电厂水泵故障分析及整治方法研究

乔凤杰，白晶

(哈尔滨电力职业技术学院动力工程系，哈尔滨150030)

能源是一个国家经济发展的重要基础，如果能源的供给出现问题就会给国家经济发展水平带来重大的阻碍［1－2］。现阶段，我国的能源利用率很低，因此必须要注重节能。火力发电厂是能源消耗的大户，而在火力发电厂中，电厂水泵消耗的能量又是非常巨大的［3－4］。因此，在使得电厂运行稳定的前提下，采用一定的节能措施和设备改造方案来降低水泵的耗功量，是电厂常用的节能手段［5－6］。

电厂水泵不仅是发电厂重要的辅机设备，而且其安全、经济运行也是电厂发电机组稳定运行的关键。电厂水泵是火电机组众多设备中故障率较高的一个。所以，为了保证机组能够正常运行，必须要加强对电厂水泵故障的诊断和分析，以及优化处理手段，减少电厂水泵的故障率。对于电厂水泵的研究，可参照一般设备故障诊断的方法，即先全面整理电厂水泵运行情况，对其进行分析，找出可能的节能改造方案;然后根据电厂水泵每次出现故障前的征兆进行分析和研究，查找出其特性，并加以对比和整理，根据情况的不同做好分类;最后根据故障的不同，采用针对性的解决方案，逐步实现故障集合和方案集合的对接，避免设备的过度维修和维修不足的情况出现，从而使得设备的利用率有所提高，进而降低电厂的运行成本［7］。

在火电厂中，水泵的应用是非常广泛的，而且非常分散，这就使得电厂水泵不能像锅炉和汽轮机等设备一样，配备功能十分健全的智能监测系统。从经济角度来讲，配备众多的价格昂贵的监测系统花费很大，实现起来非常的困难。目前，针对电厂水泵的运行监测，基本上还处于人工监测的水平，通过定期的检查，大小修期间的检查，或者是事故后的检查。但是，这种检查对降低电厂水泵的事故率没有太大的作用，所以建立有效的故障监测和诊断手段是非常有必要的，能够随时掌握设备运行的状况，避免突发性事故的发生，还能降低设备的维修成本，增加设备可利用的时间，从而提高设备的运行效益。因此，研究电厂水泵的状态监测与诊断有重要的意义。

1 电厂水泵常见故障及原因分析

水泵是火力发电厂应用非常广泛的设备，对电厂的安全和经济运行有着重要的影响。电厂水泵按原理可以分为离心式水泵、轴流式水泵和混流式水泵三类。

电厂主要有三类水泵用途，即一是给水泵，二是循环水泵，三是凝结水泵。

1.1 电厂水泵的故障机理

电厂水泵的故障原因可以分为机械原因、水力原因、电气原因三类，下面进行具体的分析。

(1)电厂水泵故障的机械原因主要有以下的方面，包括电机和水泵转动部件的质量不平衡、中心不对中以及水泵的转速与泵体的固有频率一致而引起共振。这些原因都会引起水泵的强烈的振动并发出很大的噪音。

1)电机和水泵转动部件的质量不平衡分为初始时的不平衡和运行过程中的不平衡。初始状态，由于制造工艺不达标导致质量分布不均，从而影响泵的平衡性;在运行过程中，泵中流动的介质会对泵体造成一定的腐蚀和磨损，介质中含有的杂质导致泵体结垢，也会造成泵的质量分布不均，从而影响泵的平衡性。在水泵的运行过程中还有一种情况会引起水泵的故障，那就是转子上的零部件脱落或者异物进入水泵，此类故障为突发性的不平衡，其表现为振动值突然性的增大，随后会降低并稳定在一个高于正常值的振动点上。

2)转子不对中即水泵的轴与电机的轴不在一条直线上，分为联轴器不对中和轴承不对中，其中联轴器不对中可分为以下三种情况，如图1所示。

图1 联轴器不对中的情况

3)转子固有振动频率和转速时的频率一致时则会发生共振，为了减少共振，一般会把水泵的基础结构设计得很大，因为基础振动与泵的整体质量之间成反比的关系。当基础松动时，就会导致较大的振动现象出现，基础松动会导致系统的固有频率改变，并且更加容易产生共振，这种情况对水泵的安全性危害很大。

(2)水泵水力方面的振动有汽蚀和喘振两种情况。气蚀是凝结水泵的泵内流到某处液体的压强下降到等于或低于当时液体温度下饱和压力时，液体中就会有气泡出现，当气泡破裂时会产生很大的压力，从而对水泵造成很大的伤害。喘振是当管内的流体处于不稳定流动阶段，流量出现周期性的变化的情况，此种情况下会有很大的振动和噪音。

