核電站汽輪發(fā)電機(jī)組軸系振動(dòng)調(diào)試

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(西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710054)

巴基斯坦恰希瑪核電站4×350 MW汽輪發(fā)電機(jī)組系上海汽輪機(jī)廠和上海電機(jī)廠出品，汽輪機(jī)型號為HN325-5.34，發(fā)電機(jī)型號為QFS2-330-2。機(jī)組軸系由高壓轉(zhuǎn)子、低壓Ⅰ轉(zhuǎn)子、中間軸、低壓Ⅱ轉(zhuǎn)子、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子以及勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子組成，每根轉(zhuǎn)子各自支承于兩個(gè)徑向軸承上，除發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子與勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子采用半撓性聯(lián)軸器連接外，其余各轉(zhuǎn)子間均采用剛性連接(見圖1)。

1～4號機(jī)組分別于2000、2011、2016、2017年投運(yùn)。

圖1 機(jī)組軸系結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic of the shaft structure

1 軸系臨界轉(zhuǎn)速

通過測試機(jī)組多次啟動(dòng)升速、停機(jī)惰走降速過程各測點(diǎn)的振動(dòng)響應(yīng)，判定高壓轉(zhuǎn)子、低壓Ⅰ轉(zhuǎn)子、低壓Ⅱ轉(zhuǎn)子、勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子的實(shí)測一階臨界轉(zhuǎn)速分別為1 800、1 750、1 700、1 650 r/min；發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的實(shí)測一階、二階臨界轉(zhuǎn)速分別為950、2 480 r/min。

2 1號機(jī)組軸系振動(dòng)調(diào)試

2.1 測試分析

1號機(jī)組在定速空載工況下的振動(dòng)問題主要表現(xiàn)在低壓Ⅰ轉(zhuǎn)子、低壓Ⅱ轉(zhuǎn)子軸承座振動(dòng)上。其中，3ABS、4ABS、5ABS、6ABS絕對軸振測點(diǎn)振幅分別穩(wěn)定在72、83、77、84 μm；3⊥、4⊥、5⊥、6⊥軸承座振動(dòng)測點(diǎn)振幅分別穩(wěn)定在45、80、80、70 μm(表1)。

盡管絕對軸振幅值在國際標(biāo)準(zhǔn)(ISO 7919-2:1996，MOD)給出的絕對軸振良好限值以內(nèi)，但是軸承座振幅超過了國際標(biāo)準(zhǔn)(IDT ISO 10816-2:1996)給出的座振良好限值，表明1號機(jī)組3⊥～6⊥座振幅值超出新機(jī)投產(chǎn)達(dá)標(biāo)的優(yōu)良值，必須予以現(xiàn)場處理。

2.2 診斷處理

根據(jù)升速過程3ABS～6ABS絕對軸振、3⊥～6⊥座振的波特曲線以及定速工況下各個(gè)測點(diǎn)之間的相位關(guān)系可診斷出振動(dòng)故障如下：(1)在工作轉(zhuǎn)速附近，低壓轉(zhuǎn)子支承軸承座與低壓缸體存在結(jié)構(gòu)共振現(xiàn)象；(2)低壓Ⅰ轉(zhuǎn)子、低壓Ⅱ轉(zhuǎn)子均存在少量二階質(zhì)量不平衡。

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況出發(fā)，決定對軸系進(jìn)行精細(xì)高速動(dòng)平衡，減小激振力、改善軸承座振動(dòng)幅值。

利用影響系數(shù)法進(jìn)行動(dòng)平衡質(zhì)量計(jì)算，在低壓Ⅰ轉(zhuǎn)子、低壓Ⅱ轉(zhuǎn)子兩側(cè)末級葉輪平衡螺孔共4個(gè)加重平面同時(shí)分別施加平衡質(zhì)量300g∠120°、300g∠300°、300g∠30°、300g∠210°；再次開機(jī)定速后，低壓Ⅰ轉(zhuǎn)子、低壓Ⅱ轉(zhuǎn)子絕對軸振和軸承座振動(dòng)幅值均顯著降低至優(yōu)良水平范圍以內(nèi)。

表1 低壓轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡前后振動(dòng)數(shù)據(jù)對比

