660 MW水氫氫冷發(fā)電機(jī)定子振動(dòng)的分析與處理1）

劉 偉,史慶峰,黃少華,趙冬冬

(中核核電運(yùn)行管理有限公司,浙江 海鹽 314300)

中核核電運(yùn)行管理有限公司 (以下簡(jiǎn)稱“中核運(yùn)行”)秦二廠共有4臺(tái)660 MW壓水堆核電機(jī)組。作為常規(guī)島的關(guān)鍵主設(shè)備之一,4臺(tái)機(jī)組的汽輪發(fā)電機(jī)均由國(guó)內(nèi)發(fā)電機(jī)廠在引進(jìn)美國(guó)西屋技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)制造,額定轉(zhuǎn)速3000 r/min,無(wú)刷勵(lì)磁。

秦二廠3、4號(hào)機(jī)組發(fā)電機(jī)型號(hào)為QFSN-660-2,“QF”代表汽輪發(fā)電機(jī),“S”代表定子線棒水冷,“N”代表定子鐵芯和轉(zhuǎn)子繞組氫冷,“660”額定容量為660 MW,“2”代表二極。發(fā)電機(jī)定子采用焊接的機(jī)座結(jié)構(gòu),鐵芯通過(guò)高強(qiáng)度彈簧鋼板組成的高效隔振裝置固定在機(jī)座內(nèi),兩端焊接式端蓋支撐轉(zhuǎn)子和軸承。氫氣冷卻器外罩為鋼板焊接的圓拱形結(jié)構(gòu),橫向?qū)ΨQ布置在發(fā)電機(jī)機(jī)座的兩端頂部,外罩內(nèi)各裝有一臺(tái)氫氣冷卻器。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子凈重66 t,總裝配重量490 t,通過(guò)在機(jī)座底腳與臺(tái)板之間設(shè)置階梯墊片使機(jī)座的作用集中在基礎(chǔ)的兩端,對(duì)稱分布在兩側(cè),很快向中間衰減,以改善端蓋軸承的支撐剛度來(lái)降低機(jī)組的振動(dòng)。圖1是發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖。

1 問(wèn)題介紹

1.1 問(wèn)題產(chǎn)生

中核運(yùn)行秦二廠4號(hào)機(jī)組于2011年11月首次進(jìn)行核蒸汽沖轉(zhuǎn),汽輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速升至3000 r/min額定轉(zhuǎn)速后,發(fā)電機(jī)定子出現(xiàn)較大振動(dòng),附近樓板和地面振感明顯。使用便攜式儀表對(duì)發(fā)電機(jī)端蓋靠近軸承處的水平方向振動(dòng)測(cè)量結(jié)果顯示:振動(dòng)速度值在9～10 mm/s間波動(dòng)、振動(dòng)位移值在80～90μm間波動(dòng),并且振動(dòng)幅值隨發(fā)電機(jī)定子的高度增加而增加,發(fā)電機(jī)頂部的氫氣冷卻器外罩振動(dòng)最大,達(dá)到24 mm/s。定子振動(dòng)屬于典型的工頻振動(dòng)。發(fā)電機(jī)機(jī)座的底腳與臺(tái)板之間基本上無(wú)差別振動(dòng)。

圖1 發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Str ucture of the power generator

通過(guò)TDM查看發(fā)電機(jī)軸振和蓋振:轉(zhuǎn)子汽端的X方向通頻/基頻/相位分別為97μm/77 μm/74,Y方向分別為59μm/49μm/97,蓋振37μm;轉(zhuǎn)子勵(lì)端的X方向通頻/基頻/相位分別為99μm/94μm/321,Y方向分別為83μm/78 μm/206,蓋振15μm。按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),軸振127 μm以下合格,蓋振50μm以下合格。因此,4號(hào)發(fā)電機(jī)的振動(dòng)現(xiàn)象是:發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸振和汽端蓋振偏大,但都在合格范圍內(nèi),發(fā)電機(jī)定子振動(dòng)明顯較大,并且定子離基礎(chǔ)越高的部位振動(dòng)越大。

