刘凯华 李 营 化全利
(北京市南水北调团城湖管理处,北京 100000)
泵站机组长时间振动异常,容易引起零部件的疲劳、断裂,影响机组的稳定运行。当机组某特定振动频率与泵站厂房等建筑物固有频率接近时,将引发共振现象,危及整个泵站的安全。此类现象在大中型泵站和水电站中屡见不鲜。引起水泵机组振动的主要原因有机械力不平衡、水力不平衡、电磁力不平衡,分析振动产生的原因,才能更有效地采取措施。李航等[1]认为黑龙江省某灌溉泵站机组和厂房结构存在共振现象,并认为水力因素是产生共振的主要原因。肖烨等[2]针对淮安三站泵房结构动位移较大现象进行分析,得出产生振动的主要原因为泵房下部结构与脉动压力发生共振。张河湾抽水蓄能电站厂房局部构件振动强烈的原因是激振源无叶区的压力脉动[3]。李杨等[4]分析了江都泵站水泵振动值大的原因,认为水力和机械因素影响最大。
密云水库调蓄工程梯级泵站自2015年运行以来,机组振动异常现象和泵站共振现象时有发生,经过交通桥时震感强烈,泵站中控室和办公区域的楼板晃动明显。为更加深入地了解机组运行现状,掌握机组现阶段存在的问题,分析振动产生的原因并有针对性地采取措施,以兴寿泵站为例,依托在线监测,进行机组和交通桥振动试验,分析影响振动的因素,并采取机组检修、更换叶片调节机构、增设变频启动装置变速等方式改善泵站机组的振动现象。采取措施后机组振动和泵站共振现象得到明显缓解。
1.1 兴寿泵站基本情况介绍
密云水库调蓄工程是南水北调北京市内配套工程的一个重要建设项目,对于消纳南水北调来水、实现北京水资源优化配置具有重要作用。兴寿泵站为密云水库调蓄工程第四梯级泵站,其将第三梯级埝头泵站来水提升输送至第五梯级李史山泵站。泵站设计流量20m3/s,有立式轴流泵4台(3工1备),单泵设计流量6.7m3/s,设计扬程1.97m,配套立式异步电动机,单台功率355kW,泵站总装机容量1.42MW,机组采用高压固态软启动装置启动。
泵站等级为Ⅱ等,主要建筑物级别2级,次要建筑物级别为4级,采用块基型结构,泵站厂房楼板布局从上而下依次为中控室层、电机层、联轴层、水泵层。泵站进水流道为肘形流道,出水流道为虹吸式流道,断流方式为真空破坏阀断流,检修闸门为平板钢闸门,卷扬式启闭机启闭,检修闸门前端设耙斗式清污机。泵站厂房建造在京密引水渠道上,前后分别利用进出水引渠与上下游渠道连接,检修闸门与清污机之间设交通桥。泵站运行特征水位见表1。
表1 泵站运行特征水位 单位:m
1.2 兴寿泵站存在的问题
密云水库梯级泵站联合调度运行期间,兴寿泵站2号机组存在以下问题:
a.振动频繁,振动原因复杂。2015年开机运行以来,兴寿泵站机组在运行过程中都有不同程度的振动现象,交通桥振动感觉非常明显,机组运行不平稳。引起水泵机组振动的因素复杂多样,运行期间排除了水泵淹没深度不够、进水条件不良等制造、安装精度不符合要求的问题,且在不考虑叶轮杂物、拦污栅阻塞、螺栓松动等外在条件的情况下,机组振动值依然偏高。
b.调水流量变化。泵站设计流量为20m3/s,受南水北调来水量和北京市水资源调度的影响,泵站小流量运行渐成常态化,运行经验表明,机组在小角度(小流量)运行的情况下,机组运行状态不佳,机组振动值明显增大。调水量不稳定致使机组单双机切换频繁,机组频繁开停机,启动过程中振动值较大,且振动时间较长。运行过程中需要经常调节叶片角度,由于叶片调节机构轴承温度偏高,易引起抬机等问题。
c.振动缓解措施效果不明显。在2015年运行期间,兴寿泵站出水口很少淹没。通过工程措施在出水池增加舌瓣闸对出水口淹没深度进行调节。2016年运行期间观察,交通桥振动改善并不明显。
