技術(shù)供水管路伸縮節(jié)在蓄能電站的實(shí)際應(yīng)用

陳 波，趙一煒，李甲駿，盧 彬，祁亞靜

（河北張河灣蓄能發(fā)電有限責(zé)任公司，河北 石家莊 050300）

技術(shù)供水管路伸縮節(jié)在蓄能電站的實(shí)際應(yīng)用

陳 波，趙一煒，李甲駿，盧 彬，祁亞靜

（河北張河灣蓄能發(fā)電有限責(zé)任公司，河北 石家莊 050300）

張河灣抽水蓄能電站1號(hào)機(jī)組技術(shù)供水在管路改造過程中，將技術(shù)供水泵出口與技術(shù)供水過濾器之間采用不銹鋼管路及法蘭連接，引起管路振動(dòng)和技術(shù)供水泵軸承垂直振動(dòng)加大，導(dǎo)致技術(shù)供水泵機(jī)械密封磨損并出現(xiàn)甩水情況。通過分析，采用技術(shù)供水管路伸縮節(jié)解決了技術(shù)供水泵振動(dòng)問題。

技術(shù)供水；管路；振動(dòng)；伸縮節(jié)

1 引言

河北張河灣蓄能發(fā)電有限責(zé)任公司（簡稱“張河灣抽水蓄能電站”）位于河北省石家莊市井陘縣境內(nèi)，距石家莊市直線距離為53 km，公路里程為77 km。張河灣電站設(shè)計(jì)安裝4臺(tái)250 MW單級(jí)混流可逆式水泵水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量1 000 MW，以一回500 kV線路接入河北南部電網(wǎng)，主要承擔(dān)系統(tǒng)調(diào)峰、填谷、調(diào)頻、調(diào)相等任務(wù)，并且在電網(wǎng)故障甚至瓦解時(shí)，可以充當(dāng)電網(wǎng)最佳的緊急事故備用和“黑啟動(dòng)”電源。

張河灣抽水蓄能電站在1號(hào)機(jī)組技術(shù)供水管路改在期間,將技術(shù)供水泵連接方式采用不銹鋼管路和法蘭連接方式連接，導(dǎo)致技術(shù)供水泵管路及技術(shù)供水泵主軸振動(dòng)加大。我廠技術(shù)人員通過認(rèn)真分析原因，采取有效處理措施，減小了技術(shù)供水泵管路及技術(shù)供水泵主軸振動(dòng)。下面就張河灣電站1號(hào)機(jī)組技術(shù)供水管路結(jié)構(gòu)、振動(dòng)原因分析及處理方案和措施進(jìn)行詳述。

2 1號(hào)機(jī)組技術(shù)供水管路結(jié)構(gòu)及技術(shù)供水泵介紹

張河灣抽水蓄能電站1號(hào)機(jī)組技術(shù)供水系統(tǒng)每個(gè)單元設(shè)2臺(tái)水泵，一臺(tái)工作一臺(tái)備用，水源取自本機(jī)組尾水管擴(kuò)散段，排至下庫。過濾器自動(dòng)排污至排水總管，手動(dòng)排污至集水井。機(jī)組技術(shù)供水系統(tǒng)由供水泵、過濾器、冷卻器、閥門、表計(jì)及對(duì)應(yīng)的管路組成，為機(jī)組及主變提供冷卻水，同時(shí)為主軸密封提供潤滑水。

技術(shù)供水系統(tǒng)AA811至AA812為明管段，技術(shù)供水管路、技術(shù)供水出口閥AA812供水側(cè)及技術(shù)供水過濾器進(jìn)口閥AA811取水側(cè)，均采用混泥土澆筑預(yù)埋管路方式，技術(shù)供水泵及技術(shù)供水過濾器采用支架安裝固定。具體結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 技術(shù)供水管路圖

我廠技術(shù)供水泵采用立式泵單級(jí)離心泵,技術(shù)供水泵各技術(shù)參數(shù)如表1。它的特點(diǎn)是工作揚(yáng)程大，其工作原理是利用葉輪旋轉(zhuǎn)而使水發(fā)生離心運(yùn)動(dòng)來工作的。水泵在啟動(dòng)前，必須使泵殼和吸水管內(nèi)充滿水，然后啟動(dòng)電機(jī)，使泵軸帶動(dòng)葉輪和水做高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，水發(fā)生離心運(yùn)動(dòng)，被甩向葉輪外緣，經(jīng)蝸形泵殼的流道流入水泵的壓水管路。立式泵的工作原理是：泵軸帶動(dòng)葉輪一起作高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