3 2號機(jī)組軸系振動(dòng)調(diào)試

3.1 測試分析

2號機(jī)組振動(dòng)問題主要表現(xiàn)在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子前瓦相對軸振測點(diǎn)上。啟動(dòng)升速過程中，7Y測點(diǎn)振幅最大值達(dá)到175 μm；定速空載工況下，除7Y相對軸振幅值達(dá)到131 μm以外，其余相對軸振測點(diǎn)幅值均小于80 μm；初負(fù)荷工況下，7Y測點(diǎn)相對軸振幅值在120 μm左右，其余相對軸振幅值均小于80 μm(表2)。

由于7Y測點(diǎn)振幅超過了國際標(biāo)準(zhǔn)(ISO 7919-2:2001)給出的優(yōu)良水平限值，所以必須予以處理。

3.2 診斷處理

因?yàn)?Y相對軸振信號以基頻分量為主、且基頻幅值以及相位數(shù)據(jù)較為穩(wěn)定，故判斷振動(dòng)故障屬于不平衡問題。由于在工作轉(zhuǎn)速下發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子呈現(xiàn)的是三階振型的不平衡響應(yīng)、不平衡的軸向位置在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子端部、其根本原因應(yīng)該與低壓Ⅱ轉(zhuǎn)子—發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子對輪中心相關(guān)，故選擇低壓Ⅱ轉(zhuǎn)子—發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子聯(lián)軸器為加重面。

在聯(lián)軸器對輪螺栓配重794g∠116°后，開機(jī)升速過程中，7Y測點(diǎn)振幅最大值降低至80 μm；定速空載工況下，7Y測點(diǎn)振幅降低至60 μm以下，其余相對軸振測點(diǎn)幅值也小于60 μm，軸系振動(dòng)整體達(dá)到優(yōu)良水平。動(dòng)平衡前后相關(guān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)見表2、相關(guān)測點(diǎn)升速過程波特曲線見圖2。

表2 動(dòng)平衡前后相關(guān)測點(diǎn)振動(dòng)數(shù)據(jù)對比

圖2 7X、7Y相對軸振測點(diǎn)升速過程波特曲線Fig.2 Bode plot of 7X and 7Y relative shaft vibration during start-up

4 3號機(jī)組軸系振動(dòng)調(diào)試

4.1 測試分析

在定速空載工況下，3號機(jī)組軸系振動(dòng)問題主要表現(xiàn)在低壓Ⅱ轉(zhuǎn)子和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的相對軸振、以及低壓Ⅰ轉(zhuǎn)子、低壓Ⅱ轉(zhuǎn)子的支承軸承座振動(dòng)上；其中7Y相對軸振幅值最大值達(dá)105 μm，5⊥振幅最大值達(dá)122 μm。初負(fù)荷穩(wěn)定工況下，7Y相對軸振幅值為118 μm，5⊥振幅為120 μm(表3)。

由于相對軸振幅值超過了國際標(biāo)準(zhǔn)(ISO 7919-2:2009,MOD)給出的相對軸振幅值優(yōu)良限值、軸承座振幅超過了國際標(biāo)準(zhǔn)(IDT ISO 10816-2:2009)給出的軸承座振幅優(yōu)良限值，所以必須予以現(xiàn)場處理。

分析診斷振動(dòng)故障根本原因?yàn)椋?1)低壓轉(zhuǎn)子支承軸承座—低壓缸體在工作轉(zhuǎn)速附近存在結(jié)構(gòu)共振現(xiàn)象；(2)低壓Ⅰ、Ⅱ轉(zhuǎn)子存在一定程度的質(zhì)量不平衡；(3)低壓Ⅱ轉(zhuǎn)子和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子聯(lián)軸器對輪中心有所偏差。針對上述故障，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，決定采用現(xiàn)場高速動(dòng)平衡手段來降低相關(guān)測點(diǎn)振動(dòng)值。

4.2 診斷處理

在低壓Ⅰ轉(zhuǎn)子和低壓Ⅱ轉(zhuǎn)子末級葉輪平衡螺孔內(nèi)進(jìn)行配重，其中：#3～#6軸承側(cè)分別為245g∠165°、245g∠345°、580g∠148°、580g∠328°；同時(shí)在聯(lián)軸器螺栓上配重690g∠80°。

動(dòng)平衡加重后，定速空載及低負(fù)荷工況下軸系振動(dòng)降低至優(yōu)良水平；但是由于滿負(fù)荷工況下5⊥、6⊥幅值分別爬升至51、45 μm，超出了優(yōu)良保證值，于是決定對低壓Ⅱ轉(zhuǎn)子再進(jìn)行一次動(dòng)平衡，在低壓Ⅱ轉(zhuǎn)子末級葉輪平衡螺孔內(nèi)分別配重250g∠60°、250g∠240°。

