立式凝结水泵电动机变频时的振动问题与减振方法

郭玉杰，王晓东，高宇，叶海庭

(1.河南电力试验研究院，郑州 450052；2.大唐信阳发电有限责任公司，河南 信阳 464100)

近年来，随着变频调速技术的日益成熟，大多数电厂把凝结水泵变频改造作为一项重要的汽轮机专业节能技术措施。电厂凝结水泵的作用是将凝汽器中的凝结水输送到除氧器中。传统的凝结水泵是定速运行，属于节流调节方式，水泵工作转速在1 500 r/min左右，不随汽轮发电机组有功负荷、除氧器水位变化而变化。

凝结水泵变频调节主要是通过降低电动机的运行转速，从而降低能耗达到节能效果，是变频调速方式。其在运行中根据汽轮发电机组的有功负荷及除氧器水位要求而改变凝结水泵的运行转速。某型超临界660 MW汽轮发电机组配套的凝结水泵投产后变频运行中出现了比较严重的振动问题，表现在某一转速区域振动异常增大，类似汽轮发电机组柔性转子的临界转速，导致无法变频运行。

1 振动测试分析

电厂立式凝结水泵一般布置在汽轮机房零米以下，通过联轴器与布置在零米基础上部的电动机连接，如图1所示。依据国家标准的有关规定，对于垂直的机器，能得到最大的振动测量读数的位置应作为传感器放置的方向，因此凝结水泵振动测量位置应靠近电动机上部轴承附近[1]。径向振动测量方向需要互为垂直的两个方向。

图1 轴系简图

该型凝结水泵共4台，机组每天配备2台，一台运行另一台备用，即“一运一备”，2台凝结水泵共用1个变频调节器，变频调速方式与工频定速方式可以进行相互切换。试运行期间，4台凝结水泵变频运行中均出现了不同程度的振动问题，导致无法变频调速，只能工频定速运行。下面以其中的一台为例进行分析。

该型电动机的主要结构参数为：长、宽、高分别为2 448 mm×1 260 mm×2 369 mm，质量为9 150 kg，额定功率为2 300 kW，额定电压为6 000 V，额定电流为259 A。

该凝结水泵于2009年3月投产，工作转速为1 500 r/min。2009年9月24日，对该凝结水泵进行了振动测试，现场振动试验测量位置是电动机上部，测量方向是南北和东西方向，振动传感器为速度传感器。凝结水泵进、出水管道布置在南北方向，由于管道的支撑作用力影响，一般该方向振动值通常小于另一方向没有管道连接的振动值。

测试工况有启动升速、降速过程。运行方式采取变频调速升速，升速到最高转速1 500 r/min，手动打闸停机降速惰走。图2为南北和东西方向的波德图。

图2 启动升速、降速过程振动的波德图

根据以上振动测试，该凝结水泵电动机振动特点如下：

(1)东西、南北方向轴承处振动频率以基频为主，无明显低频、高频振动分量，振动性质为普通强迫振动；

(2)启动升速过程中，在1 100 r/min时东西方向有一个振动峰值，达到955 μm，对应凝结水泵电动机变频调速频率为32 Hz，在1 100～1 200 r/min，振动峰值前后相位变化约173°；

(3)启动升速过程中，在1 020 r/min时南北方向有一个振动峰值，达到788 μm，对应凝结水泵电动机变频调速频率是37.3 Hz，在900～1 100 r/min，最大振动峰值前后相位变化约151°；

(4)东西、南北方向的振动峰值前后区域基频振动幅值、相位具有急剧变化的特点，与汽轮发电机组柔性转子的动力学振动特性类似；

(5)最高转速1 500 r/min时，东西方向振动大于南北方向，东西方向振动值达到81 μm，两个方向相位差为61°；

(6)对比启动升速与降速过程中的振动数据，相同转速下振动变化不大，两条曲线基本重合。

2 振动故障诊断

该立式电动机振动无明显2倍频振动，降速过程是在切断电源后自然降速惰走下进行的，与启动升速过程对比，两条曲线基本上重合，说明电动机无热弯曲现象，因此不存在定子电磁激振、动静碰磨、气隙不均匀、电动机发热不均匀、转子绕组故障等电气方面的因素，也不存在转子冷却不均匀的故障[2]。

