某大型核電汽輪機(jī)組歷次振動(dòng)異常過(guò)程及原因分析

沈偉杰

【摘 要】本文總結(jié)了某大型核電汽輪機(jī)組自商運(yùn)后四次振動(dòng)異常的過(guò)程，即首次滿功率平臺(tái)停機(jī)不停堆試驗(yàn)后沖轉(zhuǎn)并網(wǎng)后震動(dòng)異常、打閘停機(jī)后再次沖轉(zhuǎn)并網(wǎng)時(shí)振動(dòng)偏高、滿功率平臺(tái)甩孤島后并網(wǎng)時(shí)振動(dòng)異常、首次大修后啟動(dòng)升功率過(guò)程中震動(dòng)異常。對(duì)振動(dòng)異常產(chǎn)生的原因進(jìn)行了分析并得出了分析結(jié)論，探討了采取的針對(duì)性措施，包括操作規(guī)程優(yōu)化、通流間隙調(diào)整、對(duì)輪螺栓緊固力加強(qiáng)等，最后對(duì)于所采取的措施產(chǎn)生的效果也進(jìn)行了比對(duì)。

【關(guān)鍵詞】核電;汽輪機(jī);異常振動(dòng)

中圖分類(lèi)號(hào)： TK263.61;TM623 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A文章編號(hào)： 2095-2457（2019）24-0045-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.24.022

【Abstract】This paper summarizes the four abnormal vibration processes of a large nuclear power steam turbine unit after its commercial operation， i.e.， the abnormal vibration after the first full power platform shutdown test， the abnormal vibration when the platform is connected to the grid again after the shutdown， the abnormal vibration when the full power platform is disconnected to the grid ， and the start-up after the first overhaul.. The causes of abnormal vibration are analyzed and the conclusions are drawn. The corresponding measures are discussed， including optimization of operation rules， adjustment of flow clearance， strengthening of fastening force of wheel bolts and so on. Finally， the effects of the measures are also discussed.

【Key words】Nuclear power; ?Turbine; Abnormal vibration

0 前言

核電作為清潔能源的一種，在能源供應(yīng)、發(fā)電成本、特別是環(huán)境保護(hù)產(chǎn)生的減排效應(yīng)方面，蘊(yùn)含著巨大的發(fā)展優(yōu)勢(shì)。核電的發(fā)展，凝聚著清潔能源的希望，汽輪機(jī)作為核電站最重要的組成部分之一，保障其安全穩(wěn)定運(yùn)行意義重大。

核電汽輪機(jī)精密程度高，由于各種原因，其出現(xiàn)諸多故障影響其運(yùn)行的可能性較大，在這些故障中最為復(fù)雜的就是機(jī)組振動(dòng)故障了。機(jī)組振動(dòng)故障的可能原因是多方面的，通常是幾種因素共同作用的結(jié)果。例如水、電、油等跟汽輪發(fā)電機(jī)組有關(guān)的設(shè)備或部件都可能是產(chǎn)生振動(dòng)故障的要因。因此，在著手處理振動(dòng)故障前，我們需要對(duì)振動(dòng)的原因進(jìn)行分析，加以辨別。

本文所述的核電汽輪機(jī)是使用ALSTOM技術(shù)生產(chǎn)的ArabelleTM 1000MW級(jí)大型汽輪機(jī)。該汽輪機(jī)是一臺(tái)單軸、三缸四排汽、帶有中間汽水分離再熱器的多級(jí)沖動(dòng)式、凝汽式汽輪機(jī)，轉(zhuǎn)速為1500rpm。

該汽輪機(jī)有一個(gè)高中壓合缸和兩個(gè)低壓缸。蒸汽在高壓缸和中壓缸中為單流程，在低壓缸中為對(duì)稱(chēng)雙流程。高中壓轉(zhuǎn)子和兩個(gè)低壓轉(zhuǎn)子都由兩個(gè)徑向軸承支撐。高中壓轉(zhuǎn)子通過(guò)聯(lián)軸器與低壓轉(zhuǎn)子剛性連接，整個(gè)軸系只有一個(gè)推力軸承，位于中壓軸承箱內(nèi)。