表1 技術(shù)供水泵各技術(shù)參數(shù)

3 故障現(xiàn)象及原因分析

3.1 故障現(xiàn)象及危害

由于原管路運(yùn)行時(shí)間長導(dǎo)致管路腐蝕嚴(yán)重，于2016年對(duì)1號(hào)機(jī)組技術(shù)供水管路進(jìn)行改造，將管路及閥門更換為不銹鋼材質(zhì)。改造后，技術(shù)供水泵AP811至逆止閥BU811采用DN300不銹鋼管路及法蘭連接。管路打壓試驗(yàn)正常，啟動(dòng)技術(shù)供水泵后發(fā)現(xiàn)兩臺(tái)技術(shù)供水泵振動(dòng)均較大，振速為4.4 cm/s，且技術(shù)供水泵運(yùn)行8 h后技術(shù)供水泵主軸出現(xiàn)甩水情況。

振動(dòng)超標(biāo)的危害主要有:造成機(jī)組不能正常運(yùn)行；引發(fā)電機(jī)和管路的振動(dòng)，造成機(jī)毀人傷；造成軸承等零部件的損壞；造成連接部件松動(dòng)，基礎(chǔ)裂紋或電機(jī)損壞；造成與水泵連接的管件或閥門松動(dòng)、損壞；形成振動(dòng)噪聲。

3.2 原因分析

水泵機(jī)組振動(dòng)的原因很復(fù)雜，從引發(fā)振動(dòng)的起因看主要原因有：

（1）電機(jī)結(jié)構(gòu)件松動(dòng)，軸承定位裝置松動(dòng)，鐵芯硅鋼片過松，軸承因磨損而導(dǎo)致支撐剛度下降，會(huì)引起振動(dòng)。

（2）驅(qū)動(dòng)裝置架與基礎(chǔ)之間采用的接觸固定形式不好，基礎(chǔ)和電機(jī)系統(tǒng)吸收、傳遞、隔離振動(dòng)能力差，導(dǎo)致基礎(chǔ)和電機(jī)的振動(dòng)都超標(biāo)。水泵基礎(chǔ)松動(dòng)，或者水泵機(jī)組在安裝過程中形成彈性基礎(chǔ)，或者由于油浸水泡造成基礎(chǔ)剛度減弱，從而使水泵振動(dòng)頻率增加，如果增加的頻率與某一外在因素頻率接近或相等，就會(huì)使水泵的振幅加大。另外，基礎(chǔ)地腳螺栓松動(dòng)，導(dǎo)致約束剛度降低，會(huì)使電機(jī)的振動(dòng)加劇。

（3）聯(lián)軸器連接螺栓的周向間距不良，對(duì)稱性被破壞；聯(lián)軸器加長節(jié)偏心，將會(huì)產(chǎn)生偏心力；聯(lián)軸器錐面度超差；聯(lián)軸器靜平衡或動(dòng)平衡不好；彈性銷和聯(lián)軸器的配合過緊，使彈性柱銷失去彈性調(diào)節(jié)功能造成聯(lián)軸器不能很好地對(duì)中；聯(lián)軸器與軸的配合間隙太大；聯(lián)軸器膠圈的機(jī)械磨損導(dǎo)致的聯(lián)軸器膠圈配合性能下降；聯(lián)軸器上使用的傳動(dòng)螺栓質(zhì)量互相不等。這些原因都會(huì)造成振動(dòng)。

（4）葉輪是泵的最主要的部件。它將原動(dòng)機(jī)輸入的機(jī)械能傳遞給液體，使液體的能量得到提高。葉輪一般由前蓋板、后蓋板、葉片及輪轂組成。液體由葉輪中心進(jìn)入，流經(jīng)前、后蓋板間由各葉片形成的通道，由輪緣排出。其失效形式主要表現(xiàn)在:

1）葉輪偏心。葉輪制造過程中質(zhì)量控制不好，比如，鑄造質(zhì)量、加工精度不合格；或者輸送的液體帶有腐蝕性，葉輪流道受到?jīng)_刷腐蝕，導(dǎo)致葉輪產(chǎn)生偏心。

2）使用中葉輪口環(huán)與泵體口環(huán)之間、級(jí)間襯套與隔板襯套之間，由最初的碰摩，逐漸變成機(jī)械摩擦磨損，這些將會(huì)加劇泵的振動(dòng)。

