大型变频凝结水泵异常振动分析及处理

马思聪，李 俊，万大伟，杨典兵，白洪宸，钱林锋

(1.杭州意能电力技术有限公司，杭州 310014；
2.哈尔滨电站科技开发有限公司，哈尔滨 150030)

随着电力技术的不断发展，变频技术已经广泛应用于电厂节能改造中，主要应用于300 MW以上大型机组的凝结水泵(以下简称“凝泵”)中，具有很好的节能效果[1-3]，有效地提高机组经济效益。大型机组的凝泵基本为定转速水泵，但部分凝泵在变频改造后，出现结构共振等故障现象，使改造后的变频凝泵只能部分投运，甚至出现无法投运的现象。

某1 000 MW机组的凝泵改造后，在变频运行区间内，存在两个转速区间内明显的振动峰值现象，导致变频改造无法高效投运，影响设备安全运行。尝试通过振动测试分析，查找凝泵振动原因，结合检修措施，以解决此问题。

1.1 设备性能

某电厂2台1 000 MW机组配有6台50%容量工频凝泵，每台机组配备3台50%容量工频凝泵，运行方式为二用一备。该凝泵型号为NLT400-500×5S，电机型号为YLKS560-4三相异步电动机，整体型式为立式筒型离心泵，其额定转速为1 480 r/min，如图1所示。将凝泵工频方式改造成变频方式，能在当机组负荷发生变化时，系统根据凝结水流量改变凝泵转速，以达到节能的效果。

图1 凝泵结构示意图Fig.1 Schematic diagram of condensate pump structure

1.2 故障状况

在变频改造后，电厂工作人员在巡检时，发现4台凝泵均存在在变频转速区域运行时，出现振动值增大的现象，表现为在转速变化过程中，电机自由端的振动出现明显的波动现象，有个别凝泵电机振动远超过标准所规定的4.5 mm/s限值，影响设备的安全运行，同时导致变频投运率低。

对4台凝泵电机在变频转速区间内进行测试，除凝泵6B振动较小外，其余3台凝泵在转速升降过程中，在两个特定的转速区间内，振动会出现明显的峰值现象，具体表现为当转速在1 050 r/min至1 200 r/min(第1转速区间)之间和1 250 r/min至1 400 r/min(第2转速区间)之间振动均存在明显的振动峰值。以凝泵5A为例：当转速达到1 104 r/min时，电机自由端振动8.2 mm/s；
当转速达到1 326 r/min时，电机自由端振动4.9 mm/s，偏离上述两个转速区间后，振动迅速回落，整个振动趋势重复性较好，如表1、图2所示。

表1 3台凝泵在转速区间内振动值Table 1 Vibration values of three condensate pumps in the speed range

图2 凝泵5A电机自由端振动波特图Fig.2 Vibration Bode diagram of the free end of the condensate pump 5A motor

3.1 第1转速区间分析

在第1转速区间内，频谱特征均以1倍频分量为主，无其他低、高频分量，属于典型的强迫振动，基本可排除不对中、轴承失效[4-5]、局部松动[6]等其他故障现象，如图3所示,基本可认定凝泵电机存在转速频率与本体存在结构共振现象。

图3 凝泵5A第1转速区间振动频谱图Fig.3 Vibration frequency spectrum of condensate pump 5A in the first speed range

3.2 第2转速区间分析

在第2转速区间内，频谱特征均以5倍、7倍的高倍频分量为主，且当特征频率出现时凝泵电机旁同时出现明显的噪声，而1倍倍频分量较小且基本不变，该振动特征频率与第1转速区间的共振特征频率明显不同，但振动波特图同样存在峰值，因1倍频分量较小且振动特征频率随转速变化而变化，基本可排除质量不平衡、不对中、轴承失效、转子热弯曲等原因，如图4、图5所示。

图4 凝泵5A第2转速区间振动频谱图Fig.4 Vibration frequency spectrum of condensate pump 5A in the second speed range

图5 凝泵6A第2转速区间振动频谱图Fig.5 Vibration frequency spectrum of condensate pump 6A in the second speed range

综合上述振动特征，分析判断得出3台凝泵电机在变频运行区间内存在2种类型的结构共振。

3.3 振动试验与分析

为了进一步验证分析判断， 对其中1台凝泵 6A 电机壳体进行固有频率测试试验，结果表明：一阶频率17.0 Hz、三阶频率116.9 Hz、四阶频率133.8 Hz、五阶频率166.9 Hz均与上述故障特征频率相近，如图6、表2所示。

图6 凝泵6A电机壳体频响函数幅值曲线Fig.6 Condensate pump 6A motor shell frequency response function amplitude curve

