某核電站冷油器振動分析

摘要：本文根據(jù)某核電站冷油器振動問題進(jìn)行測量分析，排除冷油器潤滑油中含有氣泡、冷油器與冷卻水管道或潤滑油共振等原因，認(rèn)為冷油器冷卻水出口節(jié)流孔板阻礙冷卻水流動，誘發(fā)管線振動，是造成冷油器振動根本原因，并提出合理的解決措施，以供參考。

關(guān)鍵詞：冷油器；振動；節(jié)流孔板

DOI：10.12433/zgkjtz.20232545

潤滑油系統(tǒng)是汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組重要的輔助系統(tǒng)，在汽輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行過程中，由于軸系和軸瓦之間的摩擦，會產(chǎn)生大量的熱量。潤滑油系統(tǒng)的主要作用是通過潤滑油帶走軸系摩擦產(chǎn)生的熱量，同時在軸頸和軸瓦之間建立潤滑油膜，減小摩擦系數(shù)，降低機(jī)械損失，確保汽輪發(fā)電機(jī)組的軸系安全運(yùn)行。

冷油器是汽輪機(jī)潤滑油系統(tǒng)中控制油溫的主要設(shè)備，用于帶走軸系摩擦產(chǎn)生的熱量。冷油器振動會導(dǎo)致冷油器正常運(yùn)行受到干擾。長時間處在振動環(huán)境下工作，會嚴(yán)重?fù)p害冷油器結(jié)構(gòu)，縮短使用壽命，并影響換熱效率。當(dāng)冷油器換熱效率降低時，會使進(jìn)入軸承的潤滑油溫度升高，降低潤滑油的冷卻作用，提高軸承溫度。同時，潤滑油溫度過高會導(dǎo)致潤滑油黏稠度降低，使軸承中的潤滑油油楔的剛性和厚度降低，使油膜承載力減小，最終使油楔破裂。油楔破裂則會導(dǎo)致軸承摩擦瞬間增大，使軸承溫度直線上升，甚至發(fā)生軸承咬合的現(xiàn)象，嚴(yán)重影響汽輪機(jī)的安全運(yùn)行。冷油器振動的影響不僅關(guān)于設(shè)備本身，還影響整個潤滑油系統(tǒng)、汽輪機(jī)組的運(yùn)行安全，是不能忽視重要問題。

針對冷油器振動對汽輪機(jī)安全可靠運(yùn)行可能產(chǎn)生的重大影響，本文對某核電站冷油器振動問題進(jìn)行現(xiàn)場測量和評估，并詳細(xì)分析測量數(shù)據(jù)，提出解決措施，這對冷油器的現(xiàn)場安裝、布置具有一定的借鑒意義。

一、現(xiàn)場測量

（一）冷油器

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和設(shè)備布置的需求，冷油器選用板式冷油器或管式冷油器。其中，板式冷油器結(jié)構(gòu)緊湊、操作靈活，換熱系數(shù)高，適應(yīng)負(fù)荷變化能力強(qiáng)，在電站潤滑油系統(tǒng)中具有廣泛應(yīng)用。某核電站冷油器為板式冷油器，冷油器長3133mm、寬877mm、高2120mm，板片換熱面積約570m2，板式換熱器頭板側(cè)通過法蘭分別與冷卻水進(jìn)出口管道、潤滑油進(jìn)出口管道連接，4根連接管道的工程直徑均為DN300。板式換熱器冷卻水接口同側(cè)布置，下側(cè)為進(jìn)口，上側(cè)為出口，而潤滑油進(jìn)口則在上側(cè)，出口在下側(cè)，潤滑油和冷卻水在板式換熱器內(nèi)部交叉逆流換熱。

鑒于現(xiàn)場設(shè)備、管道等已安裝完成，整體設(shè)備布置較緊湊，部分位置測量空間受到限制，不易測量。因此，現(xiàn)場選取典型位置測量冷油器振動，選取的測量位置為冷油器頭板、尾板、立柱中部位置?，F(xiàn)場采用振動測量儀進(jìn)行測量，具體測點(diǎn)位置如圖1所示。由于冷油器Z方向振動不易測量，且現(xiàn)場并未觀察到Z方向振動，并未測量Z方向，僅測量冷油器振動比較明顯的橫向振動和軸向振動。橫向振動測量坐標(biāo)軸Y方向水平振動，軸向振動給測量坐標(biāo)軸X方向前后振動。

（二）測量數(shù)據(jù)

