第9卷第4期 201 3年10月 沈阳工程学院学报(自然科学版) Journal of Shenyang Institute of Engineering(Natural Science) V01.9 No.4 Oct.2013 火电厂给水泵振动原因分析及处理 刘亚昆 ,吴兴伟 (沈阳工程学院a.研究生部.b学报编辑部,沈阳110136) 摘要:针对火电厂给水泵振动的问题,根据不同的振动特征,从给水泵的转子失衡和转子不对中、给水泵的动静配合 不当、支撑系统的故障、油膜振荡、流体的流动异常和原动机的故障6个方面论述了给水泵振动故障产生的原因,同时介 绍了给水泵振动故障的常用监测手段和诊断方法,并对其处理方式做了简单概括.实践表明:所介绍的方法能及时发现 给水泵的异常状态,并能正确、有效地做出判断,预防和消除故障,或者将故障的危害性降到最低程度. 关键词:火电厂;给水泵;振动原因;分析;处理 中图分类号:TH3l1 文献标识码:A 文章编号:1673—1603(2013)04—0337—05 1给水泵振动产生的原因 振动是转动机械在运行中的常见故障,幅度很小 的振动不会影响其正常运行,但是幅度较大的振动在 泵振动产生的原因. 1.1转子失衡和转子不对中 1.1.1转子失衡 因转子失衡而引起的振动在临界转速以下振幅随 严重时会影响整个机组的正常运行.作为电厂的心脏, 给水泵的振动是个不容忽视的问题.随着大容量、高参 数机组的快速发展,给水的振动问题变得尤为突出. 电厂给水泵的振动有多种特征,既有具有谐波、次 着转速的增加而增加,临界转速以上转速增加时振幅 趋于一个较小的稳定值,接近临界转速时发生共振,并 且振幅具有最大峰值 . 其振动机理为:给水泵转子的各个横截面的质心 谐波、低频、工频、高倍频等频率特征的振动,还有与频 率无关的振动;振动方向有径向振动、水平振动、垂直 振动、轴向振动等横振以及扭振;振动诱因有自由振 动、受迫振动、自激振动、随机振动以及共振;振动发生 时的最直观的表现是轴心轨迹发生变化 . 连线与各截面的几何中心的连线不重合使转子在旋转 时各截面的离心力构成一个空间连续力系,造成转子 的挠度曲线为一连续的三维曲线.在高转速下,即使数 量很小的质量偏心也会产生很大的离心力.这个空间 离心力系和转子的挠度曲线是旋转的,其旋转的速度 与转子的转速相同,从而使转子产生工频振动.给水泵 在运行过程中叶轮叶片的腐蚀和磨损、轴与密封圈局 在给水泵的振动故障中,因转子失衡和转子不对 中引起的振动的特征非常相似,其振动的波形为正弦 波,轴心轨迹为椭圆形,振动频率为工频或高倍频,振 动幅值和相位稳定,振动不随电流参数和机组负荷的 变化而变化,而是与给水泵的转速相关.还有一类振动 部摩擦产生的高温导致轴弯曲、叶轮上平衡块的位移 或者重量不对、检修后未重新找动平衡等均会导致转 子失衡 . 的振动频率不随转速的变化而变化始终为固有频率, 振动的工频分量幅值减小,低频分量幅值成为主要频 率成分,振动具有幅值大和突发性双重特性.引起此类 故障的原因主要是支撑系统的故障、油膜振荡、流体流 动异常等. 在给水泵内部,存在着机械和水力产生的动态力, 因此大量的振动不可避免.由于给水泵振动的诱因复 1.1.2转子中心不对中 发生转子中心不对中时轴承油膜压力反向变化, 转子轴向振动或径向振动的较大频率分别为1倍频和 2倍频,并且有联轴器偏转、油膜失稳、轴承损坏、轴弯 曲变形,振幅随给水泵轴与原动机轴的偏心距大小变 化而变. 给水泵转子中心不对中产生的原因不是制造误差 杂,现就从给水泵的振动特征出发分类介绍电厂给水 收稿日期:2013—03—11 就是安装误差,或者是由于运行条件不佳造成的,运行 作者简介:刘亚昆(1989一),男,河北高邑人,硕士研究生 沈阳工程学院学报(自然科学版) 第9卷 条件包括受热不均、部件的热膨胀和扭曲、磨损以及挠 性的影响等多种情况.