火电厂凝结水泵系统动力特性分析

李坤

摘  要：火电厂当中，凝结水泵系统是极为重要的组成部分，经过技术改造该系统可实现变频运行，但常常出现振动，严重影响了变频节能效果。为此，本文以优化系统运行为目标，结合实际对火电厂凝结水泵系统的动力特性加以分析。实践中，依托于科学试验探讨各项变频影响因素对系统动力特性的影响。

关键词：凝结水泵系统;动力特性;火电厂;轴承

火电厂是电力生产的最重要基础，生产过程中需要消耗大量电能。在实践中，以凝结水泵系统为代表的大容量辅机，普遍具有能耗高的问题。所以，在运用变频调速技术后，凝结水泵系统完成了变频改造，降耗需求得以满足。但受到振动问题影响，降耗效果常常难以发挥，此时，解决振动问题十分必要。

1系统动力学分析模型

为实现节能降耗，火电厂纷纷基于变频调速技术改造凝结水泵系统。经过改造可借助于流量实现转速的自动调节，十分有利于维持正常水位。不过，在凝结水泵系统运行环节，当电机转速達到特定区间时容易出现大幅振动。这种情况严重干扰了系统的正常运行，也让机组安全受到影响，更阻碍了变频改造节能效果发挥。为了明确火电厂凝结水泵系统的动力特性，我们需要构建系统动力学分析模型，以便根据模型分析找到系统运行振动的主要原因和影响因素，进而有效处理系统故障问题[1]。

在本次研究中，案例火电厂中的凝结水泵系统由“600MW单元制凝汽式机组+NLT500-57筒袋式立式多级离心泵（凝结水泵）+YKSL630-4电机”组合而成，离心泵的变频调节范围在900-1500r/min。从凝结水泵系统的结构上来看，电机位于立式结构的最上方，基于支座连接泵体;而泵体则通过“水泥基础平台+基座”固定。在泵基础下方，设有筒带式结构，筒体分内外双层，前者进出水管相连，而后者则与进水管相连;两个水管不仅连通整个管道系统，更与各类阀门、滤网相连。在火电厂凝结水泵系统运行过程中，凝结水的流动路线如下：（1）进水管;（2）内外筒体之间;（3）内筒体;（4）出水管。系统中，“转子+内筒体”形成抽芯式结构，电机轴与泵轴利用联轴器连接。而且，泵组的轴向力和径向力分别由推力瓦和滚动轴承承担。在对凝结水系统震动问题加以分析时，相关工作人员可根据该系统结构打造三维有限元分析模型。在此环节，需要建立的部件三维实体模型主要包括以下几种：其一是电机支座;其二是水流管道;其三是筒体;其四是叶轮。建模完成后可基于实际工况组装并划分网络，计算时需要加入边界条件。为了有效分析凝结水泵系统的震动类型和来源，应分别开展整机分析以及转子系统分析。

2差异化模态频率影响因素分析

2.1整体系统模态频率分析

整体系统模态频率分析环节，应该分别对系统中的各阶模态频率加以统计。在实际作业环节，案例凝结水泵系统的变频范围在15-25Hz;系统当中内筒体、整机以及外筒体的一振型分别为3.13Hz、19.1Hz和22.9Hz;而内筒体的二阶模态以及电机支架的固定频率则分别是23.7Hz和24.2Hz。从这些数据中不难看出，内筒体一阶模态频率并不在变频工作范围内，且与变频范围差距相对较大，所以不会对振动产生过大影响;但整机一阶振型外筒体一阶振型、内筒体二阶振型以及电机支架的固有频率都处于系统变频工作范围，所以它们都会对相应结构的振动产生影响。基于科学计算发现，系统模态频率为19-24Hz时，整体系统存在多阶模态。如果凝结水泵系统以25Hz为定速运行，则不会出现上述模态;反之，若系统仍然以变频方式运行，则容易激发模态增加大幅振动。为解决振动问题需要强调结构约束，着力基于改变泵体的约束条件，让其固有频率发生变化。比如，加强进水管与出水管约束;丰富外筒体约束。

2.2转子系统模态分析

在凝结水泵系统当中，转子是最为重要的转动部件，也是引发振动的主要原因。通常来说，转子系统的模态频率是否与变频工作范围重合，将直接影响转子振动;若二者重合，则系统运行阶段转子的振动明显，且振动会基于轴承传递至其他系统结构，最终引起管道和其他部件振动。案例系统当中，转子系统的结构以及其支承方式，是最为主要的模态频率影响因素;而轴承支承则是影响转子特性的主要结构。在探讨轴承支撑特性时必须重点关注轴承磨损情况以及轴承的布设情况[2]。当支承模式不同时，转子系统一阶振型和二阶振型的模态频率也存在差异。具体表现为，当上下导轴承和级间轴承同时运行时，转子固有频率会远远超出系统变频上限，此时转子系统运行可无视共振问题;当系统中的轴承出现磨损时，磨损部位以及程度差异，会导致转子固有频率差异。

2.3试验分析

为进一步研究火电厂凝结水泵系统的动力特性，笔者还基于凝结水泵转子锤击试验以及凝结水泵电机起动振动试验进行分析。在转子锤击试验中，系统处的支承状态是基于2个上下导轴承支承，受到脉冲激励的泵轴出现峰值频率点，其中符合凝结水泵变频范围的有两个：其一是2.8Hz;其二是10.4Hz;与这一支撑模式下的转子系统一阶振型和二阶振型相近。在振动实验当中，支承状态同样是基于上下2个导轴承支承，经计算发现接近650r/min出现共振峰值，其对应频率点是10.3Hz，同样符合该支承模式下的转子系统模态频率。由此可见凝结水泵系统当中，若出现了轴承大面积磨损就会导致约束失效。

经过此次研究可知，多系统共振是导致火电厂凝结水泵系统电机振动的根本原因。在特定转速范围内，凝结水泵系统会进入共振区，因此当电机变频运转时会出现较强振动。系统运行过程中，为避免激发振动需有效控制凝结水泵系统的变频转速。通常来说，需规避19-20Hz区间，若想要避免振动则可以25Hz为基准开展定速运行;若继续按照变频运行，则十分容易引发振动。

结束语

火电厂凝结水泵系统的振动问题与轴承转动有直接关系;在系统运行过程中，转子、轴承以及支承系统共振是引发凝结水泵系统电机振动的根本原因。从现实角度来看，解决凝结水泵系统变频运行阶段的振动问题，必须提高系统的固有频率，所以相关工作人员需要做好轴承检修和装配。

参考文献：

[1]宗绪东.凝结水泵运行中出力降低故障树诊断方法研究[J].山东电力技术，2020，47（07）：72-76.

[2]卢英欣.变频调节电控系统在凝结水泵改造中的应用[J].机电信息，2019（18）：65-66.DC644009-F855-4523-8E4E-478FCE6E4BB3