(3)水泵的电气方面

电机内部磁场的不平衡以及电气整体系统运行的故障，是引起较大振动和较强噪音的原因。当出现这类故障时，要检查并校正水泵的轴，并且控制运行的参数在水泵的允许的范围之内，必要时需要停机拆开泵的整体来解除故障，使得水泵恢复正常运行。

2 电厂水泵故障层次分类诊断方法

层次分类诊断通过将不同层次的知识有机结合并组织在一个模型之中，能够发挥出知识的更大作用，这类模型的一大特点是非常适用于层次特性非常明显的诊断对象。本文所使用的诊断方法即为层次分类诊断法，该方法具有非常高的诊断效率，结果也比较可信。

对诊断对象进行分层的方法一般可以分为三种，即结构分解法、功能分解法和故障分解法。结构分解法重在分析诊断对象的拆装顺序，将相同的部件进行组合，不同的部件做好分类;功能上的分解是从诊断对象的总体功能上进行分解，不断的向下层的子功能进行细分;故障分解是指对故障对象的故障类型进行分解，从机理上对故障原因进行分析，将相同机理的故障进行整合。

图2 层次分类诊断模型结构图

图2为层次分类诊断模型的结构图。标准的模型总共分为三个部分，即输入部分、输出部分和映射部分，输入部分是从具体的事例中提取关键的数据，并将数据进行抽象，映射关系为输入部分和输出部分的匹配关系。对诊断问题来说，也可以用分类问题表示。

水泵故障层次分类诊断法的具体步骤如下:

(1)对所要研究的水泵对象的结构进行分解，找出每个部分所对应的主从关系，可以使用树状结构方式，将系统的本身放在最顶层，其次是组成系统的各个子系统，然后是组成子系统的部件，直到最后一层为止。

(2)建立概念节点。首先提出可能的概念节点，其次对其进行验证，如果概念节点确实存在，则其所对应的故障是存在的，从而可以对该概念节点进行更细一步的划分，直到不能再提取概念节点为止。

(3)将故障信号作为“具体事例”进行提取，对故障进行分析并且将征兆参数进行“数据抽象”。最后找出对应关系，并输出故障节点。

图3为根据电厂水泵常见的振动故障所作出的故障分类层次图。

图3 水泵常见故障分类层次图

3 电厂凝水泵故障分析及治理方法

以某电厂凝结水泵故障为例进行分析。水泵的类型为立式，即电机位于水泵的上方，中间是联轴器。在某次大修期间对该水泵进行了变频改造，改造后850 r/min和900 r/min两个区域内的振动增加明显。因为这个区间是水泵正常运行时的区间，所以会给水泵的正常运行造成极大的危险性，必须要降低该区间内凝结水泵的振动值。通过振动测试，得到以下数据，如表1所示。

表1 振动测试所得结果

通过对振动测试所得结果进行分析可得一下结果:水泵的振动主要为基础频率的振动，所以可以得到其性质为强迫式的;在转速为900 r/min时，振动最为严重，振动的峰值达到了205 μm，这说明在该转速下，凝结水泵的振动严重超标。

为了找出水泵故障超标的原因，采用上文给出的故障层次诊断方法进行分析。测量了不同部位的振动情况，所得结果如表2所示。

表2 不同部位振动情况

从表2中可以看出，振动的幅值随着转速的升高先增大，然后逐渐减小。在转速为780 rpm和900 rpm时出现了两个振动峰值。振动值偏大的原因主要有两个:一种原因是由于泵的转动处于临界转速，此时泵轴对泵体的激振力增加，从而增加泵体的振动量;另一种原因是泵转速和本体共振。分析本文的研究对象可得故障的主要原因是第二种。

对于共振原因导致的振幅偏大的问题，需要采取避开共振区域的方法来解决问题。对于凝结泵来讲，可以通过改变泵的固有频率来解决，也通过改变泵的工作转速来解决。

本文所采取的方案是改变泵的固有频率的方法，即在筒体上加装加强筋板的方法。分别在筒体四周加上四条加强筋板，如图4所示。改装完成后，筒体固有频率和泵的工作频率不再一致，具体结果如表3所示。

图4 加装加固筋

表3 不同部位振动情况

4 结论

本文主要介绍了电厂水泵的故障分析及整治方法，通过案例的分析可以得到以下结论:

(1)层次分类诊断方法要优于传统的分析方法。运用该方法能够很好对电厂水泵的故障进行诊断和分析，找出问题的关键点，从而寻求解决途径。

(2)本文成功解决了电厂凝结水泵多个转速下转动超标的问题，对提高水泵的稳定性起到了显著地作用，该案例对今后相同类型故障具有典型性的指导意义。

［1］袁雄俊.锅炉给水泵状态监测与故障诊断试验系统的研究［D］.北京:华北电力大学，2002.

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