机械方面的因素主要有轴承失效、中心不正、质量不平衡及局部松动等。结合运行中轴承温度、声音和振动频谱，基本上可以排除轴承异常问题。

由图2可知，类似汽轮发电机组柔性转子动力学的振动特性，主要表现在东西、南北方向基频振动幅值和相位变化急剧，相位变化接近180°，分析振动原因是转子-轴承-外壳系统共振。结合振动相位变化，可以确定东西方向的共振转速为960 r/min，南北方向的共振转速为1 140 r/min。还可确定共振放大因子，东西方向约为11.6，南北方向约为9.6，通常认为这时系统阻尼处于边缘状态[3]。

从图2中还可以看出，电动机在变频工作区域中存在明显的振动峰值，而正常设计是不允许出现这种情况的，因此说明该型电动机的动刚度偏低。

机械因素造成的振动原因有：(1)转子激振力大，处理方法是动平衡；(2)支承刚度偏低，处理措施是增加支承刚度，比如常用的现场加固等。从工作转速下的振动值和经验上判断，认为该转子激振力不大，应从增加支承刚度上开展工作，进行现场加固试验。

3 处理措施和效果

2009年12月，采取了现场加固电动机的减振方法。实施方案为：首先焊接一个固定支架，并与基础埋铁进行焊接固定，进行探伤检查，确保焊缝无裂纹、夹渣、未熔合等缺陷。然后用力锤激振法测试支架的固有频率，避免支架共振。如果支架共振会使凝结水泵电动机振动放大，因此该项工作十分必要。最后是采用8个螺栓同时加固，如图3所示，对称方向同时加力，主要是解决刚度不足或不对称的问题。凝结水泵电动机静止时，利用力矩扳手进行螺栓预紧固。螺栓预紧固后，再次测量支架的固有频率，测量结果应明显高于未紧固时的频率。

图3 电动机加固受力示意图

设备运行后，由于南北、东西方向刚度的不同及加固螺栓松紧度的变化，可能造成电动机振动的变化，根据设备振动状况进行再次紧固。

处理后振动数据见表1。可以看出，东西方向共振转速960 r/min时，电动机上部振动值降低到78 μm。南北方向共振转速1 140 r/min下，电动机上部振动值降低到66 μm。整个变频运行区域，东西、南北方向的振动值均小于78 μm，振动值处于合格范围，可以满足运行要求。

振动值的计算式为

(1)

式中：P为激振力；Kd为部件的动刚度，表示部件产生单位振幅所需的交变力。

对比图2和表1可以看出，电动机加固后振动幅值明显减小。由(1)式可知，在激振力P不变时，振动幅值A与动刚度Kd成反比。因此，可以证明加固后动刚度得到显著提高。

另外3台凝结水泵也采取了相同处理方法，效果非常明显，基本上解决了变频运行中的振动问题。至此，该型4台凝结水泵均可以采取变频调速方式运行。

需要强调的是，引起立式电动机振动的因素很多，有定子电磁激振、气隙不均匀、转子绕组故障、质量不平衡、轴承失效、中心偏差大、结构共振等，对应有不同的检查和处理方法。

4 结论

(1)立式凝结水泵变频运行中，一个主要特点是某个方向在某个转速下出现振动峰值，同时该转速前后基频相位也发生较大变化，东西、南北方向振动与转速关系特性类似。振动频率以工频为主，振动性质为强迫振动。引起立式凝结水泵变频运行的振动原因是转子-轴承-外壳系统共振。通过现场加固，有效降低了立式凝结水泵变频运行的振动水平，可以满足运行要求。

(2)共振转速前后，振动出现明显峰值，相位变化接近180°。

(3)立式凝结水泵变频运行中的振动问题，应引起制造厂家的高度重视，在设计阶段应考虑到此问题，在变频运行转速之内应避免转子-轴承-外壳系统产生共振。