該汽輪機(jī)的結(jié)構(gòu)決定了蒸汽在汽輪機(jī)中做功的流程為：主蒸汽通過(guò)四組蒸汽閥門(mén)進(jìn)入高壓缸，每組閥門(mén)由一個(gè)高壓主汽閥和一個(gè)高壓調(diào)節(jié)閥組成。在高壓缸中膨脹做功以后，蒸汽被送往兩個(gè)并聯(lián)運(yùn)行的汽水分離再熱器中。先在汽水分離器中進(jìn)行除濕，接著在兩級(jí)再熱器中依次被加熱后，通過(guò)四組中壓主汽閥和調(diào)節(jié)閥進(jìn)入到中壓缸。在中壓缸中膨脹做功以后，蒸汽進(jìn)入低壓缸繼續(xù)膨脹做功并排入下部的凝汽器。

該核電汽輪機(jī)在調(diào)試到第二次換料大修前的3年時(shí)間內(nèi)，經(jīng)歷了啟動(dòng)前的各項(xiàng)試驗(yàn)、滿功率運(yùn)行和首次換料大修等工況，共計(jì)出現(xiàn)過(guò)四次機(jī)組振動(dòng)異常，下文就這四次振動(dòng)異常的過(guò)程進(jìn)行總結(jié)，并對(duì)異常原因進(jìn)行分析。

1 首次滿功率平臺(tái)停機(jī)不停堆試驗(yàn)后沖轉(zhuǎn)并網(wǎng)后振動(dòng)異常

10月7日凌晨，該汽輪發(fā)電機(jī)在并網(wǎng)后升功率過(guò)程中二瓦（高中壓合缸靠近低壓缸側(cè)軸瓦）垂直方向振動(dòng)達(dá)到132.3um，達(dá)到打閘停機(jī)閾值，打閘停機(jī)后1、2號(hào)瓦振動(dòng)均不同程度升高，垂直方向最高達(dá)242.3um，水平方向均超量程，達(dá)308um。

事件過(guò)程的時(shí)間序列：

2：44進(jìn)行滿功率平臺(tái)停機(jī)不停堆試驗(yàn)。

3：12試驗(yàn)后，汽機(jī)重新沖轉(zhuǎn)達(dá)到1500rpm平臺(tái)。

3：38并網(wǎng)，電功率11MWe，閃發(fā)電功率表質(zhì)量位，二級(jí)再熱蒸汽調(diào)節(jié)閥被置手動(dòng)，并保持50%開(kāi)度。

3：56電功率達(dá)94MWe，二瓦垂直方向振動(dòng)達(dá)132.3微米且無(wú)回頭趨勢(shì)，打閘停機(jī)。

此次振動(dòng)異常，經(jīng)各專(zhuān)業(yè)匯總分析認(rèn)為是由于并網(wǎng)過(guò)程中電功率表質(zhì)量位閃發(fā)故障，汽水分離再熱系統(tǒng)二級(jí)再熱蒸汽調(diào)節(jié)閥控制被置為手動(dòng)保持當(dāng)前開(kāi)度不變，無(wú)法調(diào)節(jié)二級(jí)加熱蒸汽壓力，導(dǎo)致進(jìn)入中壓缸的蒸汽參數(shù)迅速降低，中壓缸排汽溫度從142度迅速下降至84度導(dǎo)致。

查閱相關(guān)控制邏輯圖，并網(wǎng)后電功率表示數(shù)參與二級(jí)再熱調(diào)節(jié)閥控制邏輯，在并網(wǎng)瞬間產(chǎn)生電功率表質(zhì)量位，導(dǎo)致控制邏輯失效，故二級(jí)再熱調(diào)節(jié)閥保持并網(wǎng)瞬間開(kāi)度不變。

后續(xù)細(xì)化操作規(guī)程，并網(wǎng)后運(yùn)行確認(rèn)是否存在該質(zhì)量位報(bào)警，若有，需盡快重新將二級(jí)再熱器調(diào)節(jié)閥置于自動(dòng)狀態(tài)。