总的来说不对中的最终结果是 在联轴器产生附加弯矩,由此可以看出联轴器的选择 很重要. 1.2给水泵的动静配合不当 转子与静止部件之间因间隙消失而发生动静碰磨 是转动机械的常见故障之一,在给水泵的振动故障中 有一类是由于动静部分配合不当而引起的. 给水泵此种振动的主频仍为工频,但振动信号中 出现削波现象,振动的幅值和相位都具有波动特性,严 重时会使振幅急剧增大,振动波动的持续时间长,并且 在降速过临界转速时的振动一般较正常升速时大,宏 观表现为功耗上升但功率下降. 发生动静碰磨时会有碰撞、摩擦以及转子刚度变 化3种效应.碰撞能改变转子的振动状态、限制转子的 运动,同时会在转子上生成较大的法向力和切向力.摩 擦使给水泵的零部件磨损产生局部过热,进而使转子 产生热弯曲,并产生切向的附加扭矩使转子产生扭转 振动,这两项都会导致给水泵转子边界条件的变化,从 而影响转子的刚度、固有频率,进而导致轴系的不稳 定,发生自激振动. 1.3支撑系统的故障 电厂给水泵的支撑系统通常有轴承座、基础底座、 台板等,这一系统的状态是否良好关系到给水泵的安 全运行.支撑系统的故障一般包括刚度不足、基础不良 等,这些都会引起微小振动,当微小振动的固有频率与 某些不平衡激振力频率重合时就会产生共振,从而强 化了给水泵的振动,造成更大的损失. 影响支撑系统刚度的因素主要有连接刚度和结构 刚度,这里的刚度不足一般指前者.连接刚度反映了2 个部件之间的连接情况,在大多数情况下是轴承座与 台板之间的连接刚度.轴承座的连接刚度可以通过外 部特性试验获得,既在稳定条件下测量轴承座上各个 测点的振动幅值.刚度良好的轴承座在高度差为 lOOmm以内的同一轴向位置上的振动幅值差在5 m 以内,当不满足这一条件时就可以判定轴承座的刚度 不足.基础不良是在给水泵的基础混凝土底座不坚实 时,引起基础下沉和地脚螺栓松动,使基础的固有频率 与某些激振力频率重合产生共振,并且伴有转子不对 中的发生. 1.4油膜振荡 油膜振荡是采用油润滑滑动轴承支承方式的大型 转动机械的转轴在轴承中发生的一种自激振动.正常 工作时轴在油膜中旋转时承载其转动的量有两个,既 速度和压力.压力是轴承承载能力的关键,压力在很小 时轴承仅能承受轻载.当压力量消失时轴承就不能承 担起承载作用了,此时单独的速度量会造成大量的流 体流入从而抬高了轴心以便为其提供更多的空间.由 于大量润滑油的连续抬升作用会导致轴心围绕轴承的 中心发生涡动,当涡动达到平衡时其频率恰好是转动 频率的一半,此时的涡动一般并不剧烈,当转轴转速升 高到比第一临界转速的2倍稍高后,半速涡动的涡动 速度与转轴的第一阶临界转速相合即产生共振,表现 为强烈的振动现象,这便为油膜振荡 .油膜振荡一 旦发生就将始终保持转子一阶临界转速的涡动频率, 不再随转速的升高而升高. 当给水泵转子正向涡动,轴心轨迹呈花瓣形,轴瓦 内压力有较大波动时就是因为发生了油膜振荡. 1.5流体流动异常 由于给水泵是将原动机的机械能转换为被输送流 体机械能的流体机械,所以在其运行中必然有由于给 水泵内或管路系统中的流体流动不正常而引起的振 动. 水力振动主要是由于给水泵内或管路系统中流体 流动不正常而引起的振动,既与泵及管路系统的设计、 制造优劣有关,也与运行状况有关,对于电厂常用给水 泵而言其主要原因有水力冲击和汽蚀2方面原因.若 各级动叶和导叶组装位置均在同一方向,则各级叶轮 叶片的水力冲击便会通过导叶叠加引起更大强度的振 动.当振动的频率与泵体本身或管路的固有频率相重 合时便会产生共振.由于汽蚀过程本身就是一种反复 冲击、凝结的过程,会有很大的脉动力产生.当脉动力 的频率与其他频率的振动相重合时便会形成共振产生 更大强度的振动,振动又会导致更多的汽蚀现象的发 生. 给水泵在某些工况下运行时,叶轮内会产生1个 到数个的旋转脱流区,叶片在经过这些区域时会受到 交变应力的作用使叶片产生疲劳损伤,在所受交变应 力的频率接近叶片的固有频率或其整数倍时便会产生 共振. 