14由于發(fā)電機(jī)制造廠資料并無(wú)關(guān)于定子振動(dòng)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),為了更加科學(xué)地評(píng)價(jià)4號(hào)發(fā)電機(jī)定子振動(dòng)水平,經(jīng)過(guò)查找資料并與廠家討論,最終確定了評(píng)價(jià)定子振動(dòng)的兩份標(biāo)準(zhǔn):JB/T 10392—2002《透平發(fā)電機(jī)定子鐵心、機(jī)座模態(tài)試驗(yàn)分析和振動(dòng)測(cè)量方法及評(píng)定》和GB/T 6075.2—2007/ISO 10816—2:2001 《在非旋轉(zhuǎn)部件上測(cè)量和評(píng)價(jià)機(jī)器的機(jī)械振動(dòng)第二部分:50 MW以上,額定轉(zhuǎn)速1500 r/min、1800 r/min、3000 r/min、3600 r/min陸地安裝的汽輪機(jī)和發(fā)電機(jī)》。JB/T 10392—2002對(duì)測(cè)點(diǎn)布置、傳感器選擇、測(cè)量參數(shù)、測(cè)量工況以及鐵芯振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)均作了說(shuō)明,GB/T 6075.2—2007則將機(jī)器的振動(dòng)劃分為A、B、C、D四個(gè)區(qū)域,并給出了由經(jīng)驗(yàn)值劃分出的區(qū)域邊界,表征機(jī)器在不同振動(dòng)水平下的運(yùn)行限制條件。根據(jù)以上2個(gè)標(biāo)準(zhǔn),最終確定對(duì)4號(hào)發(fā)電機(jī)的振動(dòng)測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示,并將圖中A/B測(cè)點(diǎn)作為評(píng)價(jià)發(fā)電機(jī)定子振動(dòng)水平的考核點(diǎn),要求該點(diǎn)在機(jī)組長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)速度通頻值不應(yīng)超出7.5 mm/s,機(jī)組短期運(yùn)行時(shí) (有停機(jī)處理窗口)不應(yīng)超過(guò)11.8 mm/s。顯然,4號(hào)發(fā)電機(jī)首次核蒸汽沖轉(zhuǎn)后的定子振動(dòng)已嚴(yán)重超標(biāo)。

圖2 振動(dòng)測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.2 Layout of vibration measuring points

1.2 臨時(shí)治理

4號(hào)機(jī)組首次核蒸汽沖轉(zhuǎn)后,機(jī)組停機(jī)進(jìn)行商運(yùn)前的小修。2011年12月份機(jī)組再次啟動(dòng),發(fā)電機(jī)9瓦 (汽端)X方向軸振從87μm緩慢上升,最大達(dá)到131μm。決定停機(jī)動(dòng)平衡,一方面希望降低發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸振,另一方面通過(guò)減小軸振力從而降低發(fā)電機(jī)瓦振和定子振動(dòng)。分別在汽發(fā)對(duì)輪配重881 g∠265°、勵(lì)發(fā)對(duì)輪配重770 g∠40°,9瓦軸振從124μm降至72μm,10瓦軸振從99μm降至85μm,但發(fā)電機(jī)瓦振和定子振動(dòng)均無(wú)明顯變化。為盡量降低發(fā)電機(jī)定子振動(dòng),根據(jù)發(fā)電機(jī)制造廠的建議,在發(fā)電機(jī)兩端氫冷器頂部搭建腳手架并加沙袋,現(xiàn)場(chǎng)照片見(jiàn)圖3。