原先操作規(guī)程中已有電功率表觸發(fā)質(zhì)量位后，會(huì)導(dǎo)致二級(jí)再熱器投入情況異常的經(jīng)驗(yàn)反饋，規(guī)程中要求在并網(wǎng)后檢查：汽水分離再熱器系統(tǒng)二級(jí)再熱器是否已退出，如果已經(jīng)退出，則通過(guò)相應(yīng)的組合控制模塊將二級(jí)再熱器停運(yùn)后再重新投入。由于規(guī)程中未詳細(xì)說(shuō)明如何確認(rèn)汽水分離二級(jí)再熱器是否退出，此次出現(xiàn)振動(dòng)異常時(shí)，運(yùn)行和儀控人員未發(fā)現(xiàn)二級(jí)再熱器調(diào)節(jié)閥被自動(dòng)切為手動(dòng)，實(shí)際二級(jí)再熱器已失去調(diào)節(jié)功能，因此新升版操作規(guī)程，要求檢查汽水分離二級(jí)再熱器是否退出，如果二級(jí)再熱器調(diào)節(jié)閥切至手動(dòng)，則打回自動(dòng)，實(shí)現(xiàn)二級(jí)再熱器停運(yùn)后的再投入。

2 打閘停機(jī)后再次沖轉(zhuǎn)并網(wǎng)時(shí)振動(dòng)偏高

由于汽機(jī)振動(dòng)超限值打閘停機(jī)后，經(jīng)專(zhuān)業(yè)分析，決定嘗試再次沖轉(zhuǎn)并網(wǎng)，過(guò)程中，1/2瓦振動(dòng)大，2瓦垂直方向振動(dòng)最大88.8um，偏高但未達(dá)到打閘閾值，并網(wǎng)成功。

事件過(guò)程時(shí)間序列：

23：06并網(wǎng)后，功率表質(zhì)量位觸發(fā)，二級(jí)再熱器調(diào)節(jié)閥被自動(dòng)切為手動(dòng)，開(kāi)度保持在27%。

23：07重新投入汽水分離再熱器二級(jí)再熱，二級(jí)再熱調(diào)節(jié)閥迅速全關(guān)，1分鐘后開(kāi)始開(kāi)大。

23：18汽機(jī)2瓦垂直方向振動(dòng)最高升至89um，之后開(kāi)始回落，后續(xù)升功率過(guò)程中各項(xiàng)參數(shù)正常。

此次沖轉(zhuǎn)并網(wǎng)后同樣出現(xiàn)了電功率表質(zhì)量位閃發(fā)故障，汽水分離再熱器系統(tǒng)二級(jí)再熱蒸汽調(diào)節(jié)閥控制被置為手動(dòng)保持當(dāng)前開(kāi)度不變，隨后較快速地切回自動(dòng)，振動(dòng)情況雖有異常但未導(dǎo)致停機(jī)，證明響應(yīng)措施有效。由于運(yùn)行操作不夠熟練，恢復(fù)自動(dòng)時(shí)間仍有較大延遲，可能是此次振動(dòng)偏高原因。

3 滿功率平臺(tái)甩孤島后并網(wǎng)時(shí)振動(dòng)異常

通過(guò)500千伏高壓斷路器開(kāi)關(guān)重新并網(wǎng)后，汽輪發(fā)電機(jī)2瓦振動(dòng)持續(xù)升高，垂直方向振動(dòng)高達(dá)到130um，手動(dòng)緊急停機(jī)。

事件過(guò)程時(shí)間序列：

23：34，該汽輪機(jī)組執(zhí)行甩孤島運(yùn)行操作;

23：36，根據(jù)甩孤島后的自動(dòng)邏輯動(dòng)作，二級(jí)汽水分離再熱器調(diào)節(jié)閥開(kāi)始關(guān)閉;

23：43，中壓缸排汽溫度從165℃開(kāi)始下降;