（5）軸很長的泵，易發(fā)生軸剛度不足，撓度太大，軸系直線度差的情況，造成動(dòng)件（傳動(dòng)軸）與靜件（滑動(dòng)軸承或口環(huán)）之間碰摩，形成振動(dòng)。另外，泵軸太長，受水池中流動(dòng)水沖擊的影響較大，使泵水下部分的振動(dòng)加大。軸端的平衡盤間隙過大，或者軸向的工作竄動(dòng)量調(diào)整不當(dāng)，會(huì)造成軸低頻竄動(dòng)，導(dǎo)致軸瓦振動(dòng)。旋轉(zhuǎn)軸的偏心，會(huì)導(dǎo)致軸的彎曲振動(dòng)。

（6）每臺(tái)泵都有自己的額定工況點(diǎn)，實(shí)際的運(yùn)行工況與設(shè)計(jì)工況是否符合，對(duì)泵的動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性有重要的影響。水泵在設(shè)計(jì)工況下運(yùn)行比較穩(wěn)定，但在變工況下運(yùn)行時(shí)，由于葉輪中產(chǎn)生徑向力的作用，振動(dòng)有所加大；單泵選型不當(dāng)，或是兩種型號(hào)不匹配的泵并聯(lián)。這些都會(huì)造成泵的振動(dòng)。

（7）軸承的剛度太低，引起振動(dòng)。推力軸承和其他的滾動(dòng)軸承的磨損，則會(huì)使軸的縱向竄動(dòng)振動(dòng)以及彎曲振動(dòng)同時(shí)加劇。潤滑油選型不當(dāng)、變質(zhì)、雜質(zhì)含量超標(biāo)及潤滑管道不暢而導(dǎo)致的潤滑故障，都會(huì)造成軸承工況惡化，引發(fā)振動(dòng)。

（8）泵的出口管道支架剛度不夠，變形太大，造成管道下壓在泵體上，使得泵體和電機(jī)的對(duì)中性破壞；管道在安裝過程中較勁太大，進(jìn)出口管路與泵連接時(shí)內(nèi)應(yīng)力大；進(jìn)、出口管線松動(dòng),約束剛度下降甚至失效；雜物卡入葉輪；管路不暢；出水口不暢，出水閥門掉板，或沒有開啟；進(jìn)水口有進(jìn)氣等，這些原因都會(huì)直接或者間接地導(dǎo)致泵和管路的振動(dòng)。

（9）電機(jī)軸和泵軸同心度超差；電機(jī)和傳動(dòng)軸的連接處使用了聯(lián)軸器，聯(lián)軸器同心度超差；動(dòng)、靜零部件之間（如葉輪和口環(huán)之間）的設(shè)計(jì)間隙由于磨損變大；軸承支架與泵體間隙超標(biāo)、軸承內(nèi)圈與泵軸間隙超標(biāo)（俗稱軸承跑外圈、跑內(nèi)圈），這些不利因素都能造成振動(dòng)。

（10）汽蝕振動(dòng)是泵振動(dòng)的很重要的一部分。水泵葉輪中心產(chǎn)生真空，水才能被大氣壓壓上來，水泵離下水面越高，需要的真空度就越大。當(dāng)水泵葉輪中心的真空度大到一定程度時(shí)，雖在常溫下，葉輪進(jìn)口處的水也要大量的汽化，氣泡隨水逐漸進(jìn)入高壓區(qū)，壓力升高氣泡又凝結(jié)成水而消失。氣泡消失時(shí)，四周的水以高速來補(bǔ)充它的空間，而發(fā)生猛烈的碰撞，在這瞬時(shí)間就產(chǎn)生了很強(qiáng)的水錘現(xiàn)象，打擊葉片表面，使葉片一小塊一小塊的剝落損壞。另外，液化中逸出的氧氣借助氣泡凝結(jié)時(shí)放出的熱量對(duì)金屬起化學(xué)腐蝕作用。這種泵內(nèi)反復(fù)出現(xiàn)液體的汽化和凝結(jié)，以致對(duì)過流部件損壞的現(xiàn)象稱為汽蝕現(xiàn)象。汽蝕發(fā)生后，由于反復(fù)地機(jī)械撞擊作用和化學(xué)腐蝕作用，使葉輪受到破壞。流量揚(yáng)程下降，甚至不出水，使水泵產(chǎn)生噪音和振動(dòng)。若汽蝕引起振動(dòng)的頻率與設(shè)備的自然頻率相等時(shí)，就會(huì)引起強(qiáng)烈振動(dòng)。

