火電廠鍋爐給水泵電機(jī)振動(dòng)故障原因分析
1 前言
某發(fā)電公司一臺(tái)300MW機(jī)組的鍋爐給水泵，系沈陽(yáng)水泵廠生產(chǎn)的CHTC 516S-2型泵，流量：573m3/h，揚(yáng)程：2260m，額定最高轉(zhuǎn)速：5600r/min，配哈爾濱電機(jī)廠生產(chǎn)的YKS710-4型異步電動(dòng)機(jī)，額定功率：5500KW，額定電壓：6000V，額定電流：631A，額定轉(zhuǎn)速：1491r/min，設(shè)備允許振動(dòng)小于80mm。該給水泵組由給水泵、耦合器、電動(dòng)機(jī)、前置泵聯(lián)成軸系，具有轉(zhuǎn)速與流量可調(diào)功能，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如下：
圖1:某發(fā)電公司#1機(jī)300MW給水泵電動(dòng)機(jī)軸系簡(jiǎn)圖
該電動(dòng)機(jī)自2007年11月2日運(yùn)行中軸承振動(dòng)突然增大后，雖經(jīng)多次從機(jī)械方面：檢查對(duì)輪連接中心、軸瓦、端蓋支承剛度進(jìn)行調(diào)整處理，電動(dòng)機(jī)振動(dòng)仍然超標(biāo)。
2 設(shè)備振動(dòng)特點(diǎn)
2.1 試驗(yàn)工況
2.1.1 給水泵電動(dòng)機(jī)單轉(zhuǎn)試驗(yàn)：電動(dòng)機(jī)電流：180A，電動(dòng)機(jī)為定速1498 r/min。
2.1.2 給水泵變轉(zhuǎn)速（負(fù)荷）試驗(yàn)工況見(jiàn)表1。
表1. 給水泵變轉(zhuǎn)速試驗(yàn)工況
2.2 設(shè)備振動(dòng)概況
2.2.1 單轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)最大振動(dòng)15
m，測(cè)量振動(dòng)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。
2.2.2 振動(dòng)最大的測(cè)點(diǎn)在電動(dòng)機(jī)兩端軸承,相鄰的設(shè)備耦合器和前置泵軸承振動(dòng)均在30m以下；
[$page] 2.2.3 電動(dòng)機(jī)基礎(chǔ)振動(dòng)始終很小（10m左右）。
表2.某臺(tái)300MW機(jī)組#1C給水泵電動(dòng)機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)數(shù)據(jù) 單位：m∠°
注：振動(dòng)幅值單位：微米，振動(dòng)相位單位：度
2.2.4 在給水泵轉(zhuǎn)速升到5050r/min工況時(shí)，電動(dòng)機(jī)振動(dòng)顯著增大，電動(dòng)機(jī)內(nèi)部出現(xiàn)周期性異音，異音周期與振動(dòng)波動(dòng)周期同步。
2.2.5 現(xiàn)場(chǎng)記錄表明，隨著運(yùn)行時(shí)間增長(zhǎng)，電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流逐漸增大，見(jiàn)表3。
表3電動(dòng)機(jī)4次啟動(dòng)電流參數(shù)測(cè)量統(tǒng)計(jì)
2.3 振動(dòng)頻譜分析和相位特征
2.3.1 電動(dòng)機(jī)兩端軸承振動(dòng)以基頻為主，水平方向振動(dòng)存在一定量的2X分量。以泵轉(zhuǎn)速5050r/min工況下耦合器端軸承振動(dòng)為例：Σ：110～125m ，1X：44～70m ，2X：30m，垂直方向振動(dòng)幾乎沒(méi)有倍頻振動(dòng)分量。
2.3.2 軸承振動(dòng)幅值和相位不穩(wěn)定,有較大波動(dòng)量。特別是基頻振幅，最大波動(dòng)幅值47～90m；最大相位波動(dòng)量44°～153°。
2.3.3 隨著給水泵轉(zhuǎn)速增加電動(dòng)機(jī)耦合器端軸承振動(dòng)相位變化很大,垂直振動(dòng)由52m/214°變至92m/50°；水平振動(dòng)從23
height=11>m /140°變至88m/0°。
2.3.4 給水泵轉(zhuǎn)速升、降轉(zhuǎn)速至4500r/min工況下，振動(dòng)存在較大差別，以前置泵端軸承振動(dòng)為例：升速時(shí)42～55m/23°，降速時(shí)55～67m/84°。
3 振動(dòng)原因分析
3.1 查現(xiàn)場(chǎng)記錄發(fā)現(xiàn)在電動(dòng)機(jī)振動(dòng)增大時(shí)，相鄰的設(shè)備耦合器和前置泵振動(dòng)始終很小，可以確定為電動(dòng)機(jī)自身的設(shè)備缺陷；