現(xiàn)場對汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速分別為200r/min和1500r/min的冷油器振動速度和振幅進(jìn)行測量，冷油器設(shè)備振動的過程中，冷油器振類型為非諧周期振動，即冷油器振動像波浪一樣，有周期性規(guī)律，但周期振幅不同。冷油器每個周期開始時振動較劇烈，振幅較大，然后振幅逐步衰減，再次振動劇烈，如此周期性產(chǎn)生，由于在每個周期內(nèi)產(chǎn)生的振幅有時劇烈、有時較小，為了準(zhǔn)確測量，振動測量記錄數(shù)據(jù)為3個振動周期內(nèi)的最大值，能準(zhǔn)確反映冷油器的振動情況?，F(xiàn)場測量具體數(shù)據(jù)如表1所示。

從表中看出，冷油器頭版、尾版和立柱在汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速為200r/min時振動較弱，最大振振動為尾板的橫向振動，振速為1.5 mm/s，振幅為30μm。振動較大的是立柱部分，橫向振動振速為2.1 mm/s，振幅為81μm，均高于頭板和尾板的振動。

當(dāng)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速上升到1500r/min額定轉(zhuǎn)速時，冷油器振動較大，現(xiàn)場觀測能明顯感覺到冷油器尾板和立柱的強(qiáng)烈振動，而頭板的振動依然較弱，主要原因是頭板與潤滑油、冷卻水進(jìn)出口管道法蘭連接具有一定的支撐作用，緩和了冷油器頭板振動。而冷油器尾板和立柱除了底部安裝固定的地腳螺栓外，上部區(qū)域處于懸桿狀態(tài)，容易造成大幅振動。

振速比、振幅比為表2中1500r/min時冷油器振動值除以200r/min時相對應(yīng)冷油器振動值得到的百分比值，從表3中看出，雖然冷油器頭板振動較小，但振動隨轉(zhuǎn)速增加的趨勢和尾板、立柱基本一致，軸向、橫向振速均有增加。而軸向振幅基本維持少量變化，主要原因是連接管道限制了頭板、尾板的振動振幅，而立柱的軸向振幅有所增加，從側(cè)面說明了立柱受到的管道限制較小。

二、振動原因及分析

針對冷油器振動情況，分析已有數(shù)據(jù)，并通過監(jiān)測現(xiàn)場冷油器振動，找到造成冷油器振動的原因。

（一）冷油器潤滑油中含有氣泡

當(dāng)含有氣泡的潤滑油在冷油器中流動時，一方面，容易造成流量不連續(xù)；另一方面，氣泡在冷油器中容易破裂時，兩方面共同作用會導(dǎo)致潤滑油壓力波動，引成冷油器振動?，F(xiàn)場通過打開冷油器油測排污閥排氣1min，充分釋放潤滑油中可能含有的氣體?，F(xiàn)場觀察發(fā)現(xiàn)潤滑油從排油口流出均勻，并無氣泡。關(guān)閉冷油器油側(cè)排污閥后重新測量汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速1500r/min冷油器振動較大的立柱位置，軸向振速為4.1mm/s，橫向振速為4.1mm/s，軸向振幅41μm，橫向振幅159μm。從現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)對比分析中未發(fā)現(xiàn)排氣后振動情況有所改善，與排氣前1500r/min冷油器立柱位置相比，立柱的軸向振速增加36%，軸向振幅增加17%，橫向振速減少20%，橫向振幅減少10%，綜合考慮，排氣前后冷油器立柱位置振動數(shù)據(jù)無明顯變化。因此，可以排除冷油器潤滑油中含氣泡造成冷油器振動。

（二）冷油器共振

冷油器自然頻率接近潤滑油或冷卻水流動頻率時會形成共振，提高振動頻率，因此造成冷油器振動?，F(xiàn)場通過雙人共同手扶支撐冷油器，施加支撐改變冷油器的固有頻率，重新測量汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速1500r/min冷油器振動較大的立柱位置，立柱測量數(shù)據(jù)是軸向振速為2.9mm/s，橫向振速為5.2mm/s，軸向振幅32μm，橫向振幅125μm。測量數(shù)據(jù)顯示，通過人為改變冷油器固有頻率后振動情況未有明顯改變，與手扶支撐前1500r/min冷油器立柱位置相比，立柱的軸向振速減少4%，軸向振幅降低9%，橫向振速增加2%，橫向振幅減少29%，手扶支撐前后冷油器立柱位置振動數(shù)據(jù)無明顯變化。因此，排除冷油器與潤滑油或冷卻水共振原因造成的冷油器振動。

