采石場爆破震動對鶴淇電廠的影響及應對措施

劉建松，劉 禾，岳福嶺，姚秀紅，吳岳嵩，殷江濤

（1.鶴淇發(fā)電有限責任公司，河南鶴壁 456792；2.華北電力大學，北京 102206）

0 引言

地震波可對發(fā)電機組轉動設備的振動產(chǎn)生較大影響。在汶川地震中：距震中317 km、地處秦嶺腹地的大唐略陽發(fā)電廠，其6#機組為330 MW濕冷汽輪發(fā)電機組，地震時該機組4#，6#，7#軸承軸振超過180 μm保護跳機；距離震中630 km的華能銅川電廠，地處關中平原與陜北黃土高原的過渡地帶，有2臺600 MW直接空冷機組在地震時振動反應基本相同，1#機組地震前后軸系 1#～8#周振幅值全部增加，其中 3Y，4Y，6Y，7Y 分別增加61.5 μm，73.3 μm，66.2 μm，70.9 μm。

鶴壁鶴淇電廠“上大壓下”新建工程，建設2臺660 MW超超臨界燃煤發(fā)電機組，廠址位于鶴壁市淇濱新區(qū)西南約8 km的淇縣廟口鎮(zhèn)原本廟村北，太行山東麓。廠址西側3.6 km處為葛澗村西山的開山采石場，經(jīng)常開山采石爆破，產(chǎn)生的地震波引起附近地面震動。在鶴淇電廠工地不時會感覺到地面強烈的震動、晃動。鶴淇電廠場地內地基土由第四系沖洪積與坡殘積的粉質黏土、粉土、黏土、卵石和姜石土以及泥巖組成，采石爆破是否會造成機組轉動設備的振動超限保護頻繁動作、影響機組正常運行，需要采取哪些措施，鶴淇電廠在試運、投產(chǎn)之前應研究清楚并解決這些問題。

1 轉動設備振動檢測、保護的設置情況

鶴淇電廠設置振動大停機、跳閘保護的旋轉設備有汽輪機、給水泵小汽輪機、引風機小汽輪機、送風機、引風機、一次風機、給水泵等，采用EMERSON的CSI6500系列的軸振、瓦振檢測裝置，對全廠帶保護的轉動設備的軸振、瓦振動進行檢測。

1.1 汽輪機振動檢測、保護的設置

汽輪機型號為C660-25/0.3/600/600，為超超臨界、一次中間再熱、單軸、四缸四排汽、抽汽凝汽式汽輪機，自機頭看汽輪機逆時針旋轉。發(fā)電機型號為QFSN-660-2-22B，為水氫氫汽輪發(fā)電機。

汽輪發(fā)電機組有1#～10#，共計10個軸承，每個軸承采用一塊A6110型監(jiān)測模件、2個PR6423/01型（配套CON021前置器）傳感器，檢測軸振。感器器PR6423沿垂直于轉軸的軸線方向固定在上部軸瓦上，從汽機前軸承箱向低壓缸方向看，X向在垂線左側45°方向、Y向在垂線的右側45°方向。A6110型監(jiān)測模件的2個獨立的檢測通道，分別連接X與Y向的CON021前置器，前置器通過預制電纜連接PR6423傳感器。模件分別輸出X，Y方向軸振大報警、軸振過大跳機開關量信號至繼電器，繼電器輸出相應的軸振大報警、軸振過大跳機信號至ETS（汽輪機危急遮斷系統(tǒng)）。模件分別輸出X，Y方向的軸振所對應的（4～20）mA 電流信號至 DCS，（4～20）mA 對應于（0～300）m 的軸振測量量程。

ETS 裝置為冗余的 MODICON—— —Quant μm140 PLC，軸振停機保護邏輯：ETS裝置接受到1#～10#任一軸承、任一向軸振達發(fā)出的軸振大報警信號、且接收到其它任一軸承、任一向軸振過大停機信號，持續(xù)3 s后，ETS裝置發(fā)出軸振大停機保護信號。

