陈超
核工业工程研究设计有限公司 北京 101300
摘要：国内某电厂机组调试和运行期间，冷却水泵配套电机出现振动超标问题，现场难以调整到合格水平。通过现场验证试验，确定了电机振动超标的原因为泵入口的流体激振、拍振和电机非驱动端刚度低等。针对此情况进行了改进，降低了该类电机的振动水平。
关键词：电机；振动超标；流体激振；拍振；刚度
1.背景
某电厂冷却水系统的功能是为汽机厂房闭式冷却水系统和冷凝器真空系统的冷却器提供过滤的冷却水，其上游水源来自海水循环水系统。每台机组的辅助冷却水系统由4台容量为50%的增压泵组成，其中3号泵和4号泵为A列，1号泵和2号泵为B列。正常情况下，每列各有1台泵运行，余下1台处于备用状态。海水循环水1号泵供给辅助冷却水A列，2号泵供给B列。
冷却水泵为立式、单极、单吸混流泵，电机转速为740 r/min。自机组调试开始，该电厂冷却水系统的电机频繁振动超标。前期在未改变设备本身结构的情况下进行了诸多检修工作，均未能有效改善设备振动情况。为确定振动原因，先后开展了一系列根本原因验证试验，同时结合该电厂设备的现场实际情况，制定了电机振动超标的处理方案。
2.历史处理措施及经验反馈
2.1.常规处理措施
针对冷却水系统电机振动超标的情况，前期处理中先后进行了对中调整、电机和泵固定螺栓力矩调整、充水排气和加注润滑脂等常规操作，效果均不明显。
2.2.停机检修期间处理措施
机组在停机检修期间开展了一系列试验，包括调节泵出口膨胀节的螺杆螺栓、验证旁路阀对振动的影响、改变泵运行流量等试验，效果均不明显。
2.3.动平衡试验
同类型电厂冷却水泵电机非驱动端振动也存在超标问题，最初实施加油脂、紧固电机螺栓等方法，电机振动情况无明显改变。最后通过动平衡试验将振幅降低至合理范围。
根据同类型电厂的经验，该电厂分别对冷却水泵进行了动平衡试验。动平衡试验后，振动有所降低，但随着运行时间持续，振幅值逐步升高，回到甚至超过动平衡试验前振动值。且试验前后的振动相位极不稳定，说明设备振幅高的原因并不是单一的质量不平衡。通过动平衡试验非但不能解决根本问题，反而可能会引入外加的不平衡量。此外，在动平衡试验期间，在设备未启动情况下，静态时的电机非驱动端振幅便已很高，且伴有较大的波动，单泵的振动幅值受到其他辅助冷却水泵运行工况的影响。
3.根本原因分析和验证试验
根据历次处理过程中的现象和结论，制定了查找振动超标根本原因的一系列验证试验，逐一验证和排查，最终锁定了振动的根本原因，并制定了可行的处理方案。
3.1.泵出口母管管道振动传递验证试验
对冷却水出口管道测量试验，以从侧面验证泵出口管道振动传递的可能性。试验期间保持冷却水系统4台泵均处于停运状态，4台泵的入口阀处于全开状态，开启3号和4号泵的出口阀，关闭1号和2号泵的出口阀，并进行震动测量。
试验结果显示，冷却水系统母管振幅较高，泵出口膨胀节前后振幅差异明显，证明膨胀节具有一定的隔震效果。母管振动传递至泵出口造成泵电机侧振动超标的可能性较小。
3.2.泵入口流体激振验证试验
对冷却水泵入口处流体激振验证试验，模拟出、入口阀的开、关组合及单、双泵运行的组合试验。试验现象如下：
?泵静止状态和运行状态，振动大的方向会发生改变；
?泵入口阀均开启时，泵静止状态的振动幅值较运行状态时偏大；
?系统振动存在不稳定性，在不同的时间测量相同的工况，结果往往存在较大差异；
?泵运行和静止时，振动状态不同，相位值不稳定，振动具有非定向性特征。
上述现象说明，泵入口侧存在明显的水力激振情况，电机非驱动端振幅高的主要原因源自泵入口的流体冲击。