（11）葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的非對(duì)稱壓力場；吸水池和進(jìn)水管渦流；葉輪內(nèi)部以及蝸殼、導(dǎo)流葉片漩渦的發(fā)生及消失；閥門半開造成漩渦而產(chǎn)生的振動(dòng)；由于葉輪葉片數(shù)有限而導(dǎo)致的出口壓力分布不均；葉輪內(nèi)的脫流；喘振；流道內(nèi)的脈動(dòng)壓力；汽蝕；水在泵體中流動(dòng)，對(duì)泵體會(huì)有摩擦和沖擊，比如水流撞擊隔舌和導(dǎo)流葉片的前緣，造成振動(dòng)；泵體內(nèi)壓力脈動(dòng)，主要是泵葉輪密封環(huán)，泵體密封環(huán)的間隙過大，造成泵體內(nèi)泄漏損失大，回流嚴(yán)重，進(jìn)而造成轉(zhuǎn)子軸向力的不平衡和壓力脈動(dòng)，會(huì)增強(qiáng)振動(dòng)。

3.3 故障排查

結(jié)合上述原因，對(duì)技術(shù)供水泵及管路設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)檢查。

（1）對(duì)技術(shù)供水電機(jī)結(jié)構(gòu)件進(jìn)行檢查，未發(fā)現(xiàn)松動(dòng)及其他異常情況。

（2）驅(qū)動(dòng)裝置架與基礎(chǔ)之間采用的接觸固定形式良好，檢查基礎(chǔ)地腳螺栓無松現(xiàn)象。

（3）檢查聯(lián)軸器連接螺栓的周向間距正常，對(duì)稱性良好；對(duì)技術(shù)供水泵盤車檢查均正常。

（4）檢查葉輪及流道受到無沖刷腐蝕；檢查葉輪口環(huán)與泵體口環(huán)之間、級(jí)間襯套與隔板襯套之間，無機(jī)械摩擦磨損。

（5）檢查軸端的平衡盤間隙正常，軸向的工作竄動(dòng)量檢查正常。

（6）由于本次改造技術(shù)供水泵及電機(jī)未進(jìn)行更換，且改造前技術(shù)供水泵運(yùn)行正常，判斷的運(yùn)行工況與設(shè)計(jì)工況相符合。

（7）檢查滾動(dòng)軸承的磨損正常，潤滑油無變質(zhì)、雜質(zhì)超標(biāo)及潤滑管道不暢現(xiàn)象。

（8）檢查技術(shù)供水泵葉輪無雜物卡入管路不暢；出水口不暢，出水閥門正常，啟動(dòng)技術(shù)供水泵并開啟技術(shù)供水泵本體排氣閥及技術(shù)供水過濾器排氣閥無氣體，泵的出口管道支架變形正常。對(duì)于管道在安裝過程中較勁太大，進(jìn)出口管路與泵連接時(shí)內(nèi)應(yīng)力大無法檢查，初步判斷有該可能性。

（9）檢查電機(jī)軸和泵軸同心度及間隙正常。

（10）氣蝕及壓力脈動(dòng)等原因不具備檢查條件，初步判斷有這種可能性。

通過上述原因分析及檢查，振動(dòng)產(chǎn)生的可能原因?yàn)椋?）安裝過程中較勁太大，進(jìn)出口管路與泵連接時(shí)內(nèi)應(yīng)力大造成振動(dòng)；2）氣蝕、壓力脈動(dòng)引起強(qiáng)烈振動(dòng)。

由于技術(shù)供水泵和技術(shù)供水過濾器均采用固定安裝方式，技術(shù)供水泵與技術(shù)供水過濾器之間長度為1.5 m，采用DN300鋼管通過法蘭連接方式。固初步判斷振動(dòng)是由于管道在安裝過程中較勁太大，進(jìn)出口管路與泵連接時(shí)內(nèi)應(yīng)力大，管道與水泵的連接采用了強(qiáng)力對(duì)口所致。

4 處理方案

4.1 根據(jù)上述原因分析有以下兩個(gè)處理方案

方案一：在技術(shù)供水泵與技術(shù)供水過濾器之間靠近技術(shù)供水過濾器處切割300 mm管路，并在焊接上DN300法蘭，完全冷卻后，安裝上DN300橡膠技術(shù)供水伸縮節(jié)（如圖2）。