汽輪機軸振大報警值為150 μm，過大跳機值為250 μm。

在汽輪機組1#～10#軸承正上方各安裝1個PR9268型傳感器，1#，2#瓦的傳感器合用1個A6120型監(jiān)測模塊，其他瓦振傳感器、監(jiān)測模塊相同，9#，10#瓦的傳感器合用1個A6120型監(jiān)測模塊。A6120型模塊有2個獨立的通道，瓦振監(jiān)測模塊的每個通道輸出（4～20）mA的瓦振信號至DCS，對應量程0～20 mm/s瓦振信號量程為（0～100）μm。瓦振高I值報警值為50 μm，瓦振高II值報警值80 μm，瓦振監(jiān)測模塊輸出瓦振大報警開關量信號至DCS。

1.2 輔機振動超檢測、保護的設置

1.2.1 送風機、一次風機、引風機

（1）送風機、一次風機。送風機為上海鼓風機廠有限公司生產(chǎn)的FAF26.6-14-1軸流式送風機，一次風機亦為該廠生產(chǎn)，為PAF18.5-13.3-2軸流式送風機。每臺一次風機上設置1個垂直、1個水平方向瓦振測點，傳感器分別采用PR9268/201（安裝方向垂直）、PR9268/301地震式傳感器（安裝方向水平）。每臺一次風機配置一臺MMS3120檢測監(jiān)測儀表。該儀表有2個獨立的檢測通道，MMS3120 輸出 4～20 mA 信號至DCS，量程（0～20）mm/s。

（2）引風機。為成都電力機械廠生產(chǎn)的HA46048-2F軸流式引風機。在引風機的外殼上上一階分別設置1個垂直、1個水平方向瓦振測點，傳感器分別采用PR9268/201（安裝方向垂直）、PR9268/301地震式傳感器（安裝方向水平），每臺引風機的2個瓦振傳感器合用一個A6120型監(jiān)測模塊。DCS、MEH（小汽輪機數(shù)字電液控制系統(tǒng)）、FMEH（引風機小汽輪機數(shù)字電液控制系統(tǒng)）裝置為EMERSON的OVATION3.5系統(tǒng)。

送風機、一次風機、引風機的振動保護分別通過DCS實現(xiàn)，其邏輯為：一個瓦振值達到報警值且另一個瓦振值達到高跳閘值，持續(xù)5 s后DCS發(fā)出跳閘指令。送風機、一次風機、引風機振動大報警值為6.3 mm/s，振動大跳閘值為11 mm/s。

1.2.2 給水泵小汽輪機

該設備為東汽生產(chǎn)的G16-1.0型的單缸小汽輪機，與給水泵配套。給水泵由上海電力修造總廠有限公司生產(chǎn)，型號為HPT350-370。每臺機組配置2臺給水泵及給水泵小汽輪機，給水泵轉軸與小汽輪機轉軸直接連接，軸心在同一直線上，小汽輪機有2個軸承，給水泵有2個軸承，給水泵及小汽輪機軸系共計有4個軸承。

每個軸承安裝一個X向、一個Y向PR6423（配套CON021前置器）傳感器；每個軸承的2個傳感器配置一塊振動模件A6110，模件的2個通道分別監(jiān)測一個點的X與Y方向的振動值，模件分別輸出X，Y方向的軸振所對應的4～20 mA電流信號至DCS，電流信號與（0～300）m 的軸振測量范圍相對應。

給水泵及小汽輪機軸振停機保護通過MEH裝置實現(xiàn)，其邏輯為：1#～4#任一軸承的8個軸振信號任一達到跳機值且其他的信號中任一達到報警值，持續(xù)3 s后MEH裝置直接跳小汽輪機。給水泵及小汽輪機軸振報警值為100 μm，小汽輪機軸振跳機值為125 m。

引風機小汽輪機是有東汽生產(chǎn)的、N7-1.0型的單缸單軸、單流、沖動式汽輪機，配套變速齒輪箱，每臺機組設置了兩臺引風機小汽輪機、兩臺變速齒輪箱，引風機小汽輪機與齒輪箱的高速軸直接連接，軸心在同一直線上，齒輪箱的低速軸與引風機直接連接軸心在同一直線上。

小汽輪機有2個軸承，引風機齒輪箱有4個軸承，每個軸承安裝一個X向、一個Y向PR6423（配套CON021前置器）傳感器；每個軸承的2個傳感器配置一塊振動模件 A6110。

