李佳朋

（中国石油大庆石化公司化肥厂，黑龙江大庆 163000）

0 引言

化肥厂离心泵在使用时，可能会因为泵的实际工作扬程、流量与工作状态值偏差或叶轮间隙超差、轴承润滑不良等原因而产生振动故障。本文针对化肥厂热网多个循环泵并联时，一台工率水泵的实际工作扬程较小，当流量大大超出额定流速时会造成离心泵叶轮通过频率异常、振动值超出标准。采用离线振动数据收集装置，对泵的各种开启模式进行适当限定，分析、研究水泵的振动频谱图、波形解调图以及泵轴力，从而对振动故障进行定位和排除。

1 系统概述及设备简介

1.1 热网系统概述

热网泵站包括4 个热网循环泵其中热网循环泵A、B 采用的是变频式泵，C、D 采用的是工频泵，4 个热网循环泵管网结构为一条母管布局。其中，热网循环泵进流口与热网循环水母管相连通，热网循环泵排出端与热网换热器给水总管相连，热网循环水与热网换热器的出口处相连。

该集中供暖网络系统的给水系统设计为120 ℃，蒸汽压10 m（H2O），剩余3～5 m（H2O）富压。如果将热网的相对标高设为0 m，则可得出供热系统中最不利回路的最高高度为55 m。这样，为确保循环泵停机时管道顶上的水位不会蒸发，且存在5 m（H2O）的富压，静压线应超过70 m（10 m+55 m+5 m），因而采用70 m 的静压力。此外，为确保系统的总回水压不低于30 m（H2O），同时还要兼顾外部网络的流速等因素，将外部网络的启动压设定为1.18 MPa。

1.2 热网循环泵设备

热网循环泵的型号是SM400-720，流量3550 t/h（最大3920 t/h），定扬程130 m（H2O），轴功率1397 kW。然而，热网式循环泵电机采用变频器控制，电机型号为YSPKK560-4，额定功率1600 kW，额定电压为6 kV，额定电流182.8 A，恒力矩频率为20～50 Hz。其余2 台热网式循环泵电机采用的是工频电机，型号为YSBPKK500-4，额定功率1600 kW，额定电压6 kV，额定电流174 A。

1.3 振动分析诊断

在每年例行的月度状态监控中，对变频热网式循环水泵进行振动检测，测得的信号频率情况见表1。

表1 C 热网循环泵月度状态监控的通频值 mm/s

由表1 可知，电机驱动端垂直方向和水平方向的测量点通频都大于警戒线2.7 mm/s，泵驱动端和非驱动端水平方向的测量点通频大于警戒数值4.4 mm/s，而在非驱动端非驱动端水平方向的信号通频大于危险值4.4 mm/s，在泵驱动端垂直方向、轴向方向和泵非驱动端垂直方向上的信号通频率均在7.0 mm/s 以上。

从频谱分析可以看出，1X 叶片在泵的传动和自由端的流经和2X 叶片的流经次数都有很大的变化，最高达到了5.935 mm/s。对抽油机的波形解调曲线进行分析，结果表明：在20～40 g，泵的主动和自由侧的横向冲击力最大（图1）。而且，泵身还能听到沙粒穿过水泵的声响，这时的热网式循环泵工作状态很差，产生大量的噪声和振动，气蚀现象是由于水中压力不均产生的气泡炸裂，所以经常会听到金属撞击的声音，严重时甚至会发出爆炸声。

图1 频谱图

检查C 热网式循环泵进口压力为0.65 MPa，进气口压力达到5.8 m 所需要的气蚀量，从而可以消除由进口压差引起的空化。因为A、B 两个热网循环泵是变频器控制，工作频率为36.5 Hz，C 热网式循环泵又是一种工业全速泵，因此C 热网式循环泵因为3 个水泵的流量不一致，造成C 热网式循环泵的流体在液体中机械振动使其内部压强发生变化，当压力降低时候流体内部或者在一些界面上会出现结构断裂从而形成空腔。然而，由于C 热网式循环泵的出口没有安装流量计，所以不能准确地判定其流量，而且那时正值供暖季节；D 热网循环泵出现了问题，暂时没有后备水泵，因此不能进行判定。因此，计划在供暖季节末进行实验，在这段时间内对热网循环泵进行监测，包括振动情况和轴承的温度。