在给水泵的故障中有一类是具有驼峰曲线的给水 泵在大容量管路系统中运行在不稳定区域时,其流量、 能头和轴功率会在瞬间发生很大的周期性波动,造成 剧烈的振动和噪声.如果这种循环频率与给水泵及其 管路系统的故有频率合拍,将引起共振. 第4期 刘亚昆,等:火电厂给水泵振动原因分析及处理 ・339- 1.6原动机的故障 驱动给水泵运转的原动机也是转动机械,也有可 能产生故障或者振动,从而引起或者带动给水泵振 动 6]. 2给水泵振动故障的监测与诊断 前面分析了电厂给水泵振动的一些特征、原因及 一些处理和预防措施,而在实际生产过程中是不允许 故障发生的,这就要求运行人员及时地掌握设备的运 行状态,以便能够准确预测并作出预防措施. 2.1振动的监测与分析 给水泵振动故障监测系统有在线监测系统、离线 监测系统和远程监测系统.给水泵振动故障的监测与 诊断的主要问题是选择和安装合适的传感器来获取转 子以及其他设备在生产和振动过程中的数据,主要有 总体振动的大小、振动频率、时域波形、轴心轨迹、相位 等,对这些振动信号进行分析后便可以确定振动的程 度、性质、原因、以及转子的状况. 振动信号反映了给水泵的机械及运行的状态,既 能体现出转子、轴承、联轴器、支撑系统、管路等机械部 件在运行中的状态信息,又包含了转速、流量、进出口 压力、油温等影响运行状态的信息. 对振动信号进行分析时,由于振动最显著的变化 为振动频率的变化,这就使得频率分析成为一种最重 要的分析方法.相位分析可以量化2个信号之间的时 间差;轨迹分析能提供轴承的预负荷,及转子的涡动频 率以及进动方向,并显示出轴颈在轴承中的位移;对变 转速及变频率进行分析可以得到自振频率、临界转速、 阻尼以及与诊断有关的转子弯曲、裂纹等信息.振动信 号异常的最直观的表现为相关图形的变化,如波德图、 极坐标图、瀑布图等.对振动信号进行监测,可以对转 动机械大部分的故障进行准确的诊断,如转子失衡、动 静配合不当、支撑系统的故障、油膜振荡、流体流动异 常、转子中心不对中等 。。 . 2.2给水泵振动故障诊断技术 电厂给水泵振动故障的诊断过程分为3步:首先 是提取给水泵的振动特征信号,然后从特征信号中提 取出征兆,最后对征兆进行分析并识别系统的状态.给 水泵振动诊断方法分为常规方法和智能诊断方法 2.2.1常规方法 给水泵振动故障诊断的常规方法有谱分析法、时 间序列分析法、参数分析法.谱分析法的信号特征量一 般选为各种谱的特征、幅值及相位,这种方法在理论和 实际应用中都比较成熟,但难以确定机械设备的总体 状态,对于振动故障的识别很大程度上依赖于经验.时 间序列分析法是以振动信号时序模型的参数为特征量 来进行故障判别的,能直接从响应信号识别故障.参数 分析法是利用系统的固有频率阻尼和振型这些模态参 数的变化来识别影响系统动力特性的故障. 这3种常规方法有各自的特点和最佳的适用范 围,在理论研究时是分开进行的,但是在情况比较复杂 的实际操作过程中往往需要将三者联合起来进行分 析,这是很难做到的. 2.2.2智能诊断方法 随着计算机技术的发展,给水泵振动故障诊断技 术进入到以知识处理为核心,信号处理相融合的智能 诊断阶段.相对于常规方法,智能故障诊断模型不需要 精确的数学模型,并具有一定智能性.智能故障诊断领 域中研究和应用较多的有灰色诊断技术、模糊诊断技 术、粗糙理论、人工神经网络、支持向量机、专家系统、 小波分析、人工免疫、证据理论等¨卜H J. 1)灰色系统理论把未知的、非确知的信息称为黑 色的;已知的信息称为白色的;既含有未知信息又含有 已知信息的系统,称为灰色系统.灰色诊断技术是利用 灰色系统理论的灰色数概念及关联度分析原理,解决 含有未知信息及不确定问题的给水泵振动故障诊断问 题.这是振动故障诊断的初级阶段,有其缺点及局限 性,如关联度的分辨率尚待提高,且结论不够直观. 