引風機小汽機振動保護通過FMEH裝置實現(xiàn)，其邏輯為：風機小汽機2個軸承的4個振信號任一軸達到跳機值且其他的信號中任一達到報警值，持續(xù)3 s后FMEH裝置輸出跳小汽輪機指令。引風機小汽輪機軸振報警值為100 μm，小汽輪機軸振跳機值為125 μm。

引風機小汽機齒輪箱振動保護通過FMEH裝置實現(xiàn)，其邏輯為：齒輪箱8個軸振信號任一信號達到跳機值且其他的信號中任一達到報警值，持續(xù)3 s后FMEH裝置直接跳小汽輪機。齒輪箱高速軸的軸振報警值為68 μm，小汽輪機軸振跳機值為101 μm。齒輪箱低速軸的軸振報警值為92 μm，小汽輪機軸振跳機值為137 μm。

2 地震波的特點

地震波為非正弦波，沒有固定不變的頻率和波長，參考地震勘探中常見的3種地震子波的特點[2]。零相位Ricker子波的主頻約為35.71 Hz，峰值頻率約為27.34 Hz，中心頻率約為率28.7 Hz（圖1）。零相位Zinc子波的低截頻為10 Hz，高截頻為70 Hz，主頻約為 50 Hz，中心頻率約為 39.99 Hz（圖 2）。正弦指數(shù)衰減子波的主頻約為35.71 Hz，峰值頻率約為31.25 Hz，中心頻率約為31.95 Hz（圖3）。

3 所用檢測傳感器及監(jiān)測模件的特性

3.1 瓦振檢測傳感器及監(jiān)測模件的特性

瓦振檢測采用PR9268傳感器與A6120監(jiān)測模塊或MMS3120監(jiān)測儀表配套進行。

由一個地震塊和一個由彈簧片支持的測量線圈組成。測量元件可在一個圓形永久磁鐵的磁場中移動，傳感器外殼振動，傳感器把機械能轉換為電能，產(chǎn)生一個與振動速度成正比的電壓信號，檢測頻率范圍（4～1000）Hz。傳感器把電壓信號送至監(jiān)測模塊或監(jiān)測儀表，后者把接收到的與振動速度成正比的電壓信號進行處理后、輸出振速信號，在檢測汽輪機瓦振時，監(jiān)測模塊把接收到的與振動速度成正比的電壓信號進行積分等處運算處理，顯示、輸出振幅信號。

圖1 零相位Ricker子波

圖2 零相位Zinc子波

圖3 正弦指數(shù)衰減子波子波

3.1.1 振動傳感器與監(jiān)測模件之間的關系

軸承簡諧振動的方程見式（1）。

式中 S—— —位移，mm

f—— —頻率，Hz

A—— —振幅，mm

t—— —時間，s

3.1.2 傳感器與測模塊（或檢測監(jiān)測儀表）之間的關系

對位移進行時間微分就可得到振速，對（1）式進行微分得出軸承振速公式。

設傳感器的靈敏度為K（單位mV/(mm/s）），輸出電動勢有效值為U（單位為mV），U與監(jiān)測模塊（或監(jiān)測儀表）顯示、輸出的振幅值的對應關系見式（3）。

由以上關系可知，傳感器直接監(jiān)測到軸瓦在垂直（水平面）方向上的絕對振速，監(jiān)測模塊通過檢測到的傳感器的電壓的有效值以簡諧振動模型計算得出振動振幅值；地震波的頻率在傳感器的檢測頻率范圍內，因地震波為非正弦波，傳感器只能感應到地震引起的軸瓦復合震動的振速，監(jiān)測模塊計算指示出復合震動正弦分量的振幅值。

3.2 軸振檢測傳感器及監(jiān)測模件的特性

傳感器PR6423采用渦流檢測原理，其與前置器CON021形成一個振蕩器，振幅隨傳感器探頭與金屬被測物的接近而衰減，衰減幅度與傳感器和被測物之間的距離成正比。前置器輸出直流電壓上疊加與軸振動成正比的交流電壓信號、至振動模塊A6110，模塊對接收到的信號進行積分運算后指示并輸出軸振振幅值，檢測頻率范圍為（0～1）kHz。