表2 凝泵6A电机壳体固有频率数据Table 2 Condensate pump 6A motor shell natural frequency data

由图6、表2所述，得出凝泵6A电机壳体固有频率的一阶频率17.0 Hz接近转速1 100 r/min(相当于18.6 Hz)左右的频率，可判定在第1转速区间内电机存在工频结构共振的现象。

而在第2转速区间内振动出现的高倍频分量的故障现象，可能的原因分析如下：

1)电机内部转子出现断条[7-8]现象，导致转子出现电流短路，形成电磁力不均匀和转子热变形的现象，引起电机振动1倍频、2倍频分量的大幅上升以及部分高倍频分量的上升，而电机在单体试转时，振动1.0 mm/s以下，故该故障可能性较小。

2)电机内部定子线圈、铁心等部件出现磨损、松动等故障现象，造成磁场不均匀，产生的新磁场频率与本体铁心机壳等机械部件产生谐振，两者频率相似或重合时，会产生共振现象。通常采取对电机进行解体检查和重新安装，可基本消除，故该故障有存在的可能性。

3)叶轮组在高速旋转时所产生的叶片“通过频率”与电机本体机械固有频率相近或重合，会形成高倍频的结构共振现象。如果叶轮组出现磨损、间隙较大等故障现象，会加剧结构共振，故此故障有存在可能性。而该凝泵泵轴上共有5级叶轮，首级叶轮叶片数为5片，第2级至5级叶轮叶片数为7片，可计算出相应的叶片通过频率，计算式如下:

f=z·n/60

式中：f为叶片通过频率，Hz；
z为叶片数；
n为转速，r/min。

由式(1)计算可知，第2转速区间内的叶片通过频率为105～170 Hz，与电机壳体固有频率的三阶频率116.9 Hz、四阶频率133.8 Hz、五阶频率166.9 Hz较为接近，可判定叶轮所产生的叶片通过频率可能与电机固有频率两者接近，形成高倍频结构共振的现象，而当凝泵叶轮组安装状态偏差时，转子偏心加剧，会引起较大的激振力，加剧结构共振现象。

4.1 动平衡处理

针对第1转速区间内的结构振动现象，采取对凝泵电机进行动平衡的方法，经查询电机结构图，可知共有3处配重平面，分别为电机自由端、电机驱动端、凝泵联轴器，如图7所示。

图7 凝泵电机配重平面示意图Fig.7 Plan view of the counterweight of the condensate pump motor

凝泵为立式布置方式，其振动具有自下而上逐渐增大的特征。按振动理论将最大振动位置进行动平衡处理后，相应地电机整体振动幅值也会一并减小。决定在电机自由端处配重，相比另外两处配重平面(电机驱动端安装相对复杂，联轴器配重块较重[9-10])不仅安装方便而且配重块的质量较轻，还可明显降低激振力，达到减振目的，效果好于其他两处配重平面，如图8所示。

图8 电机自由端平衡面Fig.8 Free end balance surface of the motor

3台凝泵电机动平衡后，振动明显下降，均可在第1转速区间内正常安全运行，配重前后试验数据见表3。

表3 配重前后共振区振动对比Table 3 Comparison of vibration in resonance zone before and after counterweight

4.2 叶轮检修处理

针对第2转速区间的结构共振现象，决定采用改变电机壳体固有频率、增加阻尼、减小激振力为目的处理措施，根据现场实际情况，采取以下处理措施：

1)检查电机内部是否存在松动，紧固各连接面，以改变固有频率和阻尼；

2)对凝泵叶轮叶片、导向轴承等的磨损程度进行检查与检修，减小叶片通过频率引起的激振力。

利用调停机会，对凝泵6A电机本体与凝泵叶轮进行检修，电机本体内部无明显松动与磨损，但发现凝泵泵轴上叶轮底部的导向轴承磨损严重，间隙已达0.62 mm，已明显超标(最大允许磨损间隙为0.52 mm)，进行更换与调整。启动后，该转速区间内振动明显下降，最大振动2.7 mm/s，如图9所示，并计划将此检修项目安排于其他2台凝泵上。

图9 凝泵6A叶轮处理后振动波特图Fig.9 Vibration Bode diagram of condensate pump 6A impeller after treatment

通过对某电厂4台凝泵电机的振动测试，通过测试、分析与处理，结论如下：

1)采用在电机自由端进行动平衡的方式成功解决了在第1转速区间内振动大的现象，在此转速区间内可正常运行。建议同类型的凝泵变频改造后出现以1X倍频分量的结构共振现象，应最先在电机自由端进行配重，但如果电机自由端无平衡位置，再考虑其他加重平面或在电机自由端加装动平衡盘。

2)凝泵电机转速在第2转速区间内产生高倍频振动，经分析判断是由凝泵叶轮叶片产生的叶片通过频率与电机本体的固有频率相近或重合的可能性较大。采用对凝泵叶轮的检修，可有效减少叶轮通过频率产生的激振力来抑制和降低振动。