某核電汽輪發電機組調試期間振動數據分析及處理

唐兆軒，顏軍明，時朝杰，馮志超，卓亮輝，李 毅

(中核霞浦核電有限公司，福建 霞浦 355100)

0 引言

某核電汽輪發電機組由東方電氣集團設計生產制造，汽輪機為 HD650A 型核電汽輪機，額定功率為650.148 MW，主蒸汽為12.9 MPa、479.4 ℃，額定轉速為3 000 r/min，為單軸、三缸、四排汽、汽水分離二級再熱、凝汽式核電汽輪機，配以東方電機廠生產的 QFSN-660-2-22D型發電機，冷卻方式為水-氫-氫。汽輪發電機組軸系由高壓轉子、低壓I轉子、低壓II轉子、發電機轉子及勵磁機小軸構成，高壓轉子、低壓I轉子、低壓II轉子和發電機轉子均采用雙支撐結構，勵磁機小軸采用單支撐，軸系共有8個徑向軸承和1個穩定軸承。 汽輪發電機組軸系結構簡圖如圖1所示。

圖1 機組軸系簡圖Fig.1 The schematic of unit shaft system

圖2 軸封供汽溫度、輔汽聯箱蒸汽溫度及振動趨勢圖Fig.2 The shaft seal steam supply temperature，auxiliary steam header steam temperature，and vibration trend

圖3 軸封供汽溫度調整前后振動變化情況Fig.3 Vibration changes before and after adjusting the steam supply temperature of the shaft seal

圖4 高壓、低壓1、低壓2、發電機轉子振動趨勢圖(從左到右、從上至下)Fig.4 The high voltage，low voltage 1，low voltage 2，generator rotor vibration trend (from left to right，top to bottom)

圖5 凝汽器壓力與振動變化趨勢Fig.5 The trend of pressure and vibration changes in condensers

1 機組出現的主要振動異常情況

在汽輪發電機組調試期間，機組出現的主要振動異常類型為動靜碰磨。在整個調試期間，由于各種原因共發生了6次摩擦，甚至引發了機組的打閘跳機。汽輪發電機組作為核電廠重要設備，振動水平是衡量其安全穩定運行的重要指標，頻繁摩擦引發的振動故障必然會對機組帶來較大的危害。

汽輪發電機組發生動靜碰磨故障的原因有以下四個方面：1)由于轉軸振幅過大造成動靜碰磨；2)機組軸系存在不對中、翹曲造成了碰磨；3)安裝、調整導致動靜間隙不足引發的動靜碰磨；4)缸體變形、彎曲等造成了動靜碰磨[2]。機組發生動靜碰磨時，摩擦將加劇軸承磨損，振動過大時則會磨損軸封及隔板汽封，嚴重時摩擦產生的熱彎曲可能導致大軸的永久性彎曲損壞。另外，摩擦加大了通流部分和軸封的汽封徑向間隙，增加漏氣損失，降低機組經濟性[3]。

1.1 軸封供汽溫度對動靜碰磨的影響

以首次核蒸汽沖轉時出現的動靜碰磨為例，在機組出現振動爬升時，軸封供汽溫度快速降低，由190 ℃降至160 ℃。

根據振動及運行數據，振動分析人員現場建議將軸封供汽溫度由160 ℃逐步調整至200 ℃左右，繼續觀察機組振動情況。在調整軸封供汽溫度后，振動開始逐漸降低，中間曾出現幾次波動現象，在機組停機惰走前6Y測點振動已降至50 μm左右。

結合振動頻譜，振動爬升過程中以一倍頻(與轉速同步成分)分量為主，說明振動性質屬于普通強迫振動。另外，由于停機惰走過程過臨界振動明顯高于沖轉過程，且在調整軸封供汽溫度振動逐漸減小，可以判斷振動爬升是動靜碰摩引起的暫態熱彎曲導致的[4，5]。調整軸封供汽溫度后，振動逐漸降低，說明之后動靜碰摩已經緩解，熱彎曲會逐漸恢復。

1.2 凝汽器真空對動靜碰磨的影響

在機組首次并網后，提功率期間出現了一次動靜摩擦，導致機組多個軸承均出現振動爬升(最大接近150 μm)。后通過停運一臺真空泵降低排汽真空后，使振動回落恢復正常。

這次爬升，首先低壓1號轉子振動(3號軸承振動)出現明顯爬升，隨后2、5號軸承振動也出現爬升，且5號軸承振動爬升更為劇烈，振動爬升速率達到2 μm/min。現場診斷并網后凝汽器壓力降低、真空升高，導致低壓缸剛體變形量增大，首先引起低壓1號轉子和汽缸端部汽封間隙消失，從而出現了動靜碰磨。隨著摩擦導致轉子撓曲增大，使低壓2號轉子與汽封也出現了接觸，引起了5號軸承振動增大。

通過降低機組真空，減緩低壓缸缸體變形量，使轉子和汽封的接觸部分逐漸脫離，振動也隨之降低，到機組打閘停機前已回復至正常水平，說明摩擦導致的振動暫態彎曲已完全恢復[6]。這一次摩擦8個軸承振動都出現了爬升，從摩擦出現到徹底消失歷時約5 h。

1.3 膨脹原因引起的摩擦

機組并網后，升功率初期低壓1號轉子和低壓2號轉子振動出現了明顯的變化。低壓1號轉子和低壓2號轉子兩端軸振變化趨勢相反，即一端軸振增大，另一端軸振減小；振動變化以一倍頻為主，性質屬于普通強迫振動。

查詢運行參數發現，振動變化與脹差、轉子軸向位移相關。圖6、圖7給出了8月13日升降功率期間低壓1號轉子和低壓2號轉子振動與運行參數變化情況。從圖中可以看出，脹差增大時，3號和6號軸承振動上漲、4號和5號軸承振動降低，脹差減小時，則相反。 綜上所述，上述振動變化由機組膨脹引起。分析機組振動趨勢發現，當機組功率升至較高水平時，機組充分膨脹后，脹差和振動趨于穩定。

圖6 低壓1號轉子和振動與運行參數變化情況Fig.6 The low pressure rotor No.1 and changes in vibration and operating parameters

圖7 低壓2號轉子振動與運行參數變化情況Fig.7 The low pressure rotor No.2 vibration and changes in operating parameters

2 總結和經驗反饋

機組調試期間發生了多次動靜摩擦導致振動爬升的現象，主要與機組凝汽器壓力降低(真空升高)、軸封供汽溫度降低、脹差偏大等因素有關；出現動靜碰摩的位置主要在汽輪機軸封處，經過多次碰摩間隙已經有一定增大，后續運行中密切關注凝汽器壓力、軸封供汽溫度及脹差等參數變化情況；對于多次出現的動靜碰磨、多次沖轉及惰走過程過臨界振動偏大的情況，可采取降速暖機的方法環節摩擦降低振動，待機組恢復后再提速升功率；后續檢修時，如果有安排開缸，建議對軸封間隙進行檢查。

關于機組頻繁發生的動靜碰磨現象，盡管通過摩擦可以擴大動靜間隙，但是仍然不排除后續再次發生動靜摩擦，一方面需要加強監測，另一方面建議設法避免相關參數劇烈變化。將動靜碰磨的故障消滅在機組運行初始階段，并且保證其在運行期間參數穩定，才是保證設備安全穩定運行、提高核電廠經濟效益的有效措施。