紅沿河核電廠2號(hào)發(fā)電機(jī)過臨界振動(dòng)分析與處理

劉 政，王季能，李遠(yuǎn)征

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紅沿河核電廠2號(hào)發(fā)電機(jī)過臨界振動(dòng)分析與處理

劉 政，王季能，李遠(yuǎn)征

（遼寧紅沿河核電有限公司，遼寧大連 116000）

針對(duì)紅沿河核電廠2號(hào)機(jī)組發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子冷態(tài)啟動(dòng)過臨界振動(dòng)高的問題，分析確定其原因是轉(zhuǎn)子冷態(tài)不平衡量比較大，溯源發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子存在熱變形（熱矢量），并在國(guó)內(nèi)對(duì)該型轉(zhuǎn)子首次在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行動(dòng)平衡試驗(yàn)，一次加重將過臨界振動(dòng)有效降低，為同類型發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子一階動(dòng)平衡積累了寶貴數(shù)據(jù)。

汽輪發(fā)電機(jī)；一階臨界轉(zhuǎn)速；振動(dòng)；動(dòng)平衡

0 前言

遼寧紅沿河核電廠2號(hào)機(jī)組發(fā)電機(jī)由東方電氣－ALSTOM聯(lián)合設(shè)計(jì)制造，額定功率1150MW，是四極半轉(zhuǎn)速同步發(fā)電機(jī)，轉(zhuǎn)子軸頭懸掛帶有旋轉(zhuǎn)整流器的無刷勵(lì)磁機(jī)。

整個(gè)軸系由5根轉(zhuǎn)子組成：高中壓轉(zhuǎn)子（HIP）、3根低壓轉(zhuǎn)子（LP1、LP2、LP3）和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子（GEN），由10個(gè)三油楔可傾瓦軸承支承，軸系示意圖如圖1所示。發(fā)電機(jī)前軸承為9瓦（汽側(cè)），后軸承為10瓦。

機(jī)組隨機(jī)配備GME系統(tǒng)（VM600在線振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)），在每個(gè)軸承座上裝有兩個(gè)渦流傳感器，分別為轉(zhuǎn)子水平中分面下5o（H向）和豎直中心線右側(cè)5°（V向）。

制造廠設(shè)定過臨界軸振動(dòng)打閘值為250μm，額定轉(zhuǎn)速（1500 r/min）運(yùn)行時(shí)，軸振動(dòng)報(bào)警值90μm，停機(jī)值130μm，未對(duì)軸承座振動(dòng)設(shè)置限值。

圖1 軸系結(jié)構(gòu)示意圖

1 振動(dòng)概況

紅沿河核電廠2號(hào)機(jī)組于2013年11月7日首次進(jìn)行沖轉(zhuǎn)。在升速通過發(fā)電機(jī)（GEN）過臨界轉(zhuǎn)速時(shí)前軸承（9H）基頻振動(dòng)最高達(dá)235μm（接近250μm打閘值）。但是9H、10H惰走過臨界振動(dòng)均有所降低，9H基頻振動(dòng)為145μm，10H基頻振動(dòng)為126μm（表1）。過臨界各個(gè)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)實(shí)測(cè)值見表1，升降速波德曲線如圖2所示。

發(fā)電機(jī)過臨界振動(dòng)大帶來比較大的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，如果導(dǎo)致跳機(jī)則可能引發(fā)跳堆風(fēng)險(xiǎn)。

表1 發(fā)電機(jī)首次沖轉(zhuǎn)及惰走過臨界振動(dòng)（基頻）mm∠o

圖2 9H升降速波德曲線

在機(jī)組后續(xù)的發(fā)電機(jī)吹掃、并網(wǎng)試驗(yàn)等多次啟動(dòng)過程中，盡管采取了延長(zhǎng)暖機(jī)時(shí)間、調(diào)整潤(rùn)滑油溫、提高升速率等多種措施，但效果不佳，發(fā)電機(jī)過臨界振動(dòng)仍然在230~240μm左右，GEN轉(zhuǎn)子歷次過臨界振動(dòng)數(shù)據(jù)比較見表2。

表2 轉(zhuǎn)子歷次升、降速過臨界振動(dòng)實(shí)測(cè)值（基頻）μm

2 發(fā)電機(jī)過臨界振動(dòng)大的原因分析

從振動(dòng)特征來看，9H啟動(dòng)過臨界轉(zhuǎn)速振動(dòng)一直在高位，但降速過臨界都小于升速振動(dòng)（表2）重現(xiàn)性非常好。9V振動(dòng)在過臨界以及定速1500r/min時(shí)均不大，9瓦軸承座振動(dòng)也不大。