3.3.拍振验证试验
在冷却水泵入口阀开启、泵停运的情况下，对冷却水系统各电机和泵进行频谱测量，结果显示电机振动频率与上游海水循环水系统流体激振频率相近，且与冷却水泵的转动频率也相近，容易产生拍振。
在冷却水泵运行工况下，通过高分辨率频谱和时域波形特征，捕捉到了设备的拍振现象，验证了拍振是导致设备振动大范围波动的直接因素。
流体激振引起拍振可采用消除振源或频率避开的方法处理。流体激振引起拍振的问题一般常见于电厂有压输水的系统中，为系统中可压缩水体所发生的流量变幅较小、压力变幅较大、频率较高的周期性振荡。有压输水系统的流体激振主要通过在主流道上增加盲管或蓄能器的方法来解决。
该电厂冷却水泵从海水循环水系统取水的方式恰好在主流道的盲管上取水，主流道为单一管径，降低流体激振效果有限，无法实现串联盲管或带连接管的蓄能器等方式，因此消除振源和频率避开的改造均有技术难度。
3.4.结论
根据冷却水系统历史处理情况、验证试验及经验反馈，可得出以下结论：
（1）电机振动超标的根本原因：
?泵入口不稳定性的流体激振冲击是造成电机非驱动端侧振动超标的主导因素；
?流体激振频率与冷却水泵电机自身频率相近引起拍振加剧振动；
（2）入口阀门的开、关组合在一定程度上会影响系统内部流体的运行状态，进而影响设备的振动情况。
上述原因是引起电机振动超标的根本原因，但改造实施难度较大。根据经验，立式泵电机支架刚性不足往往会提高电机振动水平，可以考虑加强电机支架刚性来降低振动。
4.支架换型实施和验证
4.1.新支架方案计算分析
根据上述分析结论，并结合该电厂机组设备的实际情况，本着先易后难的处理原则，决定开展较为容易实施的电机和泵连接支架换型工作。
与原支架相比，新支架改进如下：
?加厚支架上、下两端法兰面的厚度；
?减少视窗窗口面积；
?增大支架各肋板角度夹角和肋板厚度。
通过模态分析对比冷却水泵电机原支架与新支架的刚性。经ANSYS计算，得出冷却水泵电机新支架前6阶自振频率比原支架有明显提升，新支架刚性更好。且新支架所承受的应力低于原支架，远小于支架材料许用应力，满足要求，新支架刚性比原支架也有明显提升。
4.2.现场验证试验
对冷却水泵电机支架进行更换后，为验证新支架的稳定性，保持泵运行，对电机进行趋势监测，振动明星降低。在电机非驱动端增加柔性减震材料后，振动进一步降低。经长期监测，改造后，振动值未见增长趋势，一直处于合理范围。
由此可得出以下结论：
?加强水泵电机支架刚性，可以降低电机非驱动端振动；
?在电机非驱动端侧增加减震材料，可进一步降低设备的振动；
?在不对系统设备进行较大改造的前提下，利用该方法可进一步经济、便捷、有效地降低立式电机的振动。
5.结束语
高度较高的立式电机往往存在非驱动端约束力较小、刚性不足的特征，当振动超标时很难通过常规措施进行处理。本文通过大量的现场试验对电厂冷却水系统电机振动超标的原因进行详细分析，最终确定设备振动超标是流体激振、拍振、刚度低三者综合叠加所致，并针对此问题进行了较为经济、有效、便捷的改造，效果明显。该问题的处理过程和改造措施可为同类电厂解决类似问题提供参考。
参考文献
[1] ESHLEMAN R L. Machinery vibration analysis [M]. Vibration Insititute，2008：195-203.
[2] 黄志坚，高立新，廖一凡，等. 机械设备振动故障监测与诊断[M]. 北京：化学工业出版社，2010：285-292.