2 振动问题分析

2.1 循环水泵的工作状态

（1）2022 年4 月5 日8:18，在供热系统关闭后，关闭供热系统蒸汽、只留水运行。A、B 热网循环泵的运行频率分别为36 Hz，C 热网循环泵运行电流175 A、循环流量10 629 t/h、0.65 MPa 的泵进总管的压力，A、B、C 热网循环泵的输出压力分别为1.15 MPa。

（2）8:55，B 热网式循环泵停止工作，A 热网式循环泵的工作频率为35.4 Hz，C 热网式循环泵的运行电流为176 A。在循环流量达到8748 t/h 时，水泵进口主管道的压力为0.65 MPa，A、C 热网循环泵的输出压力分别为1.05 MPa。通过B 热网式循环泵停止运转后的流量的改变，可以推导出B 热网式循环泵在36 Hz的并联工况下输出速度为1880 t/h。这样，在36 Hz 的情况下，A热网络循环泵在并联操作期间的出水量约为1880 t/h；在175 A的情况下，C 热网络的循环泵在并联工况下的出水量约为6868 t/h。然而，在3 个水泵并联运行时，各个水泵的出水量处于一个较好的均衡，因此C 热网的循环水泵的出水量要比理论值（6868 t/h）小，A、B 热网的实际出水量要比理论值（1880 t/h）大得多。

（3）9:20，C 热网式循环泵停止运转，A热网式循环泵的工作频率维持35.3 Hz，循环流量达到4192 t/h，泵进气口主管道压力为0.65 MPa，A 热网式循环泵的输出压力为0.95 MPa。从C 热网络系统中的循环泵停止运行后，其流量的改变可以验证以上结论。由于在A 和C 热网循环泵并行操作期间，尽管总流速为8748 t/h，但在频率为35.3 Hz 的工况下，热网循环泵的输出流一定要大于A 热网循环泵的出水量，但A 热网循环水泵独立工作时两者之间没有任何的影响，因此A 热网循环泵的出口流速要比并联时更大。

（4）9:21，关掉A 热网循环泵，在进入主管处的压力达到0.7 MPa。在经过稳压后，水泵出口处的主管压达到0.7 MPa。这时，0.7 MPa 是由供暖系统内部和外部网络的高度差异引起的静压力。

（5）9:32，C 热网式循环泵被分开启动，电机电流175 A，在循环流量达到6563 t/h 后，泵主管的进口压力和输出的压力分别为0.65 MPa 和1.2 MPa，这时C 热网循环泵的工作范围是55 m，而额定扬程是130 m。从图1 中可以看到，55 m 的扬程比标称的130 m 要小得多。

当流速增大时，泵的扬程成反比例减小，而轴功率则呈线性增大；空化剩余部分成比例增大。当泵的出液面压达到1.2 MPa，也就是水泵本身可以扬水的高度55 m 时，其流速达到6563 t/h，相当于额定的2 倍左右。结果表明，C 热网式循环泵在运行时，其实际扬程为75 m，由于泵站的平衡位置会朝较大的方向运动，导致流量持续增加；最终达到额定的流量，同时在一定流量和扬程下，原动机单位时间内给予泵轴的功也在继续增大。而在6563 t/h 时，没有反映出泵的工作特性，如果持续运转则会出现超出额定的流量，造成电机超负荷运行甚至烧坏的情况。为了设备的安全性，在该工作状态下首先应进行轴动力的估算。

2.2 轴功率计算

轴功率是在某一特定的流速和高度下，对泵的运行进行单位周期的工作。轴功率是一个专门的名词，通常用于泵，也就是轴向作功元件（叶轮）传递电力，该电源的容量低于电机的标称。