2.1 振動(dòng)特點(diǎn)

根據(jù)機(jī)組多次起停振動(dòng)數(shù)據(jù)，歸納振動(dòng)特點(diǎn)為：（1）起動(dòng)過發(fā)電機(jī)臨界轉(zhuǎn)速時(shí)9H振動(dòng)接近打閘值250mm，10H振動(dòng)幅值在160μm以下；（2）惰走過臨界振動(dòng)9瓦大幅下降，9H比升速過臨界振動(dòng)幅值低90μm；（3）歷次沖轉(zhuǎn)升速過程中，機(jī)組振動(dòng)水平復(fù)現(xiàn)性很好，包括低轉(zhuǎn)速下振動(dòng)變化趨勢(shì)相同，過臨界與額定轉(zhuǎn)速時(shí)振動(dòng)幅值接近，相位穩(wěn)定；（4）9H過臨界與額定轉(zhuǎn)速時(shí)振動(dòng)主要成分是基頻（與轉(zhuǎn)速同步）的頻率成分；（5）額定轉(zhuǎn)速時(shí)軸系整體振動(dòng)都不大，其中10H最大52μm左右；（6）軸承座振動(dòng)在起動(dòng)、定速運(yùn)行以及惰走過程中都不大。

2.2 原因分析[2,5,6]

從頻譜上看，基頻為主說明振動(dòng)性質(zhì)屬于強(qiáng)迫振動(dòng)。因發(fā)電機(jī)未并網(wǎng)，可以排除電氣等因素。軸承座振動(dòng)和工作轉(zhuǎn)速下振動(dòng)都比較小，也可排除連接問題和結(jié)構(gòu)方面問題。從起停機(jī)轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)看，僅過臨界轉(zhuǎn)速振動(dòng)大，屬于典型的一階質(zhì)量不平衡，所以轉(zhuǎn)子激振力大（質(zhì)量不平衡）是其過臨界振動(dòng)大的主要原因。

對(duì)比發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子過臨界9瓦振動(dòng)（表2），水平向振動(dòng)明顯偏大并接近停機(jī)值，但垂直向（9H）過臨界振動(dòng)水平僅為水平向的一半。其它幾個(gè)瓦也有類似特征。這表明機(jī)組水平和垂直向動(dòng)剛度差異比較大，也不排除水平方向阻尼偏低而導(dǎo)致的水平振動(dòng)大，垂直振動(dòng)小。當(dāng)然這與軸承設(shè)計(jì)特性有關(guān)，現(xiàn)場(chǎng)無法改變。

就該轉(zhuǎn)子而言還存在一個(gè)異常現(xiàn)象。通常當(dāng)惰走過臨界轉(zhuǎn)速時(shí)，由于速率變化慢，其最大振動(dòng)幅值會(huì)比升速過臨界振動(dòng)幅值要大。而該轉(zhuǎn)子正好相反，升速過臨界轉(zhuǎn)速振動(dòng)大而降速過臨界轉(zhuǎn)速振動(dòng)反而小，這種現(xiàn)象說明該轉(zhuǎn)子并非單純的質(zhì)量不平衡[8,9,12]。

通過上述特征可以推斷，在機(jī)組起動(dòng)—過臨界—定速運(yùn)行—降速惰走的過程中，轉(zhuǎn)子平衡狀態(tài)發(fā)生了變化。即升速過臨界轉(zhuǎn)子不平衡量小，運(yùn)行一段時(shí)間后降速惰走轉(zhuǎn)子不平衡量會(huì)增大。在運(yùn)行過程中轉(zhuǎn)子溫度會(huì)有所升高，因此懷疑轉(zhuǎn)子可能存在熱變量（熱矢量），即轉(zhuǎn)子受熱溫度升高之后彎曲發(fā)生變化導(dǎo)致平衡狀態(tài)變化，溫度降低后彎曲又恢復(fù)到原位[13,14]。

2.3 出廠報(bào)告核查

基于以上懷疑，核查該轉(zhuǎn)子的出廠動(dòng)平衡報(bào)告，從制造廠的報(bào)告中可以看出：

（1）該轉(zhuǎn)子在廠內(nèi)執(zhí)行一階動(dòng)平衡約30次，汽端與勵(lì)端各累計(jì)加重8.4kg。對(duì)比紅沿河1號(hào)機(jī)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子在廠內(nèi)執(zhí)行一階動(dòng)平衡僅6次，汽端與勵(lì)端各累計(jì)加重1.5kg。無論是平衡次數(shù)還是平衡重量，2號(hào)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子都遠(yuǎn)大于同型的1號(hào)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子；

