基于頻率分析的核電廠疏水泵異常振動分析

唐德偉

（蘇州熱工研究院有限公司，廣東 深圳 518038）

0 引言

疏水泵是核電廠給水加熱器疏水回收系統(tǒng)（ACO）的重要組成部分，承擔3級、4級低壓給水加熱器殼側(cè)冷凝水的受控排出等功能。ACO系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，通過交叉連接口和出口管道，任一臺低壓疏水泵可單獨使用于任一個系列的低壓加熱器。

疏水泵是該系統(tǒng)的核心組件，對于低壓加熱器水位控制起到了關(guān)鍵作用。疏水泵易出現(xiàn)轉(zhuǎn)動機械常見的異常振動問題，威脅水泵乃至電站的安全。其原因在于立式長軸泵軸系長、重心高，導致泵及電機轉(zhuǎn)子的振動最終會影響其配套電機的上部軸承位置，致使異常振動問題頻發(fā)[1]。振動高的常見原因包括摩擦、軸心偏離、共振等原因。其中，共振問題的比重較大。

關(guān)于電站泵類設(shè)備異常振動是電力系統(tǒng)設(shè)備研究的重

圖1 ACO系統(tǒng)流程簡圖Fig.1 ACO System flow chart

圖2 電機結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Motor structure diagram

點。董寶澤[2]針對三門核電的制氯取水泵異常振動問題，通過敲擊實驗確定電機支架固有頻率，并通過改變電機支架、改變電機重量等方式改變固有頻率，避免共振的影響。孫山[3]指出，電站水泵振動問題常具備諧波性振動、次諧波性振動、低頻性振動、工頻性振動、高頻性振動等特點。張小科[4]針對某300MW火電機組的凝結(jié)水泵異常振動問題展開研究，針對結(jié)構(gòu)共振及軸系存在不平衡質(zhì)量問題，調(diào)整螺栓緊力改變凝結(jié)水泵系統(tǒng)的共振區(qū)間。付江永[5]針對某電站水泵電機共振問題，在結(jié)構(gòu)不易改變的情況下，采用頻譜分析及固有頻率分析等方法診斷故障，通過改變泵組系統(tǒng)的剛度，有效降低振動。魏邦華[6]同樣指出，對于已安裝的設(shè)備，采用改變電機固有頻率的方法難度較大，可采用Block Lanczos法對分析模型進行模態(tài)求解，對電機共振情況進行設(shè)計改進。

1 疏水泵結(jié)構(gòu)設(shè)計與問題分析

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

疏水泵采用筒袋型立式多級離心泵，具有整體結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕、噪聲低等特點。由電機帶動軸上的葉輪旋轉(zhuǎn)，使液體獲得壓力和速度，同時經(jīng)過流道導殼流向下一級葉輪，由此實現(xiàn)能量累加，使液體獲得揚程。其中，電機采用全封閉、鼠籠型結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)主要由定子、轉(zhuǎn)子、端蓋、軸承、接線板等部件組成。電機結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.2 問題描述

某電廠1/2號機疏水泵組自運行以來均存在電機非驅(qū)動端振動高的問題，空載運行時振動速度達到14mm/s。經(jīng)泵組全檢、更換同型號電機未有改善。初步分析后，擬采用轉(zhuǎn)子動平衡的方案處理，在轉(zhuǎn)子上加配重或去配重的方法。但采取轉(zhuǎn)子動平衡措施處理后，振動仍偏高，均超過報警值7.1mm/s。兩臺ACO泵組均存在此問題，涉及范圍為：1/2ACO301/302MO，共4臺設(shè)備。

圖3 泵敲擊固有頻率Fig.3 Natural frequency of pump knocking

1.3 原因分析

推測導致上述問題的原因是泵的工作頻率與其固有頻率過于接近，引發(fā)共振效應(yīng)，導致泵的異常振動。因而應(yīng)采集泵的固有頻率和其工作頻率，進行進一步的分析。