d.监测系统落后。泵站机组原有状态监测系统振动测点布置在电机上机架外壳上,测量方向为水平面两个互相垂直的方向,未检测轴向振动,且振动传感器测量精度低,受外界因素影响较大,经常出现错误高报的现象,导致测量数据可靠性低。
1.3 振动试验测点布置
在线监测系统振动测点布置在2号和3号机组上,每台立式轴流泵布置8个振动测点,引用原有2个摆度测点(电涡流传感器)。振动测点采用低频加速度传感器MEAS8711LF-01-010进行测量。在电机驱动端和非驱动端轴承座上各安装2个径向振动传感器(垂直V/水平H),在驱动端安装1个轴向振动传感器(轴向A);在机泵驱动端轴承座安装2个径向振动传感器(垂直V/水平H),在机泵驱动端安装1个轴向振动传感器(轴向A)。摆度传感器布置在电机和水泵的联轴器处。交通桥布置两个振动测点,测量水平/垂直振动。机组测点布置见图1。
图1 立式轴流泵机泵振动和摆度测点布置
2.1 机组振动稳定性试验
采用车辆激振法对交通桥进行振动测试,利用车辆过桥后的余振分析得到桥跨结构的基频。测试得到桥体的某阶共振频率为82～86Hz。
进行单泵、双泵、3台泵组合运行试验,尽量满足满负荷(电机设定满负荷的70%)运行条件,通过在线监测记录和振动数据结合离线数据,寻找引起交通桥振动的主振源和影响因素,分析机组振动产生的主要原因。
在双泵试验运行期间,桥体振动较大,并且中控室地板也感觉到明显的振动。2号和3号双机稳定性振动试验显示,2号泵电机轴向振动远大于3号电机轴向振动,在线监测系统采集的对应时间点振动频谱图见图2。
泵站机组摆度值是反映机组性能的另一个重要参数,摆度值过大将引起机组振动值增加,轴承或者大轴磨损,严重时导致叶轮碰壳。摆度增加的主要原因有:机械因素:由于推力头与主轴配合不当导致推力瓦受力不均、轴瓦间隙不合适;水力因素:进水流道中由于不均匀流动产生漩涡,其形成的涡带进入叶轮等[5]。图3为2号机组轴摆渡频谱图。
依据相关试验振动、摆度频谱数据,得出以下分析:
a.2号电机轴向振动值以及振动特征频率分布与桥体振动值和特征接近。桥体振动频率范围为80～100Hz;2号电机轴向振动频谱中,在78～90Hz峰群集中,幅值略小于桥体振动。
b.2号泵轴摆度频谱中有幅值不稳定的1/2、3/2、5/2、7/2等半频及分数谐波(见图3),推测2号机组电机推力轴承有可能轻微磨损,叶轮内存在涡带。泵叶片配合间隙增大(由定位装置间隙增大引起),叶片及流体轴向波动导致机组轴向振动过大,是引起桥面竖向振动的关键因素。
图2 2号机组电机轴向振动与桥体振动对应时间点振动频谱图
图3 2号机组轴摆渡频谱图(一)
针对上述问题提出检修建议:检查2号电机推力轴承、泵叶片角度定位机构组件等部件配合间隙、泵上下导轴承。
2.2 小修后振动分析
2号机组自2015年7月投入运行以来,在运行中摆度超限达到155μm(泵站设定的摆度报警值为110μm),振动较大,机组运行不平稳,根据《密云水库调蓄工程泵站主机组检修规程》需要通过小修解决。机组小修主要项目[6]包括:测量调整机组镜板水平度;测量调整电机定转子磁场中心高度;测量调整电机定转子气隙;调整机组垂直同轴度;测量调整机组主轴摆度;测量调整机组主轴中心;检查电机推力轴承,检查研刮电机导轴承;测量调整水泵叶片与叶轮室间隙;检查填料函及主轴轴径磨损情况,更换盘根密封;检查水泵和电机基础、螺栓及连接螺栓的紧固性。
小修中发现的问题及处理如下:
a.电机推力轴承有明显的磨擦痕迹(见图4),证实了在线诊断监测的正确性。用三角刮刀研刮。保证接触点每平方厘米不少于2点;局部不接触面积每处不大于瓦面积的2%,其总和不大于瓦面积的5%。