（2）出廠報(bào)告表明，在溫升試驗(yàn)中，額定轉(zhuǎn)速1500r/min時(shí)2號(hào)機(jī)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子溫度從40℃升高到83.5℃，瓦振動(dòng)幅值由21μm升高到45μm，振動(dòng)水平增加明顯，增加近一倍（如圖3所示）。而在熱態(tài)停機(jī)過程中過臨界振動(dòng)也遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于升速過臨界的振動(dòng)（如圖4所示），以上特征均說明該轉(zhuǎn)子的熱矢量比較大。

圖3 轉(zhuǎn)子廠內(nèi)溫升試驗(yàn)

圖4 冷熱態(tài)起停機(jī)振動(dòng)比較

（3）與1號(hào)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子比較，2號(hào)發(fā)電機(jī)最終動(dòng)平衡后過臨界時(shí)振動(dòng)水平（冷熱態(tài)）接近廠家內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)100μm，而1號(hào)機(jī)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子最終動(dòng)平衡后過臨界時(shí)振動(dòng)水平僅為55μm。

從出廠報(bào)告可以推測(cè)[3,4,7]，在制造廠該轉(zhuǎn)子先進(jìn)行冷態(tài)平衡。冷態(tài)振動(dòng)合格后進(jìn)行溫升試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)2號(hào)機(jī)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子具有較強(qiáng)的熱敏感性（熱矢量），在熱態(tài)下振動(dòng)又比較大（熱矢量比較大，見圖3、4），所以再次進(jìn)行熱態(tài)平衡。但熱態(tài)平衡時(shí)必然對(duì)已做好的冷態(tài)平衡造成一定破壞，導(dǎo)致了冷態(tài)下振動(dòng)有所增大。同時(shí)，出廠前為了兼顧冷熱態(tài)振動(dòng)，折衷計(jì)算反復(fù)平衡，并導(dǎo)致動(dòng)平衡反復(fù)調(diào)整，次數(shù)非常多，制造廠也證實(shí)了上述推測(cè)。

3 過臨界振動(dòng)高處理

基于上述分析，冷態(tài)一階殘余不平衡質(zhì)量大是升速過臨界振動(dòng)大的主要原因。為進(jìn)一步改善軸系振動(dòng)水平，利用小修窗口對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子實(shí)施了一次現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡[1,10,15]。

根據(jù)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子具體結(jié)構(gòu)，現(xiàn)場(chǎng)不抽轉(zhuǎn)子的情況下只能在發(fā)電機(jī)兩端風(fēng)扇環(huán)平衡槽內(nèi)加重?，F(xiàn)場(chǎng)采取對(duì)稱加重的方式，考慮到發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子較重（233t），風(fēng)扇環(huán)位置離轉(zhuǎn)子中心較遠(yuǎn)，在參考其它發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子加重經(jīng)驗(yàn)并兼顧工期要求保守考慮，最終確定在兩端風(fēng)扇環(huán)內(nèi)分別加重1400g∠60°。

加重后再次起機(jī)，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)9瓦水平向過臨界基頻振動(dòng)降至202μm，有明顯改善，動(dòng)平衡前后過臨界振動(dòng)水平見表3（水平向）。

表3 動(dòng)平衡前后升速過臨界振動(dòng)（基頻）mm∠o

受時(shí)間窗口限制，本次動(dòng)平衡僅加重一次。從動(dòng)平衡試驗(yàn)結(jié)果來看，本次加重角度正確。但考慮工期限制加重偏保守，因此加重產(chǎn)生的響應(yīng)有限，如繼續(xù)增大平衡質(zhì)量，則過臨界振動(dòng)水平還會(huì)進(jìn)一步獲得降低。

總體來看，動(dòng)平衡達(dá)到了預(yù)期的目的，未經(jīng)試重，一次加重即明顯改善過臨界振動(dòng)水平，增加了機(jī)組安全裕度，降低了運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，為進(jìn)一步降低機(jī)組過臨界振動(dòng)水平打下良好基礎(chǔ)。