測試固有頻率的方法包括敲擊法、啟停法、調(diào)頻法等。采用敲擊實驗獲取泵的固有頻率，通過敲擊迫使泵自由振動，進而獲得泵的固有頻率。實驗數(shù)據(jù)如圖3所示。

可見，實際敲擊測得的固有頻率為22.5Hz、26.5Hz、27.5Hz。該類設(shè)備共4個，另外3個設(shè)備的實驗過程與之相同。測試泵的主要運行頻率，實驗結(jié)果如圖4所示。

圖4 泵運行主要頻率特征Fig.4 Main frequency characteristics of pump operation

圖5 結(jié)構(gòu)軟件建模Fig.5 Structure software modeling

工作轉(zhuǎn)速1480rpm，共振點頻率24.67Hz。系統(tǒng)固有頻率在共振點頻率上下10%，即22.2Hz～27.3Hz。泵組運行時，工作頻率接近固有頻率，產(chǎn)生共振，且泵組支架整體剛度不足，最終導致電機非驅(qū)動端振動過高。

2 解決方案與效果

2.1 模型仿真

為制定合適的解決方案，建立泵結(jié)構(gòu)的軟件模型。按照泵的實際質(zhì)量、尺寸、密度等參數(shù)，建立泵結(jié)構(gòu)模型，并調(diào)整模型參數(shù)，使計算固有頻率盡量接近實際測試得到的固有頻率。由模型計算可得前6階固有頻率，使其中3、4階固有頻率與現(xiàn)場實測固有頻率基本一致，其振型也為電機擺動固有頻率。模型及頻率調(diào)整過程如圖5、圖6所示。

考慮到電機實際結(jié)構(gòu)，有兩部分可作調(diào)整，即電機與電機支架。通過更換電機的機型，更換輕型電機、新的電機支架，以此減小電機的重量，同時降低電機重心高度，并采用新的配電支架，以增大泵組固有頻率，避開泵組運行的工作頻率，避免產(chǎn)生共振。

2.2 方案設(shè)計與仿真計算

電機可采用初始電機（原電機1.6t）、新型電機（新型電機1.27t），電機支架可采用現(xiàn)有機架（普通電機機架）、新電機機架（強化電機機架）。

兩種設(shè)備的各自兩種選型形成4種組合，即：

1）初始電機-普通電機機架，選用電機重量1.6t，重心高度680mm。

2）輕型電機-普通電機機架，選用電機重量1.27t，重心高度570mm。

3）初始電機-強化電機機架，選用電機重量1.6t，重心高度570mm。

圖6 頻率調(diào)整示意圖Fig.6 Schematic diagram of frequency adjustment

4）輕型電機-強化電機機架，選用電機重量1.27t，重心高度570mm。

如前文所述，設(shè)計改進后的系統(tǒng)固有頻率應(yīng)避開共振點頻率的上下10%，即22.2Hz～27.13Hz。通過上述分析可知，只有方案4（輕型電機-強化電機機架）能夠達到要求，通過物理模型模態(tài)計算，在更換新型電機并采用強化的電機機架后，固有頻率見表1。

綜上，應(yīng)選擇方案4對電機進行改造。

2.3 改進效果

通過更換新電機、新電機支架、聯(lián)軸器，改造完成后固有頻率為28.52Hz，較舊電機固有頻率（27Hz）有所提高，更大程度上避開了工頻（25Hz），共振效應(yīng)減弱；改造后實測振動值為2.0mm/s，振動較改進前明顯改善，更換完成后未出現(xiàn)異常振動高的情況。

表1 改造后頻率分析表Table 1 Frequency analysis after transformation

3 總結(jié)

針對某核電廠疏水泵異常振動的問題，列出可能的原因并逐個篩查，確定共振問題。采用頻率分析的方法，對比實驗測得的設(shè)備固有頻率與設(shè)備運行工作頻率，通過軟件建模的方式設(shè)計改進措施并仿真驗證，從多項初步方案中選擇最合適的方案，最終解決了該疏水泵異常振動的問題。