某核電廠大型柴油發電機組風冷器振動故障治理

楊　璋，王維友

(福建寧德核電有限公司，福建 寧德　355200)

某核電廠大型柴油發電機組風冷器振動故障治理

楊璋，王維友

(福建寧德核電有限公司，福建 寧德355200)

摘要：針對某在建核電廠大型柴油機風冷器對稱排列的軸流風機組振動超標缺陷，研究子風機結構體存在共振時的振動特性。通過振動測量與頻譜分析、固有頻率測量等手段，發現子風機結構體運行期間存在共振；當子風機結構體由單機運行工況切換至風機組整體運行時，共振響應顯著增大。現場采取臨時加固措施避開共振頻率，將風機振動降至標準限值內。

關鍵詞：核電站；柴油發電機組；風冷器；風機振動

機械系統由不同子結構體組成，系統運行時各子結構體的激振力會通過連接部件傳遞給其余子結構體。研究大型對稱結構中各子結構體之間的振動耦合關系，有利于簡化復雜機械系統振動缺陷的故障分析與治理。

目前，在對稱結構的振動特性方面已進行大量研究。文獻[1]中研究了具有對稱面結構的固有頻率和振型，但并未對大型對稱結構中子結構體之間的動力耦合關系進行研究。本文通過分析、治理某在建核電廠大型柴油機風冷器對稱排列風機組的振動超標缺陷，研究子風機結構體的振動特征以及不同子結構體之間的動力耦合特性。

1柴油機風冷器參數簡介

某在建核電廠的大型柴油機冷卻水系統的作用是帶走柴油機在運行過程中產生的熱量，使柴油機達到穩定的熱平衡狀態。系統由風冷散熱器組件、冷卻水管及有關控制部分組成。散熱器組件屬管翅式熱交換器，由安裝在風冷器外側對稱排列的八臺軸流風機驅動空氣略過管外翅片，高溫冷卻水和低溫冷卻水在管內流動，熱量被空氣帶走。軸流風機電機功率為30kW，額定轉速為740r/min(旋轉頻率為12.33Hz)，靜壓力為685Pa。 8個風機以4×2形式布置，風機與風機之間間隔較小，單臺風機以風機筒形式固定在支架上，周邊由4根拉桿加強固定，風機桶內四塊板焊接形成“井”字形，板與板之間以拉桿加強剛度，電機安裝在中心位置，見圖1。

圖1　柴油機風冷器風機示意圖

2風機振動超標缺陷

各風機具有單臺運行(工況1)與同時運行(工況2)兩種工況。在調試期間，技術人員對風機的電機(關鍵設備)進行振動測量，振動采集頻率范圍是10～1 000Hz，3 200條譜線，分辨率為0.31Hz，測量量取速度均方根值(mm/s)。

測量發現各風機在工況2時的振動幅值普遍高于工況1時，且安裝在中間位置的212ZV、211ZV、215ZV、216ZV風機振幅增長幅度明顯高于安裝在周邊位置的風機，約為后者的兩倍。所有風機在不同工況下的頻譜成分基本保持一致，僅幅值略有不同，振動數據見表1(由于水平方向振幅高于垂直方向，取水平向數據研究)。

表1　風機在不同工況下的振動數據　mm/s

由于各子風機的頻譜成分基本一致，且216ZV風機振動超過標準限值[2]，選擇該風機進一步深入研究。工況1時該風機的振幅為8.49mm/s，頻譜以12.5Hz分量為主(10.46mm/s)；其次是70.63Hz分量(1.0mm/s)，振動頻譜圖見圖2。

圖2　216ZV風機水平方向振動頻譜圖(工況1)

工況2時該風機的振幅為13.84mm/s，頻譜12.5Hz分量為主(16.36mm/s)；其次是70.63Hz分量(1.44mm/s)，振動頻譜圖見圖3。

圖3　216ZV風機水平方向振動頻譜圖(工況2)

比較發現工況2時風機12.5Hz的振動分量顯著增加，70.63Hz的分量微弱增加；且振幅呈現明顯波動現象，需要進一步分析原因。

3固有頻率測量

錘擊法基于脈沖激勵原理測試固有頻率，激振工具為一只帶有力傳感器的敲擊力錘，力錘傳感器測得輸入脈沖力信號，加速度傳感器測得輸出信息。激勵被測試件以其自身的固有頻率作自由振動。在脈沖力寬頻信號的激勵下, 能把試驗部件的所有各階固有頻率都激發出來[3]。