图4 2号机组推力轴承磨损痕迹
b.叶片调节机构连接小轴法兰处松动,紧固连接法兰内双饼帽螺丝,加防动销;泵叶片角度定位机构组件等部件紧固连接螺栓。
c.机组主轴摆度过大,通过盘车使摆度减小达到规范要求。
安装完成后,调试结果表明各项指标均满足规范要求,机组检修质量良好,机组运行平稳。
2号机组检修后,电机轴向振动速度最大值为1.41mm/s,对应的频谱图(见图5)中,71Hz峰值为1.86mm/s。其余时间,轴向振动速度值均小于检修前,并且频谱中65～90Hz之间峰值很小。
图5 2号机组电机驱动端轴向振动频谱图(一)
机组轴摆渡值趋势较稳定,泵叶片角度变化对摆渡值趋势影响不明显。检修前2号泵轴摆度频谱中有幅值不稳定的1/2、3/2、5/2、7/2等半频及分数谐波,检修后并未消失(见图6)。
图6 2号机组轴摆度频谱图(二)
依据上面各图中振动趋势和频谱数据,得出以下分析结论:
a.检修后,2号泵叶片角度定位不良(泵叶片配合间隙增大)问题改善明显,但并未彻底根除。
b.电机轴向振动较大波动频繁的现象改善显著,桥体及建筑物振动得到明显抑制,但未完全消除。
2.3 更换叶片调节机构后振动分析
2号机组采用机械式叶片全调节机构,叶轮直径为1460mm,叶片数为3片/台。叶轮由叶片、轮毂体及叶片调角操作机构等组成。叶片调角操作机构为连杆转臂机构,由转臂、连杆、操作架等组成。操作架通过调节杆与调节机连接,将调节机推拉杆的上下运动转化成叶片的转动,实现调节角度的目的。机械式叶片调节机构结构问题多,安装精度要求高,工作不可靠。具体表现为调节器轴承发热烧坏,因本身原因引起抬机;工作范围窄,调节器个头高,不利于泵房机组检修时吊装[7]。
2017年11月15日更换2号机组叶片调节机构,将机械式调节机构更换为湖北拓宇水电科技有限公司生产的内置式液压调节器[8],相对于传统的液压调节,它在本体内直接置换了外部的油压装置,采用上置式、内供油,基本上没有渗漏,具有体积小、重量轻、造价低、检修方便、便于维护等优势。调节器本体位于机组主轴顶端,与主轴同步旋转,改变了机械式调节器推力轴承的着力点,由机械传动改用液压传动,提高了工作可靠性,从根本上消除了调节器轴承发热、烧毁和抬机问题。
桥面振动频谱图(见图7)显示,2号机组更换叶片调节机构后,桥面振动速度值最大为0.44mm/s,均值为0.27mm/s,频率峰值集中在67Hz,且仅有0.16mm/s。
图7 桥面振动频谱图
图8显示,机组电机驱动端轴向振动与更换叶片驱动机构前相比较,振动频谱特征与更换前近似,最大振动值基本接近,并且振动频率接近建筑物固有频率80～95Hz的持续时间极短,并且发生次数很少。
图8 2号机组电机驱动端轴向振动频谱图(二)
通过在兴寿泵站的使用情况来看,液压调节器运行平稳,没有进行维修,维护也比较简单,叶片调节方便准确,机组运行中的振动、摆度均比其他机组偏小。
依据上面各图中振动趋势和频谱数据,得出以下分析结论:
a.机组振动值与更换之前相比,尤其是轴向振动值,有一定改善。
b.2号机组更换叶片调节机构后,机组电机驱动端轴向振动值小于1.0mm/s,叶片角度定位不良情况改善明显。
2.4 更换变频启动装置后振动分析
2号机组之前采用高压固态软启动装置启动,机组转动频率不可调节。受上游来水量不确定的影响,密云水库调蓄工程前六级泵站的输水量变化较大,即使水泵采用叶片调节的运行方式,叶片机构调节角度范围为-4°～+4°,而与之对应的流量调节范围为5.7～8.2m3/s,双机流量调节范围为11.4～16.4m3/s,不能满足8.2～11.4m3/s之间的流量调节区域要求,且机组在小角度运行时机组振动明显,桥体和建筑物有明显共振现象。机组运行切换频繁、振动大等问题给设备安全运行带来隐患。