圖3 發(fā)電機(jī)頂部加裝沙袋Fig.3 Sandbags on the top of the generator

汽勵(lì)兩端分別加重2.2 t和1.8 t沙袋后,考核點(diǎn)的振動(dòng)從24 mm/s大幅下降至13.4 mm/s,但依然超出7.5 mm/s的長(zhǎng)期運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn),繼續(xù)加重對(duì)振動(dòng)幅值降低程度減小、甚至不再降低。為使發(fā)電機(jī)能夠長(zhǎng)期運(yùn)行,決定嘗試以降低9瓦瓦振為目標(biāo)進(jìn)行2次動(dòng)平衡,在汽發(fā)對(duì)輪再次加重800 g∠270°,9瓦的瓦振由29μm降至22μm,10瓦基本不變,發(fā)電機(jī)定子振動(dòng)從13.4 mm/s降至7.14 mm/s,滿足長(zhǎng)期運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)。

4號(hào)發(fā)電機(jī)在壓沙袋的情況下運(yùn)行首個(gè)燃料循環(huán)周期后,于2013年1月份迎來(lái)首次機(jī)組換料大修。為從根本上解決發(fā)電機(jī)振動(dòng)問(wèn)題,實(shí)施了表1中的9項(xiàng)處理措施,檢查和處理結(jié)果均滿足要求,但大修結(jié)束后發(fā)電機(jī)定子振動(dòng)仍明顯超標(biāo),需要壓沙袋運(yùn)行。

表1 首次大修處理措施Table 1 First overhaul measures

2 原因分析與仿真

2.1 根本原因分析

通過(guò)對(duì)歷次啟停機(jī)過(guò)程進(jìn)行觀察發(fā)現(xiàn),4號(hào)發(fā)電機(jī)振動(dòng)存在規(guī)律,即:發(fā)電機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中,從0 r/min升速至2870 r/min的階段,定子振動(dòng)一般處于較低水平,一旦轉(zhuǎn)速接近3000 r/min,定子振動(dòng)立刻大幅增長(zhǎng);發(fā)電機(jī)停機(jī)過(guò)程中,轉(zhuǎn)速一旦從3000 r/min降至2870 r/min以下,定子振動(dòng)立刻明顯減小。同一制造廠設(shè)計(jì)生產(chǎn)的3號(hào)發(fā)電機(jī)在3000 r/min附近卻無(wú)如此明顯的振動(dòng)峰值。因此,分別在3、4號(hào)機(jī)組大修停機(jī)窗口,對(duì)3、4號(hào)發(fā)電機(jī)進(jìn)行了定子振動(dòng)對(duì)比測(cè)試,氫冷器的振動(dòng)Bode圖如圖4和圖5。

從圖4和圖5可以看出,4號(hào)發(fā)電機(jī)汽端氫冷器峰值轉(zhuǎn)速為2910 r/min(48.5 Hz),3號(hào)發(fā)電機(jī)汽端氫冷器峰值轉(zhuǎn)速為2639 r/min(44.5 Hz),4號(hào)發(fā)電機(jī)的峰值轉(zhuǎn)速明顯高于3號(hào)發(fā)電機(jī),說(shuō)明4號(hào)發(fā)電機(jī)峰值轉(zhuǎn)速避開(kāi)工作轉(zhuǎn)速裕度小,這是4號(hào)發(fā)電機(jī)定子振動(dòng)大的一個(gè)重要原因。峰值轉(zhuǎn)速存在的根本原因,是由于在該轉(zhuǎn)速附近參振系統(tǒng)存在固有模態(tài)頻率,歷次啟停機(jī)的峰值轉(zhuǎn)速較為固定,說(shuō)明該固有模態(tài)頻率穩(wěn)定存在。為進(jìn)一步確定發(fā)電機(jī)系統(tǒng)是否在50 Hz附近存在固有模態(tài)頻率,在機(jī)組停機(jī)狀態(tài)下,分別對(duì)3、4號(hào)發(fā)電機(jī)定子及基礎(chǔ)系統(tǒng)進(jìn)行錘擊模態(tài)試驗(yàn),測(cè)試結(jié)果如表2。

表2 停機(jī)模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Test results of shutdown mode