4 結(jié)論

（1）紅沿河核電廠2號(hào)機(jī)發(fā)電機(jī)過臨界振動(dòng)高主要是轉(zhuǎn)子存在一定的殘余一階不平衡質(zhì)量。

（2）發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子存在較大的熱矢量是導(dǎo)致升降速過臨界振動(dòng)差別大的主要原因，而出廠進(jìn)行的折衷平衡一方面導(dǎo)致平衡調(diào)整反復(fù)進(jìn)行，另一方面也導(dǎo)致冷熱態(tài)振動(dòng)值難以兼顧，以及殘余不平衡量比較大。

（3）從各種渠道反饋的信息來看，有多家電廠的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子存在對(duì)熱敏感、過臨界振動(dòng)大等類似問題，且轉(zhuǎn)子類型相似，為同一廠家生產(chǎn)，懷疑與轉(zhuǎn)子材質(zhì)有關(guān)，需要進(jìn)一步核實(shí)。

（4）通過現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡證明，盡管其響應(yīng)水平遠(yuǎn)低于常見的全速機(jī)，但可以通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施一階動(dòng)平衡來改善發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子過臨界振動(dòng)水平。

（5）因?yàn)閲?guó)內(nèi)首次進(jìn)行該類轉(zhuǎn)子現(xiàn)場(chǎng)加重，缺乏同類型轉(zhuǎn)子風(fēng)扇環(huán)處加重的響應(yīng)數(shù)據(jù)，偏于保守，但為后續(xù)此類轉(zhuǎn)子現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡積累了寶貴的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)。

[1] 寇勝利. 汽輪發(fā)電機(jī)組的振動(dòng)及現(xiàn)場(chǎng)平衡[M]. 中國(guó)電力出版社, 2007.

[2] 施維新, 石靜波. 汽輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)及事故[M]. 中國(guó)電力出版社, 2008.

[3] 寇勝利. 汽輪發(fā)電機(jī)的熱不平衡振動(dòng)[J]. 大電機(jī)技術(shù), 1998(5):12-18.

[4] 寇勝利, 尹賜君. 元寶山電廠600MW發(fā)電機(jī)的振動(dòng)[J]. 大電機(jī)技術(shù), 2003(6):20-25.

[5] 張學(xué)延. 汽輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)診斷[M]. 中國(guó)電力出版社, 2008.

[6] 李錄平. 汽輪機(jī)組故障診斷技術(shù)[M]. 中國(guó)電力出版社, 2002.

[7] 張學(xué)延, 王延博, 葛祥,等. 華潤(rùn)彭城發(fā)電廠1號(hào)汽輪發(fā)電機(jī)組軸承振動(dòng)分析及處理[J]. 中國(guó)電力, 2005, 38(01):53-56.

[8] 張學(xué)延, 張衛(wèi)軍, 葛祥,等. 西門子技術(shù)1000MW超超臨界機(jī)組軸系振動(dòng)問題[J]. 中國(guó)電力, 2012, 45(05):68-72.

[9] 張衛(wèi)軍, 陳勝軍, 張學(xué)延,等. 某臺(tái)超超臨界1000MW機(jī)組振動(dòng)故障診斷與治理[J]. 熱力發(fā)電, 2012, 41(2):64-67.

[10] 寇勝利. 發(fā)電機(jī)的現(xiàn)場(chǎng)平衡[J]. 大電機(jī)技術(shù), 2006(1):14-17.

Analysis and Handling of the Problem of No.2 Generator Critical Velocity Vibration in Hongyanhe Nuclear Power Plant

LIU Zheng, WANG Jineng, LI Yuanzheng

(Liaoning Hongyanhe Nuclear Power Co., Ltd., Dalian 116000, China)

For the problem of No.2 generator critical velocity high vibration during cold-state startup in Hongyanhe Nuclear Power Plant, it is found that the cause is great imbalance of the rotor at cold-state. Trace to the source to discover the existence of thermal deformation(thermal vector), and first carry out field dynamic balancing of this type rotor in China. Critical vibration was reduced effectively by primary weighting. Valuable data was accumulated for one-order dynamic balancing of the same type generator rotor.

steam turbine-generator; one-order critical speed; vibration; dynamic balance

TM301.4+2

B

1000-3983(2017)05-0052-03

2016-09-19

劉政（1985-），2007年畢業(yè)于華中科技大學(xué)熱能動(dòng)力工程專業(yè)，現(xiàn)在遼寧紅沿河核電有限公司從事旋轉(zhuǎn)設(shè)備振動(dòng)故障分析與診斷工作，工程師，ISO18436國(guó)際認(rèn)證Ⅲ級(jí)振動(dòng)分析師。