2)模糊诊断技术是模仿人脑的不确定性概念判 断、推理思维方式,利用模糊集合论中的隶属函数关系 矩阵,把设备状态监测所得信息作为判断机器运行状 态的特征,对复杂大系统作定性分析,用以解决随机意 义下和系统内涵与外延上的不确定性、故障的早期预 报及精密诊断问题.在火电厂给水泵振动故障诊断中, 振动故障与振动故障特征之间的关系很难用精确的模 型来描述,同时一些振动特征带有不同程度的模糊性, 因此应用此理论比较有优势.模糊故障诊断主要包括 模糊模式识别、模糊综合评判方法和模糊聚类分析等. 但存在模糊关系较难确定、模糊数(隶属度)转换以及 模糊诊断知识获取困难等技术难点. 3)粗糙集理论的主要思想是,在保持分类能力不 变的前提下,通过知识约简,导出问题的决策或分类规 则.它无需提供问题所需处理的数据集合之外的任何 先验信息,能有效地分析和处理不精确、不一致、不完 整等各种不完备数据,从中发现隐含知识,揭示潜在规 律.粗糙集理论能够有效地处理振动故障诊断中的不 沈阳工程学院学报(自然科学版) 第9卷 确定和不精确知识表达,在保留信息的前提下进行数 据化简、近似模式分类、识别并评估数据之间的依赖关 系.这样就大大简化了振动故障特征量输入的维数,提 高了故障诊断的运算效率. 4)基于人工神经网络的诊断方法以其联想、自学 习、自组织等能力和极强的非线性映射能力渗透到了 科学技术的各个领域,为人工智能系统的研究开辟了 一条新的途径.在神经网络中,代表性的网络模型有感 知器、多层映射BP网络、径向基函数神经(RBF)网 络、双向联想记忆(BAM)、Hopfield模型等,其中BP 和RBF网络是振动故障诊断中应用比较广泛的模型. 在函数逼近能力、分类和学习速度方面,RBF网络均 优于传统的BP神经网络.研究证明,将自回归模型、 小波、EMD等得到的给水泵振动故障特征参数作为 RBF网络输入特征向量,可以有效地对给水泵振动故 障进行诊断.虽然神经网络在振动故障诊断领域里显 示出了极大的应用潜力,但是存在局部极小点、过学 习、欠学习等问题. 5)支持向量机是基于统计学理论的支持向量机 (SVM)的研究,目前已逐渐成为机器学习领域中的一 个重要的方向.SVM分类器特别适合故障样本数据有 限的故障识别,得到现有信息下的全局最优解,克服了 在神经网络方法中无法避免的局部极值问题.另外. SVM的分类决策过程计算量比神经网络分类器小,速 度比较快,具有在线故障诊断的应用潜力.SVM的优 良性能主要来自核函数,所以核函数的研究也是相关 领域的研究热点.尽管SVM具有很多优点,但也存在 算法的复杂度较高,知识表示形式单一等不足. 6)专家系统拥有领域内大量专家水平的知识,能 够利用专家的知识和方法来处理该领域问题,通常由 人机交互界面、知识库、推理机、解释器、综合数据库、 知识获取6个部分构成.振动故障诊断专家系统是目 前研究最多应用最广的一类智能诊断技术.主要用于 那些没有精确数学模型或很难建立数学模型的复杂状 况.振动故障诊断专家系统,具有多台机组、多种不同 性质振动信号的诊断知识库,能在线、离线智能诊断多 台给水泵常见的多种振动故障.但是构造专家系统时 需要比较长的时间来获取知识,这也是专家系统的不 足之处. 7)基于小波变换的并发故障诊断方法是一种很 好的信号分析方法,它是在傅里叶变换的基础上得到 的,是对时间或是空间频率的局部化分析,它通过伸缩 平移运算对信号逐步进行多尺度细化,能自动适应时 频信号分析的要求,从而可聚焦到信号的任意细节,从 而可以很好地在信号中提取故障信号特征. 8)人工免疫在故障诊断中主要应用其免疫学习 机理、免疫遗传算法、免疫优化算法、阴性选择算法、克 隆选择算法、人工免疫算法等来解决故障诊断问题.如 遗传算法是模拟自然选择和生物进化过程的运算模 型,遗传算法具有智能式搜索、渐进式优化、可以跳出 局部最优而搜索全局最优解的并行运算的特点,所以 它的主要作用是用于参数优化. 9)证据理论通过证据合成规则,可以融合从多个 证据体获得的证据.