技術(shù)供水管路伸縮節(jié)有以下特點(diǎn)：

圖2 技術(shù)供水伸縮節(jié)圖

1）管道為柔性連接，消除了管道系統(tǒng)彈性應(yīng)力轉(zhuǎn)移，實(shí)現(xiàn)了補(bǔ)償，提高了系統(tǒng)的安全性。

2）能適應(yīng)一定限度內(nèi)的自由伸縮，故四季溫度變化，管線不必再設(shè)補(bǔ)償器。

3）密封圈與管子為柔性連接，對(duì)連接的管子精度要求低，對(duì)工況條件要求極低。

方案二：根據(jù)技術(shù)供水泵與技術(shù)供水過濾器管接頭高度重新配管，通過法蘭適當(dāng)調(diào)節(jié)水平度，以達(dá)到消除管道與水泵的強(qiáng)力對(duì)口連接。增加一個(gè)支架以減小管路自重對(duì)法蘭連接的拉力。

4.2 方案優(yōu)缺點(diǎn)分析

方案一：實(shí)施簡單方便，并能消除技術(shù)供水泵啟停過程中水錘對(duì)設(shè)備的影響；技術(shù)供水伸縮節(jié)為橡膠制品，長時(shí)間使用后會(huì)出現(xiàn)老化現(xiàn)象，并需重新采購新的技術(shù)供水伸縮節(jié)。

方案二：由于技術(shù)供水泵與技術(shù)供水過濾器均采用固定安裝方式，技術(shù)供水泵與技術(shù)供水過濾器管口的中心度無法調(diào)整，小的偏差可通過法蘭焊接調(diào)整，若中心相差較大則無法調(diào)整；該方案優(yōu)勢在于管路為不銹鋼材質(zhì)，不存在老化現(xiàn)象。

4.3 方案確定

綜合上述分析，確定采用方案一以達(dá)到減小技術(shù)供水泵振動(dòng)目的。

5 處理措施

在1號(hào)技術(shù)供水泵與技術(shù)供水過濾器之間靠近技術(shù)供水過濾器處切割300 mm管路，并在焊接上DN300法蘭，完全冷卻后，安裝上DN300橡膠技術(shù)供水伸縮節(jié)。打壓試驗(yàn)，管路無滲漏。

采取以上措施后，1號(hào)技術(shù)供水泵運(yùn)行平穩(wěn)，振動(dòng)現(xiàn)象消除。更換1號(hào)技術(shù)供水泵機(jī)械密封，機(jī)組運(yùn)行2 d后檢查技術(shù)供水泵機(jī)械密封完好。2號(hào)技術(shù)供水泵按方案一實(shí)施。改造后經(jīng)測量水泵振動(dòng)由改造前的振速4.4 cm/s降低為1.39 cm/s。根據(jù)振動(dòng)強(qiáng)烈度標(biāo)準(zhǔn)ISO2372-1974可以判定水泵運(yùn)行處于優(yōu)秀區(qū)。目前張河灣蓄能電站1號(hào)機(jī)組技術(shù)供水泵未再出現(xiàn)振動(dòng)大的情況。

6 結(jié)論

技術(shù)供水泵振動(dòng)不僅導(dǎo)致泵使用壽命縮短，增加維護(hù)量，同時(shí)有導(dǎo)致管路破裂大量漏水的風(fēng)險(xiǎn)。技術(shù)供水管路伸縮節(jié)能根本消除技術(shù)供水泵振動(dòng)大現(xiàn)象。對(duì)于抽水蓄能電廠由于空間有限，技術(shù)供水泵與技術(shù)供水過濾器間距較小，同心度要求高，而采用管路伸縮節(jié)方式則能有效解決管口同心度要求高的問題。

[1]黃大圣，張曙光.淺談中小型泵站立式機(jī)組增設(shè)檢修閘門和出水管伸縮節(jié)的必要性[J].水利建設(shè)與管路，2012，12（4）：59-62.

[2]鄭 源，王 超.高水頭水電站技術(shù)供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].水利水電工程設(shè)計(jì)，2001，20（3）：20-22.

[3]李正良，鐘秉章.波紋管伸縮節(jié)在水電站壓力管道上的應(yīng)用[J].水電站設(shè)計(jì)，2000，16（4）：64-66.

[4]陳克榮.離心水泵振動(dòng)和噪音的原因及防止[J].機(jī)電技術(shù)，1998（2）：17-19.

[5]譚偉城.離心式水泵振動(dòng)監(jiān)測與故障診斷[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化，2011（3）：127-128.

TV734

B

1672-5387（2016）12-0084-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2016.12.030

2016-08-29

陳 波（1980-），男，工程師，從事抽水蓄能電站運(yùn)行及維護(hù)管理工作。