3.2 電動(dòng)機(jī)基礎(chǔ)振動(dòng)不大，而且基本穩(wěn)定，可以排除電動(dòng)機(jī)支承因素影響振動(dòng)；
3.3 電動(dòng)機(jī)定子本體振幅小于軸承振幅，定子最大振幅不超過(guò)30m，振動(dòng)成分以基頻為主，可以排除電動(dòng)機(jī)定子因素；
3.4 鑒于電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為定速，電動(dòng)機(jī)單轉(zhuǎn)時(shí)振動(dòng)小于20m，可排除電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子不平衡因素；
3.5 唯獨(dú)不能排除電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子電氣方面的故障。在給水泵升、降轉(zhuǎn)速4500r/min工況下，振動(dòng)存在較大差別，表明電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子隨著工作電流與功率參數(shù)，存在逐漸惡化現(xiàn)象。
4 電動(dòng)機(jī)檢查
[$page] 根據(jù)以上分析，決定對(duì)電動(dòng)機(jī)解體檢查，轉(zhuǎn)子抽出后發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子耦合器端存在局部過(guò)熱現(xiàn)象（圖2），耦合器端綁扎端部籠條玻璃絲布有鼓包現(xiàn)象，打開(kāi)玻璃絲布再進(jìn)一步檢查。發(fā)現(xiàn)耦合器端47根籠條中就有32根斷裂或脫焊（圖3），前置泵端也有20多根斷裂。
圖2 轉(zhuǎn)子出現(xiàn)局部過(guò)熱現(xiàn)象
圖3 籠條斷裂或脫焊
5 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子鼠籠斷條故障振動(dòng)機(jī)理
一般三相異步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流是額定空載電流的5～10倍，考慮到該三相異步電動(dòng)機(jī)為鼠籠結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。其額定工作電流631A，電動(dòng)機(jī)單轉(zhuǎn)工作電流180A，泵組啟動(dòng)電流由908.8A升至2316A。當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子籠條反復(fù)承受啟動(dòng)電流瞬間過(guò)載力矩沖擊，極容易疲勞斷裂。一旦出現(xiàn)某根斷條現(xiàn)象，將導(dǎo)致轉(zhuǎn)子出現(xiàn)電流短路環(huán)，一是電磁力的不對(duì)稱，二是斷裂處發(fā)熱轉(zhuǎn)子產(chǎn)生熱變形。加劇故障惡化與衍深。由于電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的熱變形引起的撓度變化可近似由下式計(jì)算
式中：L－轉(zhuǎn)子本體長(zhǎng)度，mm;
α－金屬的線脹系數(shù)，約為
－轉(zhuǎn)子截面的溫差, ℃
－軸的撓曲半徑, mm
d 轉(zhuǎn)子本體部分的直徑，mm。
用上面公式計(jì)算轉(zhuǎn)子表面溫度差1℃，該電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子將產(chǎn)生熱撓曲約0.01 mm，如果依據(jù)溫差大于3℃，計(jì)算不平衡離心力約為轉(zhuǎn)子重量的10％，轉(zhuǎn)子重量按1000kg計(jì)算，就產(chǎn)生100kg不平衡離心力。
根據(jù)上面公式，斷條后在斷裂處發(fā)熱引起溫差,就會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)子熱彎曲與熱不平衡，影響設(shè)備振動(dòng)。
6 結(jié)束語(yǔ)
該給水泵電機(jī)振動(dòng)原因是轉(zhuǎn)子籠條斷裂引起。當(dāng)轉(zhuǎn)子存在斷條故障缺陷時(shí)，一是電動(dòng)機(jī)振動(dòng)逐漸惡化；二是電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流增大；三是隨泵組轉(zhuǎn)速或電動(dòng)機(jī)功率增加而明顯加劇振動(dòng)超標(biāo)現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)發(fā)生異音故障。
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