實(shí)施第二次動(dòng)平衡后，定速空載及負(fù)荷工況下，各測點(diǎn)相對軸振幅值均小于90 μm，各軸承座振幅均小于30 μm，軸系振動(dòng)整體達(dá)到優(yōu)良水平。

表3 動(dòng)平衡前后相關(guān)測點(diǎn)振動(dòng)數(shù)據(jù)對比(通頻，單位：μm)Table 3 Contrast of vibration data before and afterfield balance (Overall,unit: μm)

5 4號機(jī)組軸系振動(dòng)調(diào)試

5.1 測試分析

4號機(jī)組在定速后13 min之內(nèi)，5X、5Y、5⊥幅值快速爬升，最大值分別達(dá)到118、109、160 μm(表4)，立即打閘停機(jī)。

由于相對軸振幅值超過了國際標(biāo)準(zhǔn)(ISO 7919-2:2009,MOD)給出的相對軸振幅值優(yōu)良限值、軸承座振幅超過了國際標(biāo)準(zhǔn)(IDT ISO 10816-2:2009)給出的軸承座振幅優(yōu)良限值，所以必須予以現(xiàn)場處理。

診斷分析故障原因如下：(1) 低壓Ⅱ轉(zhuǎn)子發(fā)生了動(dòng)靜碰摩故障，建議對油檔、軸封、聯(lián)軸器罩殼等外圍部位的動(dòng)靜間隙進(jìn)行復(fù)查；(2) 低壓Ⅱ轉(zhuǎn)子存在一定的二階質(zhì)量不平衡。

為了保證機(jī)組能穩(wěn)定在工作轉(zhuǎn)速、以便進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)工作，故在對相關(guān)部位動(dòng)靜間隙進(jìn)行復(fù)查后，對低壓Ⅱ轉(zhuǎn)子預(yù)先進(jìn)行現(xiàn)場高速動(dòng)平衡處理。

5.2 診斷處理

在低壓Ⅱ轉(zhuǎn)子末級葉輪平衡螺孔內(nèi)進(jìn)行配重，其中#5、#6軸承側(cè)分別加重400g∠210°、400g∠30°。動(dòng)平衡加重后，定速空載及低負(fù)荷工況下軸系振動(dòng)降低至優(yōu)良水平；但是由于滿負(fù)荷工況下4⊥幅值穩(wěn)定在43μm、略大于優(yōu)良保證值，于是決定利用停機(jī)機(jī)會(huì)再次進(jìn)行動(dòng)平衡。

在低壓Ⅰ轉(zhuǎn)子和低壓Ⅱ轉(zhuǎn)子末級葉輪平衡螺孔內(nèi)進(jìn)行配重，其中#3～#6軸承側(cè)分別為240g∠230°、240g∠50°、240g∠90°、240g∠270°。實(shí)施本次動(dòng)平衡后，定速空載及負(fù)荷工況下，各相對軸振測點(diǎn)幅值均小于90μm，各軸承座振動(dòng)幅值均小于34μm，軸系振動(dòng)整體達(dá)到優(yōu)良水平。

表4 動(dòng)平衡前后相關(guān)測點(diǎn)振動(dòng)數(shù)據(jù)(通頻，單位：μm)

5.3 高中壓轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速下振動(dòng)問題討論

在4號機(jī)組整套啟動(dòng)調(diào)試期間的振動(dòng)監(jiān)測過程中發(fā)現(xiàn)，停機(jī)惰走降速通過高中壓轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速時(shí)1X、1Y測點(diǎn)振幅較為突出，具體數(shù)據(jù)列于表5。

通過對4號機(jī)組每次啟動(dòng)升速、停機(jī)惰走通過臨界轉(zhuǎn)速下振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行仔細(xì)分析，總結(jié)高中壓轉(zhuǎn)子振動(dòng)故障特征如下：(1)振動(dòng)成分以基頻分量為主；(2)冷態(tài)開機(jī)、停機(jī)過程臨界轉(zhuǎn)速下振幅較小、溫態(tài)有所增大、熱態(tài)明顯增大；(3)工作轉(zhuǎn)速下振動(dòng)幅值及相位基本穩(wěn)定；(4)該現(xiàn)象具有極強(qiáng)的重復(fù)性，振幅及相位與高中壓轉(zhuǎn)子熱狀態(tài)相關(guān)，可以排除動(dòng)靜碰摩、膨脹不暢等故障因素。