它以其在不确定性的表示、量测和 组合方面的优势在故障诊断和数据融合方面受到国内 外学者的普遍关注.证据理论的核心就是Dempster组 合规则,它将不同来源的证据分配以不同的概率分配 函数,根据证据理论的组合规则将一系列证据信息进 行数据融合,并进行综合评价,最终得到比较精确的诊 断结果. 3 处理方式 给水泵振动剧烈,超越报警值时,必须对其进行处 理.首先进行频谱分析,确定故障原因,及时进行故障 处理.同时还应该做好日常维护工作 . 1)为保证转子质量平衡,电厂给水泵在安装调试 前必须进行动、静平衡试验,调整转子质心位置,使不 平衡力减小到能够满足稳定运行为止.在运行时出现 不平衡,可以进行现场动平衡. 2)转子不对中的预防措施为在给水泵安装或检 修后找对中心,暖泵时应充分暖泵避免因温差从而使 泵体变形、中心不正,合理设计管路不应让管路的本身 重量或膨胀推力使轴心错位. 3)当振动是由于给水泵的动静部分配合不当引 起时,应查看泵体是否变形或者泵轴是否弯曲,如果是 因为摩擦而产生的振动应采取扩大动静间隙的方法减 小摩擦,在运行时尽量减少外界对给水泵的扰动,也可 以随着振动的变化调整轴颈的中心位置.值得注意的 是发生此类故障时往往伴有转子不平衡和不对中故障 的发生,某些情况下轴向推力也会发生明显变化,故在 处理此类故障时应考虑多种因素,综合治理,从而减少 不必要的损失. 4)支撑系统的故障最好的处理方式是提高轴承 座的刚度,加固基础,紧固地脚螺栓. 5)从油膜振荡的产生机理可知,可以通过提高转 子的临界转速来有效避免油膜振荡的发生.但是对于 第4期 刘亚昆,等:火电厂给水泵振动原因分析及处理 失的发生. ・341・ 已经投人使用的给水泵可以从减小外界干扰和提高轴 系失稳转速2个方向去降低油膜振荡的发生几率.采 取的措施有:通过使用反涡旋技术来干扰圆周方向的 油流;可以使转子在较大偏心率下运行来抵消涡动;增 加油膜压力提高比压进而增进转子的稳定性;更换轴 承的型式即通过改变轴承的几何形状来干扰涡动的形 成;增加油温,降低油的粘度可以很好地消除失稳. 参考文献 [1]安连锁,吕玉坤.泵与风机[M].北京:中国电力出版社, 2008. 6)发生水力振动时常常会伴随水流声音的变化, 其防止措施为:适当增加叶轮与导叶或泵壳与蜗舌之 间的距离,或者变更流道的线型以减小冲击和振幅;安 装时将各级的动叶出口边相对于导叶头部按一定节距 错开,避免相互重叠从而弱化水力冲击的叠加;为了降 低汽蚀的发生概率,多级泵的首级叶轮可采用双吸式、 加装诱导轮、采用双重翼叶轮等,还可以通过减少管路 的阻力损失、合理选择泵的几何安装高度、设置前置泵 等. 7)对于流体流动异常的另外两方面因素的最好 预防措施就是选用性能优良的给水泵,掌握好给水泵 的运行特性,避免其在不稳定工况下运行. [2]闻邦椿,顾家柳,夏松波,等.高等转子动力学:理论、技术 及应用[M].北京:机械工业出版社,1999. [3]杨建刚.旋转机械振动分析与工程应用[M].北京:中国 电力出版社,2007. [4]陆志厚.电站风机和水泵轴承振动与转子动平衡的相关 分析[J].电站辅机,2006,97(2):18—23. [5]Rao JS.History of Rotating Mac ̄nery Dynamics[M].北 京:机械工业出版社,2012. [6]师顺势.电机振动故障分析[J].设备管理与维修,1998, (1O):16—17. [7]安连锁,王松岭,侯军虎,等.电站锅炉给水泵振动机理及 振动监测中的分频段控制技术[J].流体机械,2000,28 (11):19—21. [8]杨绍宇,刘晓锋,童小忠,等.大型锅炉高能给水泵振动故 障分析与诊断方法[J].汽轮机技术,2006,48(3):230— 232. 4 结 语 分析电厂给水泵振动故障的目的就是为了掌握事 故机理、找出故障的原因、确定事故的严重程度.