基于频率分析的核电厂疏水泵异常振动分析

唐德伟

（苏州热工研究院有限公司，广东 深圳 518038）

0 引言

疏水泵是核电厂给水加热器疏水回收系统（ACO）的重要组成部分，承担3级、4级低压给水加热器壳侧冷凝水的受控排出等功能。ACO系统结构图如图1所示，通过交叉连接口和出口管道，任一台低压疏水泵可单独使用于任一个系列的低压加热器。

疏水泵是该系统的核心组件，对于低压加热器水位控制起到了关键作用。疏水泵易出现转动机械常见的异常振动问题，威胁水泵乃至电站的安全。其原因在于立式长轴泵轴系长、重心高，导致泵及电机转子的振动最终会影响其配套电机的上部轴承位置，致使异常振动问题频发[1]。振动高的常见原因包括摩擦、轴心偏离、共振等原因。其中，共振问题的比重较大。

关于电站泵类设备异常振动是电力系统设备研究的重

图1 ACO系统流程简图Fig.1 ACO System flow chart

图2 电机结构图Fig.2 Motor structure diagram

点。董宝泽[2]针对三门核电的制氯取水泵异常振动问题，通过敲击实验确定电机支架固有频率，并通过改变电机支架、改变电机重量等方式改变固有频率，避免共振的影响。孙山[3]指出，电站水泵振动问题常具备谐波性振动、次谐波性振动、低频性振动、工频性振动、高频性振动等特点。张小科[4]针对某300MW火电机组的凝结水泵异常振动问题展开研究，针对结构共振及轴系存在不平衡质量问题，调整螺栓紧力改变凝结水泵系统的共振区间。付江永[5]针对某电站水泵电机共振问题，在结构不易改变的情况下，采用频谱分析及固有频率分析等方法诊断故障，通过改变泵组系统的刚度，有效降低振动。魏邦华[6]同样指出，对于已安装的设备，采用改变电机固有频率的方法难度较大，可采用Block Lanczos法对分析模型进行模态求解，对电机共振情况进行设计改进。

1 疏水泵结构设计与问题分析

1.1 结构设计

疏水泵采用筒袋型立式多级离心泵，具有整体结构紧凑、体积小、重量轻、噪声低等特点。由电机带动轴上的叶轮旋转，使液体获得压力和速度，同时经过流道导壳流向下一级叶轮，由此实现能量累加，使液体获得扬程。其中，电机采用全封闭、鼠笼型结构，结构主要由定子、转子、端盖、轴承、接线板等部件组成。电机结构如图2所示。

1.2 问题描述

某电厂1/2号机疏水泵组自运行以来均存在电机非驱动端振动高的问题，空载运行时振动速度达到14mm/s。经泵组全检、更换同型号电机未有改善。初步分析后，拟采用转子动平衡的方案处理，在转子上加配重或去配重的方法。但采取转子动平衡措施处理后，振动仍偏高，均超过报警值7.1mm/s。两台ACO泵组均存在此问题，涉及范围为：1/2ACO301/302MO，共4台设备。

图3 泵敲击固有频率Fig.3 Natural frequency of pump knocking

1.3 原因分析

推测导致上述问题的原因是泵的工作频率与其固有频率过于接近，引发共振效应，导致泵的异常振动。因而应采集泵的固有频率和其工作频率，进行进一步的分析。

测试固有频率的方法包括敲击法、启停法、调频法等。采用敲击实验获取泵的固有频率，通过敲击迫使泵自由振动，进而获得泵的固有频率。实验数据如图3所示。

可见，实际敲击测得的固有频率为22.5Hz、26.5Hz、27.5Hz。该类设备共4个，另外3个设备的实验过程与之相同。测试泵的主要运行频率，实验结果如图4所示。

图4 泵运行主要频率特征Fig.4 Main frequency characteristics of pump operation

图5 结构软件建模Fig.5 Structure software modeling

工作转速1480rpm，共振点频率24.67Hz。系统固有频率在共振点频率上下10%，即22.2Hz～27.3Hz。泵组运行时，工作频率接近固有频率，产生共振，且泵组支架整体刚度不足，最终导致电机非驱动端振动过高。

2 解决方案与效果

2.1 模型仿真

为制定合适的解决方案，建立泵结构的软件模型。按照泵的实际质量、尺寸、密度等参数，建立泵结构模型，并调整模型参数，使计算固有频率尽量接近实际测试得到的固有频率。由模型计算可得前6阶固有频率，使其中3、4阶固有频率与现场实测固有频率基本一致，其振型也为电机摆动固有频率。模型及频率调整过程如图5、图6所示。

考虑到电机实际结构，有两部分可作调整，即电机与电机支架。通过更换电机的机型，更换轻型电机、新的电机支架，以此减小电机的重量，同时降低电机重心高度，并采用新的配电支架，以增大泵组固有频率，避开泵组运行的工作频率，避免产生共振。

2.2 方案设计与仿真计算

电机可采用初始电机（原电机1.6t）、新型电机（新型电机1.27t），电机支架可采用现有机架（普通电机机架）、新电机机架（强化电机机架）。

两种设备的各自两种选型形成4种组合，即：

1）初始电机-普通电机机架，选用电机重量1.6t，重心高度680mm。

2）轻型电机-普通电机机架，选用电机重量1.27t，重心高度570mm。

3）初始电机-强化电机机架，选用电机重量1.6t，重心高度570mm。

图6 频率调整示意图Fig.6 Schematic diagram of frequency adjustment

4）轻型电机-强化电机机架，选用电机重量1.27t，重心高度570mm。

如前文所述，设计改进后的系统固有频率应避开共振点频率的上下10%，即22.2Hz～27.13Hz。通过上述分析可知，只有方案4（轻型电机-强化电机机架）能够达到要求，通过物理模型模态计算，在更换新型电机并采用强化的电机机架后，固有频率见表1。

综上，应选择方案4对电机进行改造。

2.3 改进效果

通过更换新电机、新电机支架、联轴器，改造完成后固有频率为28.52Hz，较旧电机固有频率（27Hz）有所提高，更大程度上避开了工频（25Hz），共振效应减弱；改造后实测振动值为2.0mm/s，振动较改进前明显改善，更换完成后未出现异常振动高的情况。

表1 改造后频率分析表Table 1 Frequency analysis after transformation

3 总结

针对某核电厂疏水泵异常振动的问题，列出可能的原因并逐个筛查，确定共振问题。采用频率分析的方法，对比实验测得的设备固有频率与设备运行工作频率，通过软件建模的方式设计改进措施并仿真验证，从多项初步方案中选择最合适的方案，最终解决了该疏水泵异常振动的问题。