綜上所述，診斷高中壓轉(zhuǎn)子存在材質(zhì)各向異性誘發(fā)的一階振型的熱變形故障，后續(xù)可以利用停機(jī)機(jī)會(huì)對高中壓轉(zhuǎn)子實(shí)施熱平衡處理，改善熱態(tài)停機(jī)過程臨界轉(zhuǎn)速下振幅水平。

表5 4號機(jī)組高中壓轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速下振動(dòng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

6 該型機(jī)組固有振動(dòng)特性分析

6.1 軸承座—低壓缸結(jié)構(gòu)共振

軸承座振動(dòng)的力學(xué)本質(zhì)是軸承座—低壓缸結(jié)構(gòu)在經(jīng)油膜傳遞的激振力作用下的結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)振動(dòng)響應(yīng)。由于每個(gè)低壓缸都是由與外缸下半一體并向外伸出的連續(xù)支座支托，支座擱置在澆灌于基礎(chǔ)中的獨(dú)立臺(tái)板上。兩個(gè)中軸承座和后軸承座各自從支承其轉(zhuǎn)子的低壓缸一側(cè)伸出，并與低壓外缸制成一體，軸承座與沿周座架一起支承于基礎(chǔ)臺(tái)板上。該型機(jī)組軸承座—低壓缸結(jié)構(gòu)在工作轉(zhuǎn)速附近存在結(jié)構(gòu)共振現(xiàn)象，導(dǎo)致工作轉(zhuǎn)速下結(jié)構(gòu)動(dòng)剛度較低，在軸振幅值不大的情況下，軸承座振幅處于超限水平。

在現(xiàn)場要通過結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)修改來改變軸承座—低壓缸體結(jié)構(gòu)共振轉(zhuǎn)速、提高工作轉(zhuǎn)速下軸承座—低壓缸體的動(dòng)剛度是極其困難的；簡單可行的辦法是在軸承座動(dòng)剛度不變的前提下，通過減小激振力來降低座振響應(yīng)，實(shí)踐表明對4臺(tái)機(jī)組的低壓轉(zhuǎn)子實(shí)施現(xiàn)場精細(xì)動(dòng)平衡可有效降低軸承座振動(dòng)水平。

6.2 低壓轉(zhuǎn)子—發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子對輪中心對發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子工作轉(zhuǎn)速下的振動(dòng)影響較為靈敏

對于軸系較長的汽輪發(fā)電機(jī)組來說，低壓轉(zhuǎn)子—發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子對輪中心調(diào)整較為困難。工作轉(zhuǎn)速下，低壓轉(zhuǎn)子呈現(xiàn)二階振型、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子呈現(xiàn)三階振型，對輪恰好靠近發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子三階振型的高點(diǎn)，即該軸向位置處的不平衡對工作轉(zhuǎn)速下的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子振動(dòng)有較大的影響，所以低壓轉(zhuǎn)子—發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子對輪中心狀態(tài)與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子振動(dòng)幅值水平關(guān)系密切。

2號、3號機(jī)組均是通過在低壓轉(zhuǎn)子—發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子對輪加重后有效消除發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子振動(dòng)故障的。

7 結(jié) 論

該型機(jī)組軸承座—低壓缸體結(jié)構(gòu)在工作轉(zhuǎn)速附近存在結(jié)構(gòu)共振現(xiàn)象，表現(xiàn)為軸承座振幅較高；該型機(jī)組低壓轉(zhuǎn)子—發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子對輪中心對工作轉(zhuǎn)速下發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子振動(dòng)響應(yīng)的影響較為靈敏；4號機(jī)組高中壓轉(zhuǎn)子惰走通過臨界轉(zhuǎn)速時(shí)振幅較高的原因?yàn)檗D(zhuǎn)子材質(zhì)各向異性誘發(fā)的熱變形所致；四臺(tái)機(jī)組在啟動(dòng)調(diào)試期間均出現(xiàn)了軸承座和(或)相對軸振幅值超過優(yōu)良值問題，通過對低壓轉(zhuǎn)子和(或)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子同時(shí)實(shí)施現(xiàn)場高速動(dòng)平衡，有效地將機(jī)組軸系振動(dòng)整體降低至優(yōu)良水平范圍。