23：48，機(jī)組振動(dòng)1、2瓦水平、垂直方向振動(dòng)均開(kāi)始異常上升;

23：55，二級(jí)汽水分離再熱器調(diào)節(jié)閥完全關(guān)閉;

23：59，中壓缸排汽溫度達(dá)113℃，2瓦垂直方向振動(dòng)超130um，手動(dòng)打閘停機(jī)。

此次事件中，甩孤島過(guò)程中汽機(jī)振動(dòng)已經(jīng)在持續(xù)升高了，此時(shí)并網(wǎng)目的在于防止全廠失電，造成故障后果進(jìn)一步惡化，并不能說(shuō)是由于并網(wǎng)過(guò)程的汽機(jī)狀態(tài)變化而導(dǎo)致的振動(dòng)異常。所以此次振動(dòng)異常與前兩次有較大的區(qū)別。

第三次振動(dòng)異常發(fā)生后，核實(shí)汽輪機(jī)安裝階段通流間隙數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：

該汽輪機(jī)高中壓缸徑向通流間隙雖然滿足安裝要求，但存在多處偏下限的問(wèn)題：4級(jí)中壓缸徑向通流間隙在不同方向上都存在偏下限的情況：四級(jí)中壓缸下部間隙均恰好為下限值;四級(jí)中壓缸右部間隙均只比下限高0.02-0.05mm;中壓第三級(jí)徑向通流間隙上下左右四個(gè)方向均只比下限高0-0.05mm。

根據(jù)其他機(jī)組經(jīng)驗(yàn)反饋，通流間隙會(huì)隨著機(jī)組運(yùn)行發(fā)生變化，也就是說(shuō)，當(dāng)前狀況下部分通流間隙可能已經(jīng)超出下限，而通流間隙超出下限后，汽輪機(jī)在甩負(fù)荷等劇烈瞬態(tài)時(shí)，汽機(jī)進(jìn)汽溫度變化的承受能力較弱，容易發(fā)生動(dòng)靜摩擦導(dǎo)致震動(dòng)加劇。

該問(wèn)題后續(xù)在向廠家咨詢(xún)后在首次大修中進(jìn)行針對(duì)性的改進(jìn)。

4 首次大修后啟動(dòng)升功率過(guò)程中振動(dòng)異常

首次大修后該核電汽輪機(jī)組并網(wǎng)，升功率至80%FP，兩天后升功率至100%FP。機(jī)組80%FP升至滿功率過(guò)程中，6、7號(hào)軸承處軸振隨功率升高，滿功率時(shí)6瓦水平振動(dòng)：84.9um，垂直振動(dòng)：53.7um，7瓦水平振動(dòng)：73.5um，垂直振動(dòng)：66.9um。機(jī)組滿功率后6瓦水平振動(dòng)值接近報(bào)警值90um。（6、7瓦為發(fā)電機(jī)和汽輪機(jī)之間的兩個(gè)瓦）。

事件過(guò)程時(shí)間序列：

1月14日，機(jī)組并網(wǎng)升功率至30%，6瓦水平振動(dòng)：25.4um，垂直振動(dòng)：11.65um，7瓦水平振動(dòng)：27.3um，垂直振動(dòng)：21.9um。

1月17日，機(jī)組升功率80%，6瓦水平振動(dòng)：63.47um，垂直振動(dòng)：39.25um，7瓦水平振動(dòng)：64.54um，垂直振動(dòng)：55.52um。

1月19日，機(jī)組升功率至100%，滿功率時(shí)6瓦水平振動(dòng)：82.05um，垂直振動(dòng)：52.24um，7瓦水平振動(dòng)：76.9um，垂直振動(dòng)：68.86um。

專(zhuān)家會(huì)議分析6、7瓦振動(dòng)高可能原因?yàn)椋?/p>

（1）低壓缸和發(fā)電機(jī)間對(duì)輪螺栓連接狀況偏差。

（2）由于大修期間中心調(diào)整量大，低發(fā)對(duì)輪中心冷態(tài)和熱態(tài)間變化量大，導(dǎo)致熱態(tài)不對(duì)中。