水泵的轴力N 为：

式中 N——轴力，kW

Q——流量，m3/h

H——真实扬程，m

r——媒介浓度，t/m3

θ——泵的工作效能（0.6～0.85），通常为0.85

对C 热网泵的轴力进行分析，得出6563 t/h 的C 热网泵的轴功为6563×55×1/（367×0.85）=1157 kW，小于泵的额定轴功率1396.7 kW，更远低于相应电机的过载保护动作。

2.3 节流和振动的诊断

C 热网循环泵采用的是一种工作频率的控制，不能用来调整流量。所以，可以通过调整排气阀的开启，调整排气量，从而找到最优的工作平衡。它是一类具有关闭启动模式的离心式水泵，其启动逻辑是开启式的，因此当出口门打开程度为20%的时候，将排气阀开关到原位、中间阀关闭，这时循环水流量为3050 t/h、小于额定流量。出口门打开到28%时循环水量为4000 t/h，当要收集振动数据的时候，发现循环水的流量出现不稳定的变化，而且一直上升至4600 t/h。由于外部网络的回用水较多，因此要采取稳定措施。试验结束后进行首次的振动监控，特定的频率值如表2 所示。

表2 试验结束后首次监控的泵通频值 mm/s

由表2 可知，各个测量点处的信号频率都下降到警示值之下，说明了解析的正确性，尽管运转速度过高，并未引起电机过负荷，然而会对泵的叶轮运行产生很大干扰。再将频谱图和波形解调图进行对比，发现泵的传动和自由侧1X 叶片和2X 叶片的流经频率仍然有峰值，但幅度已经明显下降，最大值为1.799 mm/s，而泵的驱动力和自由端部的横向冲击力值均低于30 g，泵体内也只有细微的砂流声，泵的空化问题明显减少。因此，随着泵的流速减少，泵的流量也相应变低，泵的振幅也明显下降。接着将小孔闸门的开启状态持续关闭至16%，当循环流量达到3900 t/h时再次进行振动监控，具体传输数值如表3 所示。

表3 关小出口闸门开度后泵的通频值 mm/s

从表3 和表2 可以看出，每个测量点的频率都有一个降低。并将频谱图和波形图进行了进一步的解析，发现在泵的驱动和自由端1X 叶片的流经和2X 叶片的流经频峰都被再次降低，最大值只有1.084 mm/s。抽油机的主动和自由侧的横向冲击值均小于12 g，仅出现极小的振荡，泵体异声和空化现象均被去除；该系统的工作条件是良好的。

3 改善方案

从以上分析和诊断可知，C 热网式循环泵的叶片通过频率高、振动值大，其关键是要把水泵的扬程和流速保持在适当位置。在考虑改造成本、可操作性、可靠性和施工难度等因素的前提下，对两套热网式循环泵进行了改进。

（1）节流气门。在C、D 热网循环泵的出料管上分别加装一台流量传感器，并依据仪表和输出压力表的数据，适当调节水泵的出料开度；通过对泵的出水量及扬程进行调节，使其达到最优工作状态。

（2）增加频率转换装置。在C、D 热网循环泵电机加装变频器，由原来的工作频段改为变频，可以根据不同的频率调节转速，从而实现对扬程、流速的调节，保证热网式循环机在适当的工作条件下工作。

（3）将电机换成小型气轮机。采用辅助蒸汽法，将热网式循环泵电机的传动模式变为小型汽轮，这样可以在适当的条件下调节热网循环泵的运转速度，从而调节其扬程和流量。

（4）车铣叶轮。根据水泵特性，采用叶片的方式使水泵的扬程下降，减少余量，并调节水泵的转速、减少其振动。

4 结论

针对热网循环泵的故障进行分析与判断，采用离线数据采集分析、工作状态分析、轴功率分析、节流分析等分析手段，得出导致水泵振动的根本原因是由于叶片经过的频率较高，导致风机运行的较高，造成泵工作状态与工作状态的偏差。同时，对水泵的出水率和扬程进行控制，从根本上解决了振动高的问题。本文还给出了一些解决方案，以增加对系统的可靠性和可靠性。