設傳感器（含前置器）的靈敏度為K（單位為mV/mm），輸出電動勢有效值為U（單位為mV），則U與模塊A6110顯示、輸出的振幅值的對應關系見式（4）。

從以上可知，傳感器（包含前置器）直接檢測到軸承徑向動靜之間的間隙和振動，模塊A6110通過計算得出振動幅值；地震波的頻率在傳感器（包含前置器）能檢測到的頻率范圍內，因地震波為非正弦波，傳感器（包含前置器）和振動模件配套能檢測出地震引起的軸承復合振動的波形、包括非正弦波，能檢測到地震引起的軸承徑向動靜之間的復合振動，但監(jiān)測不到地震引起的動靜之間的軸向振動。

4 開山采石爆破地震波對電廠轉動設備振動超限保護的影響

開山采石爆破地震對發(fā)電機組及輔機的影響，是地震波引起的地面運動，通過鋼筋混凝土框架基礎、連接管道耦合后形成對機組設備的瞬態(tài)擾動，動力響應的大小與機組各部分自身低階固有頻率有關。

4.1 不會造成汽輪發(fā)電機組復合振動振幅達到停機值的、開山采石爆破地震波最大振幅

如果將軸承座、框架簡化為質量、彈簧、阻尼的簡單機械動力學模型，地震來臨時如果激勵頻率等于、接近該力學模型的固有頻率時，將會引起大動力響應。鶴淇電廠的一階發(fā)電機臨界頻率帶為（14.183～17.517）Hz，一階汽機臨界頻率帶為（27.517～34.05）Hz，汽輪機的正常旋轉振動的基頻為50 Hz。汽輪機的臨界頻率、旋轉基頻在地震波的激勵頻率范圍之內，與地震波的中心頻率和主頻更接近，一階發(fā)電機臨界頻頻率與地震波的中心頻率和主頻有距離，地震波會對汽輪機的振動影響更大。這一情況，可以從汶川地震中略陽電廠、銅川電廠的汽輪發(fā)電機組的軸系振動變化得到驗證。

鶴淇電廠1#～4#瓦采用可傾瓦?？蓛A瓦自位能力強，抗震穩(wěn)定性好，可抑制地震對軸振的影響；5#～10#瓦采用橢圓瓦。橢圓瓦和轉軸之間的動力潤滑油為液體，地震時只會傳播縱波而不會傳播橫波。潤滑油有一定黏性，相當于一個阻尼器，對沖擊和擾動具有抑制作用。

地震波引起的地面運動通過鋼筋混凝土框架基礎、連接蒸汽管道耦合后形成對機組設備的瞬態(tài)擾動，多個擾力作用時，汽機軸承振動（質點）的合成的復合振動的幅值。其中，A為汽機振動振幅，A1為地震振幅。因此

根據(jù)《火電機組達標投產(chǎn)驗收規(guī)程》，汽輪機允許的地震振幅軸系振動測試最大值≤76 μm，代入A1汽輪機的軸振停機保護振幅限值為 250 μm，代入 A0，A1=238.2 μm。即：在汽輪機組安裝達標時，汽輪機基礎處的地震振幅小于238.2 μm，機組復合振動的振幅不會超過停機值。汽輪機瓦振高I值報警值為50 μm，瓦振高II值報警值80 μm；A參考同類型汽輪機的正常運行時瓦振，A1為238.2 μm，代入公式則計算得 A=238.2 μm。

在有開山爆破產(chǎn)生的地震引起機組軸振大停機保護動作前時，汽輪機瓦振會提前大幅超越報警值。

4.2 不會造成汽輔機復合振動達到停機值的、開山采石爆破地震波最大值

4.2.1 不會造成汽輔機復合振動軸振達到停機值的地震波最大值

在輔機軸振保護中，以引風機小汽輪機齒輪箱的軸振跳閘保護的振幅限值最小為101 μm。

根據(jù)《火電機組達標投產(chǎn)驗收規(guī)程》，引風機小汽輪機組允許的地震軸系振動測試最大值≤76 μm，代入A1，引風機小汽輪機齒輪箱的軸振跳閘保護的振幅限值為101 μm，代入A0，則A1=66.52 μm。即：給水泵汽輪機組安裝達標時，汽輪機基礎處的地震振幅小于66.52 μm，給引風機小汽輪機齒輪箱軸承的復合振動的振幅才能不會超過停機值。