（三）管道振動

潤滑油管道和冷卻水管道通過法蘭與冷油器剛性連接，且潤滑油管道和冷卻水管道直徑均較大，由于管道振動帶動冷油器振動?，F(xiàn)場測量汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速1500r/min冷油器連接管道振動，由于冷油器管道X方向不易測量，主要針對管道Y方向橫向振動進(jìn)行測量，測量點(diǎn)為冷油器出口20cm左右的管道橫向水平中心位置，現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)如表3所示。

冷油器上部冷卻水出口管道振動較劇烈，振速達(dá)12.2mm/s，振幅達(dá)439μm。而其他連接處的管道振動較微弱，冷油器下部潤滑油出口管道的振速和振幅均比冷油器頭板、尾板和立柱的橫向振動低，冷油器上部潤滑入口、冷油器下部冷卻水入口的管道振速、振幅與冷油器頭板、尾板和立柱的橫向振動數(shù)值基本相當(dāng)，而冷油器上部冷卻水出口管道的振速是冷油器最大振動位置立柱橫向振速的2.4倍，冷油器上部冷卻水出口管道的振幅是冷油器最大振動位置立柱橫向振幅的2.5倍，從現(xiàn)場振動測量數(shù)據(jù)分析，冷卻水出口管道振動可能是造成冷油器振動的原因。

（四）管道振動分析及解決措施

現(xiàn)場冷油器冷卻水出口管道的布置方式可以看出，冷油器出口管道處連續(xù)彎頭，在冷油器冷卻水出口管道連續(xù)彎頭處存在節(jié)流孔板，會造成流量不穩(wěn)定，加大節(jié)流孔板前壓力，形成類似水錘效應(yīng)。當(dāng)流體通過后，壓力下降又繼續(xù)上升，形成波浪式的流量波動。此時，冷卻水對管道的激振力，疊加冷卻水、管道和孔板的相互作用引起了自激振動，其機(jī)理較復(fù)雜，是流體與振動物體交互作用的結(jié)果，會造成冷卻水管道振動。

現(xiàn)場在節(jié)流孔板位置能聽到流體流過節(jié)流孔板時一浪一浪的轟鳴聲，進(jìn)一步證明出口節(jié)流孔板阻礙了流體流動，影響冷油器內(nèi)部冷卻水流體流暢流動，且彎頭處管道無支吊架固定支撐減緩冷卻水、管道、孔板相互作用的激振力，會降低管道振動，導(dǎo)致冷油器振動。

針對冷油器振動的原因，可采取以下解決措施：

第一，改變節(jié)流孔板位置，把節(jié)流孔板改到水平段，確保節(jié)流孔板前后有不小于5倍管徑的直管段，減少節(jié)流孔板造成流量的不穩(wěn)定性和水錘效應(yīng)。

第二，取消節(jié)流孔板，改用閥門控制冷油器進(jìn)出口冷卻水量。盡量合理選用通徑較大的閥門，保證在額定運(yùn)行工況下閥門處于全開狀態(tài)，減小閥門流阻的影響，在低流量下，通過閥門也可以比較平穩(wěn)地控制流量，避免節(jié)流孔板的不可調(diào)性。

第三，對冷卻水出口管道增加支吊架固定。如果現(xiàn)場管道不便于調(diào)節(jié)改造，可以在冷卻水出口管道增加固定支吊架，減少管線振動和冷油器振動。不過增加管道支吊架需要有地方生根支吊架，因此需要結(jié)合現(xiàn)場情況綜合考慮。

第四，冷油器整體添加支撐，此方法較容易實(shí)施的。此方案改動較小，不易受現(xiàn)場條件限制，僅需要在冷油器周圍添加支撐，固定冷油器，減緩冷油器振動。

需要說明的是，上述改造措施并非需要全部執(zhí)行，要綜合考慮改造成本和實(shí)施效果。如果機(jī)組不具備停機(jī)大修的改造時間窗口，可先實(shí)施從外部增加支撐的方式，改善冷油器的振動，并根據(jù)實(shí)施效果判斷是否需要開展進(jìn)一步的孔板改造等工作。

三、結(jié)語

本文通過對現(xiàn)場冷油器振動數(shù)據(jù)的實(shí)際測量，經(jīng)過詳細(xì)分析，排除冷油器潤滑油中含有氣泡、冷油器與冷卻水管道或潤滑油共振等原因，找到冷油器振動的真正原因。冷油器冷卻水出口節(jié)流孔板阻礙冷卻水流動，誘發(fā)管線振動，造成冷油器振動。最后，提出合理解決措施，確保冷油器的安全可靠運(yùn)行，為冷油器的現(xiàn)場安裝、布置打好基礎(chǔ)。

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作者簡介：陶泓（1979），男，四川省德陽市人，工程碩士，高級工程師，從事核電汽輪機(jī)設(shè)計(jì)工作。