2号机组安装ACS580MV变频调速器,频率设定为35～50Hz,对应的流量调节范围为4～8.2m3/s,拓宽了机组的工作范围,减少了切换机组的频次[9]。设备试运行中,变频器运行良好,主机组各项工况数据良好。电机驱动端轴向振动最大值小于0.9mm/s,持续时间很短,并且只出现1次,其余时间轴向振动值均小于0.5mm/s,趋势波动幅度很小,已经不足以引起桥体和建筑物较明显的振动。机组各测点振动值均在良好区间,电机轴向振动速度值和对应桥面振动烈度较小(见图9和图10)。机组启停过程中振动现象得到明显抑制。
通过泵站在线监测系统和交通桥桥体、机组稳定性试验数据分析可以得出以下结论:
a.2017年9月20日检修前,2号机组电机推力轴承有磨损,泵叶片角度定位不良。因2号泵叶片松动导致机组轴向振动过大,是引起桥面竖向振动的关键因素之一。
图9 桥体轴向振动频谱图
图10 2号机组电机驱动端轴向振动频谱图(三)
b.2017年10月11日检修后,2号泵叶片角度定位不良现象有所好转,但并未彻底根除。
c.2017年11月15日2号机组更换内置式液压叶片调节机构后,泵电机驱动端轴向振动值小于1.0mm/s,叶片角度定位不良情况改善明显。
d.2018年6月15日2号机组安装变频调速器后,电机轴向振动速度值和对应桥面振动烈度较小,已经不足以引起桥体和建筑物较明显的振动。
通过对振动和摆度数据的在线监测,可以及时地发现设备的潜在隐患,通过机组与桥体建筑物振动试验,找到了桥体建筑物振动的根本原因。证明在线监测系统可以起到实时监测设备运行状态,提供故障诊断依据的作用。今后要考虑增加更多参数的监测,找到精准的故障点,智能化分析故障原因,为设备高效率维修决策提供依据,减少非计划停机,降低维护成本,推进智慧化泵站建设[10]。
振动分析结果以及多年来的运行情况表明,采用机组检修、液压式调节机构和变频调节装置等措施对泵站机组及建筑物的振动情况的缓解均有一定效果。设备故障率降低,通过多机组、多工况优化调度,保证了机组在较大工作范围内的平稳运行,顺利完成了历年的调水任务。
泵站机组振动的改善还需要进一步的探索和研究,综合考虑经济、安全、效率等多方面因素寻求最优的解决方案。同时根据立式泵电机承重基础特性,考虑采取一定加固措施改变该横梁的固有频率,以彻底消除建筑物共振。
猜你喜欢 桥体摆度泵站 计算轴线摆度的公式法水电站机电技术(2023年10期)2023-11-16基于MVMD与CMSE的水电机组摆度信号消噪方法大电机技术(2022年2期)2022-06-05张家边涌泵站建设难点及技术创新实践湖南水利水电(2021年6期)2022-01-18基于虚拟样机技术的叉车转向桥动静态特性分析*机械研究与应用(2020年1期)2020-03-252016年河南省己建成泵站数量河南水利年鉴(2017年0期)2017-05-19全省已建成泵站数量河南水利年鉴(2016年0期)2016-08-03河南省2014年已建成泵站数量河南水利年鉴(2015年0期)2015-08-16综合平衡法在处理水轮发电机组振动摆度时的应用水电站机电技术(2014年6期)2014-09-26江垭水电站3#机组振动摆度偏大问题处理湖南水利水电(2014年2期)2014-02-27固定桥桥体龈端形态对牙周组织影响的临床研究首都医科大学学报(2013年3期)2013-09-05