抽水蓄能机组推力外循环润滑油系统异常振动故障治理

马运翔，彭 辉，刘晓锋，卢修连，何小锋，何利鹏

（江苏方天电力技术有限公司，江苏省南京市 211102）

0 引言

大型水轮发电机推力轴承润滑油冷却系统按照冷却器布置位置可分为内循环和外循环两种，其中外循环冷却系统分为自身泵外循环和外加泵外循环两种方式，经验表明外加泵外循环方式的散热效果比其他方式更好，可靠性更大[1,2]，因此推力瓦外加泵外循环冷却方式被广泛应用。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，推力外循环润滑油系统主要是为机组推力瓦提供润滑油，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，主设备损坏导致机组非计划停机造成不良的社会影响[5]。

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255MW，水泵工况最大入力为269MW[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1495r/min，最大差压16bar[7]。机组在调试期间出现推力外循环系统异常振动故障，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多次脱落，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和激光测速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Figure 1 Schematic diagram of sensor placement

2017年3月24日13时35分，4号机组2号推力外循环油泵正常启动，机组处于停机热备状态，油泵在额定转速1490r/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300r/min时轴向振动4.8mm/s，水平振动7.4mm/s，管道振动25.3mm/s，噪声也由91.3dB增大到103.6dB。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120r/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。

机组运行状态下，油泵以额定转速运行时油泵水平振动达7.4mm/s，管道振动达25.3mm/s，图3和图4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，油泵在额定转速运行时，管道振动与油泵振动频谱分布一致，频谱分析表明振动分量中1倍频分量较小，主要是以4X、8X和12X等倍频分量为主。

图2 机组升速过程中各测点振动变化趋势Figure 2 Vibration trend of each measuring point in the process of unit speed rising

表1 油泵以工频运行时振动和噪声数据Table 1 Vibration and noise data of oil pumps operating at rated frequency

图3 机组运行时油泵水平振动频谱图Figure 3 Frequency spectrum of horizontal vibration of oil pump during unit operation

图4 机组运行时油泵出口管道振动频谱图Figure 4 Frequency spectrum of vibration of oil pump outlet pipe during unit operation

2 振动故障原因分析与处理

2.1 振动故障原因分析

螺杆油泵在工作过程中产生异常振动和噪声有以下原因：

（1）泵与电机本身故障原因，如泵与电机安装不同心，螺杆与壳体安装不同心或者二者啮合间隙过大。在机组停机状态下油泵及管道振动较小，振动幅值稳定，大小为0.9mm/s。因此可以排除由于泵与电机本身故障造成油泵振动故障。

（2）空蚀。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，这一过程称为空蚀[8]。为了避免螺杆泵空蚀现象的发生，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空蚀，并导致泵及管路系统的振动和噪声[8-10]。

根据螺杆油泵空蚀余量分析，螺杆油泵不发生空蚀现象应满足以下条件[10]：

式中NPSHa——螺杆油泵有效空蚀余量；

NPSHr——螺杆油泵必须空蚀余量；

S——安全系数，通常取0.5～1m。

现场安装高度满足厂家给出的使用要求，可以排除空蚀原因造成油泵振动故障。

（3）泵及管道内吸入空气[11，12]。空气进入油系统在低压处膨胀，在高压处被挤压破裂，气泡破裂时产生巨大的冲击力，造成油泵和管道振动[11]。

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。因此，泵及管道内吸入空气是造成油泵振动故障的根本原因。

在相同工况下，管道振动比油泵本体振动大。如公式[13，14]：

式中A——振动幅值；

F——激振力；

K——系统刚度。

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，振动被放大。

2.2 推力外循环油泵振动故障治理

油泵及管道进空气是振动故障的根本原因，因此降低系统内空气含量是最有效的方法。降低系统吸入空气量的方法有加装消泡装置和油泵变频运行两种方法。溧阳抽水蓄能电站推力外循环油系统试验加装消泡装置后收效甚微，因此采用油泵变频运行方法。

油泵系统进行变频改造后推力外循环油泵采用变频启动，油泵设定初始转速为800r/min，分别在主机停机和机组运行两个工况下以50r/min为间隔逐渐提高油泵转速至额定。机组停机工况下油泵变频升速过程中各测点振动变化趋势如图5所示。从图5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；油泵在1200r/min转速运行时管道在20Hz处存在一个峰值，此处为管道的固有频率，运行时应避开20Hz频率。机组运行状态下油泵变频升速过程中各测点振动变化趋势如图6所示，从图中可以看出，油泵转速高于1000r/min后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，油泵转速低于1000r/min时油泵和管道振动较小且变化不大。因此，油泵变频运行应选择转速在1000r/min以下运行。油泵变频运行试验数据如表2所示。

图5 机组停机工况下油泵升速过程中各测点振动变化趋势Figure 5 Vibration trend of each measuring point in the process of oil pump speed rising under unit shutdown condition

图6 机组运行时油泵升速过程中测点振动变化趋势Figure 6 Vibration trend of each measuring point in the process of oil pump speed rising under unit operation

表2 泵以额定频率运行时振动和噪声数据Table 2 Vibration and noise data of pumps operating at rated frequency

表3 机组瓦温数据Table 3 Data of bearing temperature

管道振动大主要是由于刚度不足，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900r/min转速下变频运行，减少了系统吸入空气，降低了由空气原因产生的激振力，油泵和管道振动降低，保证了油泵的安全运行。油泵在900r/min转速下运行时油泵油流量为260m3/h，通过热稳定试验表明油泵变频运行油系统流量能够满足机组运行设计要求，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稳定基本不变，油泵变频能保证机组安全稳定运行。

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110 kW降低至30 kW。

每台机组按年运行 5000h计算年总节电数为：

按0.4元/（kW·h）计算仅节省用电费用年总效益折合人民币：450000×0.4=18.00（万元），节能收益明显。

3 结束语

溧阳抽水蓄能电站推力外循环油泵及管道振动大，油系统吸入空气是振动故障的根本原因，管道支撑刚度不足是管道振动大的又一个主要原因。推力外循环油泵采用变频运行，降低了运行转速，减少了系统空气吸入量，有效降低了油泵及管道振动，提高了系统的可靠性。油泵采用变频运行同时降低了油泵能耗，提高了经济效益。