模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果顯示,1階振型為發(fā)電機(jī)定子汽端和勵(lì)端同向振動(dòng),2階振型為發(fā)電機(jī)定子汽端和勵(lì)端反向振動(dòng),4號(hào)發(fā)電機(jī)2階固有頻率過(guò)于接近工作頻率是定子振動(dòng)大的根本原因。而靜止?fàn)顟B(tài)下模態(tài)測(cè)試得到的固有頻率相比停機(jī)過(guò)程Bode圖測(cè)得的固有頻率要高出1.5 Hz左右,則是靜止?fàn)顟B(tài)與停機(jī)過(guò)程的轉(zhuǎn)子支撐狀態(tài)差別所致。

2.2 建模仿真與試驗(yàn)

從上一節(jié)原因分析可以看出,4號(hào)發(fā)電機(jī)振動(dòng)大的主要原因是過(guò)于接近工作頻率的2階反向固有頻率振型造成定子共振,因此,降低4號(hào)發(fā)電機(jī)2階固有頻率是解決振動(dòng)問(wèn)題的關(guān)鍵。一般來(lái)說(shuō),調(diào)頻的主要方向包括改變剛度和增加質(zhì)量,考慮到發(fā)電機(jī)總重近500 t,質(zhì)量調(diào)頻的難度和不確定性較大,通過(guò)調(diào)整發(fā)電機(jī)底載分配從而改變剛度成為優(yōu)先選項(xiàng)。從大方向上看,對(duì)發(fā)電機(jī)定子的支撐點(diǎn)外移,端部支撐剛度增大,可有效降低固有頻率,但大型電機(jī)都采用階梯墊片進(jìn)行底載分配,各區(qū)域的載荷標(biāo)準(zhǔn)都有一定的標(biāo)準(zhǔn)范圍。圖7是西屋關(guān)于60萬(wàn)k W發(fā)電機(jī)的底載分配標(biāo)準(zhǔn)。

從圖6可以看出,各區(qū)域底載分配尚有5%左右的調(diào)整空間,下面對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行有限元建模與仿真分析,研究2階固有頻率對(duì)于底載變化的響應(yīng)效果。在 Wor k Bench下的Modal模塊,建立包括原始模型在內(nèi)的5組墊片模型,原始模型依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際底載分配建立,其余4組模型分成不同高度的墊片分布從而代表4組不同的載荷分配。5組模型變化分別為a、b、c、d、e,其中a是原始模型,墊片高度如表3。

表3 模型墊片高度表Table 3 Model gasket altimeter(unit:mm)單位:mm

圖4 4號(hào)發(fā)電機(jī)汽端氫冷器 (峰值轉(zhuǎn)速2910 r/min)Fig.4 Steam end hydrogen cooler for No.4 generator(peak speed 2910 r/min)

圖5 3號(hào)發(fā)電機(jī)汽端氫冷器 (峰值轉(zhuǎn)速2639 r/min)Fig.5 Stea m end hydrogen cooler f or No.3 generator(peak speed 2639 r/min)

圖6 西屋60萬(wàn)k W發(fā)電機(jī)底載分配標(biāo)準(zhǔn)Fig.6 Standar d f or botto mload distribution ofWestinghouse’s 600 MWgenerator

通過(guò)仿真模型計(jì)算得到的發(fā)電機(jī)定子2階振型如圖7。

圖7 發(fā)電機(jī)定子2階振型示意圖Fig.7 Schematic of the second order vibration mode of the generator stator

整理分析結(jié)果,得到5組載荷比的模態(tài)對(duì)比如表4。

表4 模態(tài)對(duì)比表Table 4 Modal contrast

圖8 制造廠內(nèi)模態(tài)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證Fig.8 Experi mental verification of internal mode in the manufacturer