利用 高效监测手段,从电厂给水泵振动故障的特征出发,可 以快速、准确地确定故障原因和发生位置.在此基础上 改善设备条件、优化运行手段,以便及时、正确地预防 和识别系统的故障,尽可能地避免安全事故和经济损 [9]刘吉祥.锅炉给水泵状态监测的试验研究[D].华北:华 北电力大学,2004. [10]梁双印,柳亦兵,张志明,等.大机组锅炉给水泵振动监测 分析[J].中国电力2001,34(5):1—3. [11]张倩,张志新,王亮,等.基于振动测试的滚动轴承故 障诊断技术进展[J].风机技术,2012,(1):67—70,78. [12]汪光阳,周义莲.风机振动故障诊断综述[J].安徽工业大 学学报:自然科学版,2006,23(1):64—68. [13]王奉涛,马孝江,邹岩琨,等.智能故障诊断技术综述[J]. 机床与液压,2003,(4):6—8. [14]丁平平.智能诊断在旋转机械故障研究中的应用[J].广 州化工,2012,40(7):50—52. [15]黄生琪,周菊华.常见旋转机械振动故障的分析处理和预 防[J].电站辅机,2005,93(2):21—23. Vibration cause analysis and treatment to the feed-water pump of boiler LIU Ya-kun .WU Xing-wei (a.School of Energy and Power,b.Journal Editorial Department,Shenyang Institute of Engineering,Shenyang 1 10136) Abstract:Feed—water pump in power plant can be the heart of the human body to maintain the normal operation of the system.In running process,the vibration produced by pump failure will lead to shutdown,which causes severely direct or indirect damage.This article starts with pump vibration characteristics in thermal power plants,which are mainly caused by six aspects such as the feed pump rotor unbalance and misalignment,feed pump rotating and the stationary parts mis—match,supporting system failures,oil whip,fluid flow abnormaliies and prtime mover failure to pump.The article also briefly introduces and summarizes the common methods of monitoring and diagnosing pump vibration fault so that people can easily detect the abnormal status of the feed pump,and thus be able to make judgments correctly and effectively to prevent or eliminate the fault and minimize the risk of pump failure. Key words:Thermal power plant;Feed—water pump;Vibration;Analysis;Treatment (责任编辑佟金锴)