4.2.2 不會造成汽輔機復合振動瓦振達到停機值的地震波最大值

一次風機正常運轉時的基頻為25 Hz，送風機正常運轉時的基頻為16.7 Hz，在地震波的激勵頻率范圍之內，但與地震波的主頻和中心頻率有距離，地震波增大會增大一次風機、送風機、引風機的振動。地震波引起的地面運動通過鋼筋混凝土框架基礎、連接管道耦合后形成對機組設備的瞬態(tài)擾動，多個擾力作用時，轉動設備的軸承振動（質點）的合成的復合振動的振速有效值其中，V為汽機振動振幅，V為地震振速有效值。由此可得

根據(jù)技術協(xié)議，送風機、一次風機、引風機制造廠家的風機瓦振的振速均方根保證值≤4.0 mm/s，作為V，風機瓦振停機值為 11 mm/s為 V1，則 V1=10.25 mm/s。即，送風機、一次風機、引風機出廠軸承振動指標符合技術協(xié)議要求，送風機、一次風機、引風機基礎處的地震振速有效值最大值10.25 mm/s，送風機、一次風機、引風機復合軸承振動的振速才能不會超過停機值。

4.3 不會造成電廠轉動設備的復合振動達到停機值的、采石爆破產(chǎn)生的地方性震級

地方性震級計算公式

式中 ML——地方性震級

A—— —地震最大振幅，μm

R（△）——地方性震級的量規(guī)函數(shù)，可以從對照表查出

△—— —震中距，km

采石場與鶴淇電廠直線距離3.6 km，查資料（河南）可知R（△）=1.9，將 A=238.2 μm 代入式（5），可得 ML=4.28。即：在汽輪機組安裝達標時，采石場的采石爆破產(chǎn)生的地震大于4.277級時，汽輪機機組復合振動的振幅會超過停機值。

將 A=238.2 μm 代入上式（5），可得 ML=3.73。即：引風機小汽輪機齒輪箱安裝達標前提下，采石場的采石爆破產(chǎn)生的地震大于3.9級時，給水泵汽輪機組復合振動的振幅會超過停機值。

同理，將 A=46.14 μm 代入式（5），可得 ML=3.56 ≈3.6≥3.5。即：在送風機、一次風機、引風機出廠振動指標符合技術協(xié)議前提下，采石場的采石爆破產(chǎn)生的地震大于3.6級時，送風機、一次風機、引風機復合振動的振速會超過停機值，小于3.5級時復合振動的振速會小于停機值。

5 采取的措施

微差爆破能有效地控制爆破沖擊波、振動，可以通過控制微差爆破的時間間隔、避開轉動設備的臨界頻率、基頻。鶴淇電廠的汽輪發(fā)電機組、引風機汽輪機輔機、給水泵汽輪機、送風機、一次風機、引風機、給水泵運行時振動的最小基頻為16.7 Hz，最小臨界頻率為14.183 Hz，控制微差爆破的延期間隔＞71 ms，微差爆破的頻率就避開14.183 Hz的臨界頻率和16.7 Hz的基頻。

2014年在機組開始安裝試運前，鶴淇電廠向鶴壁市政府提出請求，鶴壁市政府根據(jù)請求立即正式向采石場提出要求，要求采用場采用微差爆破，降低震動對附近的影響，采石爆破產(chǎn)生的地震必須＜3.5級，爆破的延期間隔≥71 ms。葛澗村西山的開山采石場按要求執(zhí)行，采用時差爆破。機組開始試運后，在鶴淇電廠廠區(qū)內還未發(fā)現(xiàn)爆破產(chǎn)生的強烈的地面震動、晃動的情況。

經(jīng)過對比分析，1#機組負荷300 MW發(fā)電機組機組的振軸相對最小、2#機組負荷310 MW發(fā)電機組機組的振軸相對最小。運行部關注汽輪機及其他轉動設備的瓦振值，一旦出現(xiàn)多個瓦震同時超過報警值情況，調整機組負荷至機組振動最小時對應的負荷。

6 效果

機組投產(chǎn)后，主機、輔機的振動值全部符合技術協(xié)議和達標投產(chǎn)的要求。機組投運近兩年來，主機、輔機振動保護全部投入，主機、輔機未出現(xiàn)因開山爆破引起的振動大跳閘情況，進一步驗證了采取的措施是有效、合理的。

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