在本系统分析中由于内部的阻尼很小，又不存在广义外力，因此C和F为零。

该凝结水泵属于立式泵，是悬挂在一个筒式支座上，水泵本体对泵的筒式支座刚度没有影响，但泵体的质量对筒体的自振频率是有影响的。因此在进行泵的筒体模态分析时，考虑了水泵的质量载荷对筒体的影响。凝泵支座筒体材质为钢，其物性参数为:密度 7 800 kg/m3，弹性模量2.11 ×1011Pa，泊松比为0.3;水泵的质量为32 200 kg(图纸提供);位移边界条件:支座底部位移约束为零，其余为自由边界。

通过对凝结水泵3A进行简化，得到的原始模型如图1所示。对该模型采用ANSYS软件的自由网格划分，该模型具有节点数目263 903个，网格显示如图2所示。

图1 原始模型

图2 原始模型网格图

通过对原始模型进行模态分析后得到，南北向和东西向的固有频率分别是14.8 Hz和14.31 Hz，如表3所示，对应的临界转速为 888 r/min和858 r/min，和南北向实测的临界速880基本一致，误差在1%以下，这说明所建的力学模型是正确的。

表3 原始模型一阶固有频率

3 凝泵治理改造过程

原始模型虽然增加了垂直的四条竖筋，但是筋板没有全部紧固在上法兰上，所以对于筒体的刚度影响很小(仅增加了一点质量)。为了增加筒体的固有频率，设计的思路是加强筒体垂直方向上的刚度，为此设计了19个方案，主要是分析筋板的厚度以及上法兰对筋板压紧的方法对模态的影响情况。

通过对不同方案的对比，发现支撑筒体的刚度下降是由筒体上的开孔所致，因此在对筒体加强时特别关注对筒体上所开的圆孔和方孔进行加固。在圆孔和方孔对应两边加竖筋，以增加垂直刚度，上法兰处加八只耳朵(上法兰连接加强筋板的突出体)压紧竖筋以达到加固的效果。最终选择的加固方式如图3的改造模型，该模型计算筒体固有频率北南向是 18.55 Hz，对应的北南向共振峰转速为1 113 r/min，应该能避开850 r/min到900 r/min的变频运行区域，因为这个转速区间是凝泵变频运行的最常用的转速范围。

电厂按照该方案进行了改造，改造后北南向的振动频率由原来的880 r/min提高到980 r/min，最高的位移振动峰峰值为167 μm。改造后的实测数据如表4所示。

表4 改造后凝泵3A变频试转情况(单位:μm)

由计算值和测量值的对比可以发现，改造所用的模型其理论计算值北南向的共振峰转速为1 113 r/min，但实测结果是980 r/min，为理论计算固有频率的88.1%;这说明计算结果与实际改造后效果有一定的差距，产生这种现象的主要原因是理论计算模型和实际改造之间存在一定的模型差异，因此实际凝泵支座筒体刚度增加量达不到理论计算值，导致实测的共振峰转速小于理论计算值，这一结论和类比数据为以后计算结果与实际效果预测提供了参考。

从本次测试数据和频谱分析结果可以发现:(1)筒体南北向有两个频谱线，第一频谱在转速770 r/min左右，结合以前的测试数据，可以确定这个是电机和泵的轴系临界转速，它不随筒体的固有频率的改变而改变;而主要的谱线为共振峰转速即筒体的固有频率转速980 r/min;(2)筒体在990 r/min(改造后筒体固有频率)下运行，其振动峰峰值最大值在170 μm左右，比改造前筒体固有频率880 r/min下的振动幅值下降了35%左右。这说明振动治理是有效果的;

通过加固措施，最终凝泵北南向的共振峰转速移到了980 r/min，在850 r/min到900 r/min的变频运行转速范围内振动明显下降，可长期安全运行。这样解决了凝泵3A在850 r/min到900 r/min转速下振动过大的问题，基本达到目的要求。

4 结论

本文采用ANSYS模态分析作为理论指导，通过加固的办法进行调频，充分提高筒体结构刚度，保证变频范围的振动尖峰不至于过大。通过结构方面的优化使凝泵能在变频转速范围内安全工作，以达到预期的目的。同时也避免了现场加工的盲目性，节省了大量的人力和物力。

由于该厂的泵和电机以及基础经过检修检查认为均合格，所以本文采取的是改变或避开共振区域的办法，但是寻找共振原因还是需要在以后的凝泵检修过程中予以关注。通过本文凝结水泵变频改造后多个转速下振动超标的治理，积累了经验，为变频改造后的机组振动处理提供切实可行的办法，可以为其它电厂的改造提供宝贵的借鉴。

[1]刘全.凝结水泵变频技术在600 MW火电机组上的实际应用[J].科技传播，2011(2):162－164.

[2]吴剑恒.单变频器控制一用一备水泵的策略分析及其应用[J].节能技术，2007，25(4):371 －374.

[3]刘军强，陈朝辉.变频技术在凝结水泵上的应用[J].节能技术，2006，24(2):185 －187.

[4]吕刚，严春豪.凝泵变频改造节能效果分析[J].江西电力，2007(5):44－47.

[5]程云章.冯金芝.基于虚拟样机技术的水泵机械振动研究[J].机械设计与制造，2009(4):114－116.

[6]刘宏战.凝结水泵轴承振动超标原因分析及处理[J].华北电力技术，2007 年增刊，(2):148－151.

[7]淮慧梅，朱晓辉.水泵振动原因及对策[J].机械工程与自动化，2004(1):59－61.

[8]钟伟权.立式凝结水泵组振动问题浅析[C].中国电机工程学会第十届青年学术会议，391－393.

[9]张黎明，方明，崔本题.立式多级凝结水泵组振动大问题解决[C].全国火电100 MW级机组技术协作会第四届年会论文集，98－100.

[10]侯钢剑，刘少恒，焦宝宏.电厂凝结水泵节能改造及振动问题治理[C].大机组供热改造与优化运行技术2010年会，98－103.