300MW機組鍋爐給水泵電機振動故障原因分析

針對某臺300MW鍋爐給水泵電動機振動故障，進行現(xiàn)場測量試驗、數(shù)據(jù)分析與故障診斷，通過檢查得以證實設備故障振動原因，對電動機鼠籠斷條影響設備振動的故障機理進行簡要分析。
【關鍵詞】振動 熱變形 電動機 鼠籠條

　　1　前言 
　　某發(fā)電公司一臺300MW機組的鍋爐給水泵，系沈陽水泵廠生產(chǎn)的CHTC 516S-2型泵，流量：573m3/h，揚程：2260m，額定最高轉(zhuǎn)速：5600r/min，配哈爾濱電機廠生產(chǎn)的YKS710-4型異步電動機，額定功率：5500KW，額定電壓：6000V，額定電流：631A，額定轉(zhuǎn)速：1491r/min，設備允許振動小于80mm。該給水泵組由給水泵、耦合器、電動機、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)簡圖如下：

圖1:某發(fā)電公司#1機300MW給水泵電動機軸系簡圖
　　該電動機自2007年11月2日運行中軸承振動突然增大后，雖經(jīng)多次從機械方面：檢查對輪連接中心、軸瓦、端蓋支承剛度進行調(diào)整處理，電動機振動仍然超標。
　　2　設備振動特點
　　2.1　試驗工況
　　2.1.1　給水泵電動機單轉(zhuǎn)試驗：電動機電流：180A，電動機為定速1498 r/min。
　　2.1.2　給水泵變轉(zhuǎn)速（負荷）試驗工況見表1。

　　　　　　　　　　　　　　　表1. 給水泵變轉(zhuǎn)速試驗工況

2.2　設備振動概況
　　2.2.1　單轉(zhuǎn)電動機最大振動15m，測量振動數(shù)據(jù)見表2。
　　2.2.2　振動最大的測點在電動機兩端軸承,相鄰的設備耦合器和前置泵軸承振動均在30m以下；

　2.2.3　電動機基礎振動始終很小（10m左右）。
　　　　　　表2.某臺300MW機組#1C給水泵電動機振動試驗數(shù)據(jù) 單位：m∠°

 注：振動幅值單位：微米，振動相位單位：度
　　2.2.4　在給水泵轉(zhuǎn)速升到5050r/min工況時，電動機振動顯著增大，電動機內(nèi)部出現(xiàn)周期性異音，異音周期與振動波動周期同步。
　　2.2.5　現(xiàn)場記錄表明，隨著運行時間增長，電動機啟動電流逐漸增大，見表3。

　　　　　　　　　　　表3電動機4次啟動電流參數(shù)測量統(tǒng)計

2.3　振動頻譜分析和相位特征
　　2.3.1　電動機兩端軸承振動以基頻為主，水平方向振動存在一定量的2X分量。以泵轉(zhuǎn)速5050r/min工況下耦合器端軸承振動為例：Σ：110～125m ，1X：44～70m ，2X：30m，垂直方向振動幾乎沒有倍頻振動分量。
　　2.3.2　軸承振動幅值和相位不穩(wěn)定,有較大波動量。特別是基頻振幅，最大波動幅值47～90m；最大相位波動量44°～153°。
　　2.3.3　隨著給水泵轉(zhuǎn)速增加電動機耦合器端軸承振動相位變化很大,垂直振動由52m/214°變至92m/50°；水平振動從23m /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，振動存在較大差別，以前置泵端軸承振動為例：升速時42～55m/23°，降速時55～67m/84°。

3　振動原因分析
　　3.1　查現(xiàn)場記錄發(fā)現(xiàn)在電動機振動增大時，相鄰的設備耦合器和前置泵振動始終很小，可以確定為電動機自身的設備缺陷；
　　3.2　電動機基礎振動不大，而且基本穩(wěn)定，可以排除電動機支承因素影響振動；
　　3.3　電動機定子本體振幅小于軸承振幅，定子最大振幅不超過30m，振動成分以基頻為主，可以排除電動機定子因素；
　　3.4　鑒于電動機轉(zhuǎn)速為定速，電動機單轉(zhuǎn)時振動小于20m，可排除電動機轉(zhuǎn)子不平衡因素；
　　3.5　唯獨不能排除電動機轉(zhuǎn)子電氣方面的故障。在給水泵升、降轉(zhuǎn)速4500r/min工況下，振動存在較大差別，表明電動機轉(zhuǎn)子隨著工作電流與功率參數(shù)，存在逐漸惡化現(xiàn)象。
　　4　電動機檢查
　　根據(jù)以上分析，決定對電動機解體檢查，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，打開玻璃絲布再進一步檢查。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)局部過熱現(xiàn)象

　圖3　籠條斷裂或脫焊
　　5　電動機轉(zhuǎn)子鼠籠斷條故障振動機理
　　一般三相異步電動機啟動電流是額定空載電流的5～10倍，考慮到該三相異步電動機為鼠籠結(jié)構(gòu)設計。其額定工作電流631A，電動機單轉(zhuǎn)工作電流180A，泵組啟動電流由908.8A升至2316A。當電動機轉(zhuǎn)子籠條反復承受啟動電流瞬間過載力矩沖擊，極容易疲勞斷裂。一旦出現(xiàn)某根斷條現(xiàn)象，將導致轉(zhuǎn)子出現(xiàn)電流短路環(huán)，一是電磁力的不對稱，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。由于電動機轉(zhuǎn)子的熱變形引起的撓度變化可近似由下式計算

式中：L－轉(zhuǎn)子本體長度，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。
　　用上面公式計算轉(zhuǎn)子表面溫度差1℃，該電動機轉(zhuǎn)子將產(chǎn)生熱撓曲約0.01 mm，如果依據(jù)溫差大于3℃，計算不平衡離心力約為轉(zhuǎn)子重量的10％，轉(zhuǎn)子重量按1000kg計算，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,就會產(chǎn)生轉(zhuǎn)子熱彎曲與熱不平衡，影響設備振動。
　　6　結(jié)束語 
　　該給水泵電機振動原因是轉(zhuǎn)子籠條斷裂引起。當轉(zhuǎn)子存在斷條故障缺陷時，一是電動機振動逐漸惡化；二是電動機起動電流增大；三是隨泵組轉(zhuǎn)速或電動機功率增加而明顯加劇振動超標現(xiàn)象，嚴重時發(fā)生異音故障。

　　7　參考資料：
　　1.顧晃，汽輪發(fā)電機組振動與平衡 中國電力出版社 1998 
　　2.施維新，汽輪發(fā)電機組振動與事故 中國電力出版社 1991 
　　3.盧明輝，一臺1000kW異步電動機過熱與振動的故障分析與處理 大電機技術2002.6

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