從以上建模結(jié)果可以看出,當(dāng)4組墊片都同發(fā)電機(jī)底腳接觸,僅通過(guò)墊片高度微調(diào)改變底載分配,其2階固有頻率下降幅度有限,若改變墊片高度使最內(nèi)側(cè)墊片 (D區(qū))與發(fā)電機(jī)無(wú)接觸,可有效降低固有頻率。為驗(yàn)證仿真分析結(jié)果,在制造廠選取了一臺(tái)同型發(fā)電機(jī),進(jìn)行變底載比的錘擊模態(tài)實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示:A區(qū)接近75%承載、D區(qū)接近0的狀態(tài)可使2階固有頻率相比標(biāo)準(zhǔn)承載狀態(tài)降低0.63 Hz(49.63降到49.00)。

3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施

基于以上的仿真分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,決定在2017年1月份的4號(hào)機(jī)組第五次換料大修期間,對(duì)發(fā)電機(jī)實(shí)施底載分配,要求在滿足西屋標(biāo)準(zhǔn)的前提下將A區(qū)載荷盡量調(diào)高 (70%～75%,盡量靠上限)、D區(qū)載荷盡量降低 (0～1%,盡量靠下限)。由于4號(hào)汽輪發(fā)電機(jī)組在運(yùn)行期間的軸系振動(dòng)優(yōu)秀,為防止修后的軸系振動(dòng)惡化,大修期間汽發(fā)中心盡量控制得與修前數(shù)據(jù)一致。此次底載分配對(duì)A/D區(qū)承載和汽發(fā)中心均有較為嚴(yán)苛的要求,因此調(diào)整工作量大大超出常規(guī)底載分配,總計(jì)墊片調(diào)整次數(shù)多達(dá)11次 (通常調(diào)整3～4次即可)。表5是原始載荷和最終載荷的數(shù)據(jù)對(duì)比,從中可以看出發(fā)電機(jī)原始底載狀態(tài)并不完全符合西屋標(biāo)準(zhǔn),調(diào)整后的最終載荷則達(dá)到了預(yù)期要求。最終發(fā)電機(jī)的4階墊片厚度分別為:左前 (0.70 mm/1.35 mm/0.75 mm/0 mm),左后(0.75 mm/1.10 mm/0.75 mm/0.70 mm),右前(0.40 mm/0.75 mm/1.00 mm/1.25 mm),右后 (0.90 mm/0.65 mm/1.60 mm/0.25 mm)。

發(fā)電機(jī)初始的2階固有頻率約為49.8 Hz,調(diào)整后的2階固有頻率變?yōu)?8.8 Hz。機(jī)組大修后啟動(dòng),由于正值春節(jié)調(diào)峰,機(jī)組啟停3次,在未壓沙袋的情況下振動(dòng)均未超標(biāo),機(jī)組滿功率運(yùn)行后的考核點(diǎn)振動(dòng)值仍維持在4.5 mm/s左右,發(fā)電機(jī)定子振動(dòng)問(wèn)題得到圓滿解決。

表5 載荷分配對(duì)比表Table 5 Comparison of load distributions

4 結(jié) 論

中核運(yùn)行秦二廠4號(hào)發(fā)電機(jī)定子振動(dòng)問(wèn)題從2011年調(diào)試時(shí)期開(kāi)始出現(xiàn),期間通過(guò)采取軸系動(dòng)平衡、氫冷器壓沙袋等措施使其控制在長(zhǎng)期安全運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)以內(nèi),直至2017年通過(guò)發(fā)電機(jī)底載分配調(diào)頻得到徹底處理,對(duì)電廠解決同類型問(wèn)題具有重要的借鑒意義。從中核運(yùn)行秦二廠、錦界電廠、珠海金灣電廠等處理發(fā)電機(jī)振動(dòng)的經(jīng)驗(yàn)來(lái)看,治理共振問(wèn)題的策略主要包括三方面:吸振、平衡和調(diào)頻,氫冷器壓沙袋可以起到很好的吸收能量緩沖振動(dòng)的作用,軸系動(dòng)平衡是降低轉(zhuǎn)子激振力的主要手段,而發(fā)電機(jī)底載分配或加裝加強(qiáng)筋等調(diào)頻手段則是解決定子共振的根本方案。