3.1風機筒敲擊測試

通過錘擊法測量風筒的固有頻率，試驗結果見圖4，主要頻率成分有：3.75、17.50、70.00、111.30Hz等。

圖4　風筒固有頻率

3.2支架敲擊試驗

通過錘擊法測量電機井字支架的固有頻率，試驗結果見圖6，主要頻率成分有：13.75，70.63Hz等。

4振動分析

“井”字支架的一階共振頻率為13.75Hz，接近風機1倍轉速頻率(12.33Hz)，考慮測量誤差，可以判斷圖2、圖3中12.5Hz頻譜分量對應風機子結構體的1倍轉速頻率(12.33Hz)，且有共振現象發生。電機支架固有頻率見圖5。

圖5　電機支架固有頻率

單臺運行時振動較小，主要是因為激振力較小；8臺同時運行時，各風機之間激振力相互傳遞，共振導致振動進一步放大，并使振幅出現波動。要降低216ZV風機的振動，需要緩解自身的共振響應及周圍子結構體的振動傳遞。在結構模態參數不變的情況下，降低激振力可以減小響應程度；在激振力不變的情況下，改變結構的固有頻率，避開共振區間也能減小響應程度。

受限于現場條件，為臨時提高該設備的可用性，首先嘗試加固手段提高低階共振頻率，緩解整體運行時低階共振響應。

5臨時加固措施

結合現場空間布置，在216ZV風機上方的吊耳和芯組橫梁處增加80號角鋼焊接連接，連接部位焊縫長度為50mm；風機側面的2個吊耳增加80號角鋼和風機面板焊接連接，連接部位焊縫長度為50mm。加固方案現場實施后，實測固有頻譜見圖6、圖7。

圖6　風筒固有頻率(加固后)

圖7　電機支架固有頻率(加固后)

風機加固后減振效果明顯，相同測點處的振動值由13.8mm/s降至4.15mm/s，滿足標準要求；原有12.5Hz分量由16.36mm/s降至1.74mm/s。加固后振動頻譜圖見圖8。

圖8　216ZV風機加固后水平方向振動頻譜圖(工況2)

6結語

大型風冷器中軸流風機振動超標主要原因是共振； 對于大型對稱排列的軸流風機組，中間布置的子風機結構體間的動力耦合作用強于四周布置的子風機，同比振幅增加量約為2倍；相比于風機單臺運行工況，對稱排列風機組同時運行時，共振響應程度更高；通過加固避開低階共振響應的手段能有效解決風機組同時運行時子結構體振動超標問題。這為解決大型對稱排列子結構體間相互耦合作用導致振動超標問題提供了借鑒。

參考文獻：

[1]胡家炘，羅孟杰，楊德軍.計算大型對稱結構的固有頻率和振型[J]. 沈陽工業大學學報， 1994(2)：12-17.

HUJia-xin,LUOMeng-Jie,YANGDe-jun.ComputationofNaturalFrequenciesandModesofVibrationofLargeSymmetricalStructures[J].JournalofShenyangPolytechnicUniversity.1994 (2):12-17.

[2]ISO14694:2003.FansforgeneralpurposesPart7:Specificationsforbalancingandvibration[S].www.bsi-global.com

[3]郜立煥，萬暢，趙積武，等. 大型風機的狀態檢測及分析[J]. 流體機械， 2008，36(1)：5-8.

GAOLi-huan,WANChang,ZHAOJi-wu,etal.ConditionDetectionandAnalysisonHeavyFan[J].FluidMachinery, 2008,36(1):5-8.

(本文編輯：趙艷粉)

Treatment of Diesel Generator Wind Cooler Vibration Default in a Nuclear Power Station

YANG Zhang, WANG Wei-you

(NingdeNuclearPowerCompany,Ningde355200,China)

Abstract:In view of the excessive vibration of the large-scale diesel generator wind cooler symmetric axial-flow fan in a nuclear power plant under construction, this paper studies the vibration characteristics of the running sub-fan with resonance. By means of vibration measurement, spectrum analysis, and inherent frequency measurement, it was found that resonance occurred during the sub-fan running. When the sub-fan structure switched from single operation to overall operation, the resonance response significantly increased. The on-site temporary reinforcement measures were put into effect in order to avoid the resonance frequency, reducing the fan vibration to standard limits.

Key words:nuclear power station; diesel generator; wind cooler; fan vibration

DOI：10.11973/dlyny201603021

作者簡介：楊璋(1981)，男，碩士，高級工程師，從事核電站旋轉設備振動故障診斷與治理技術的研究。

中圖分類號：TM314

文獻標志碼：A

文章編號：2095-1256(2016)03-0354-03

收稿日期：2016-02-23