（3）2號(hào)低壓缸汽缸和發(fā)電機(jī)定子膨脹不暢。

汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，各段轉(zhuǎn)子之間會(huì)產(chǎn)生極大的扭轉(zhuǎn)剪切力（特別是轉(zhuǎn)子升速、停機(jī)和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)過(guò)程中），各聯(lián)軸器之間螺栓緊力如果不夠或緊力過(guò)大，將降低汽輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子運(yùn)行的安全性，可能導(dǎo)致回轉(zhuǎn)件之間軸向竄動(dòng)加重、軸承油膜振蕩、軸系動(dòng)不平衡、機(jī)械振動(dòng)加劇，甚至造成事故，通過(guò)測(cè)量聯(lián)軸器螺栓伸長(zhǎng)量，確定螺栓的緊力在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，保證汽輪發(fā)電機(jī)組安全運(yùn)行。

2月13日-14日，利用機(jī)組春節(jié)調(diào)停窗口，對(duì)低發(fā)對(duì)輪進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)16顆對(duì)輪螺栓有15顆伸長(zhǎng)量不足，重新調(diào)整到合格值。

2月17日，對(duì)低低聯(lián)軸器對(duì)輪螺栓進(jìn)行了測(cè)量，發(fā)現(xiàn)4顆螺栓偏小，4顆螺栓偏大，重新調(diào)整到合格值（不是主要原因）。

經(jīng)調(diào)整重新并網(wǎng)，升功率至30%FP，6瓦水平振動(dòng)207MV：25.4um，垂直振動(dòng)206MV：22.8um，7瓦水平振動(dòng)402MV：20.38um，垂直振動(dòng)401MV：11.7um。升功率80%FP，6瓦水平振動(dòng)207MV：23.7um，垂直振動(dòng)206MV：24.3um，7瓦水平振動(dòng)402MV：21.3um，垂直振動(dòng)401MV：17.4um。6、7瓦振動(dòng)值不再隨功率增加而升高，已經(jīng)恢復(fù)到20um左右水平。

5 總結(jié)

核電汽輪機(jī)采用半速汽輪機(jī)，具有理想焓降小，容積流量大，管路體積龐大的特點(diǎn)，造成此類(lèi)汽輪機(jī)振動(dòng)異常的原因有很多且相對(duì)較為復(fù)雜。關(guān)于本文所述的核電汽輪機(jī)組商運(yùn)以來(lái)的四次振動(dòng)異常的原因既有設(shè)備問(wèn)題，又有人員操作問(wèn)題。

（1）中壓缸排汽溫度下降速度過(guò)快，中壓缸受熱不均勻產(chǎn)生動(dòng)靜摩擦，是導(dǎo)致汽機(jī)振動(dòng)異常的一種直接原因。

（2）并網(wǎng)階段要注意密切關(guān)注電功率表閃發(fā)質(zhì)量位，二級(jí)再熱調(diào)節(jié)閥若未及時(shí)恢復(fù)自動(dòng)，無(wú)法調(diào)節(jié)閥后壓力，將導(dǎo)致排汽溫度快速變化，致使振動(dòng)加劇。

（3）汽機(jī)高壓缸徑向通流間隙必須控制在適當(dāng)值，若間隙偏低，將導(dǎo)致機(jī)組承受瞬態(tài)變化能力差，在瞬態(tài)過(guò)程中間隙進(jìn)一步縮小，導(dǎo)致動(dòng)靜摩擦，振動(dòng)加強(qiáng)。

（4）汽機(jī)檢修裝配后，低壓杠和發(fā)電機(jī)之間對(duì)輪螺栓伸長(zhǎng)量不足，將導(dǎo)致兩者之間的連接不夠緊密，在機(jī)組狀態(tài)上升后，會(huì)影響汽機(jī)振動(dòng)。

（5）檢修工作操作應(yīng)確保符合規(guī)范，工作過(guò)程質(zhì)量控制和監(jiān)督確保到位，保證每個(gè)螺栓都切實(shí)連接正確。

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