劉 政，王季能，李遠征

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紅沿河核電廠2號發(fā)電機過臨界振動分析與處理

劉 政，王季能，李遠征

（遼寧紅沿河核電有限公司，遼寧大連 116000）

針對紅沿河核電廠2號機組發(fā)電機轉子冷態(tài)啟動過臨界振動高的問題，分析確定其原因是轉子冷態(tài)不平衡量比較大，溯源發(fā)現(xiàn)發(fā)電機轉子存在熱變形（熱矢量），并在國內對該型轉子首次在現(xiàn)場進行動平衡試驗，一次加重將過臨界振動有效降低，為同類型發(fā)電機轉子一階動平衡積累了寶貴數(shù)據(jù)。

汽輪發(fā)電機；一階臨界轉速；振動；動平衡

0 前言

遼寧紅沿河核電廠2號機組發(fā)電機由東方電氣－ALSTOM聯(lián)合設計制造，額定功率1150MW，是四極半轉速同步發(fā)電機，轉子軸頭懸掛帶有旋轉整流器的無刷勵磁機。

整個軸系由5根轉子組成：高中壓轉子（HIP）、3根低壓轉子（LP1、LP2、LP3）和發(fā)電機轉子（GEN），由10個三油楔可傾瓦軸承支承，軸系示意圖如圖1所示。發(fā)電機前軸承為9瓦（汽側），后軸承為10瓦。

機組隨機配備GME系統(tǒng)（VM600在線振動監(jiān)測系統(tǒng)），在每個軸承座上裝有兩個渦流傳感器，分別為轉子水平中分面下5o（H向）和豎直中心線右側5°（V向）。

制造廠設定過臨界軸振動打閘值為250μm，額定轉速（1500 r/min）運行時，軸振動報警值90μm，停機值130μm，未對軸承座振動設置限值。

圖1 軸系結構示意圖

1 振動概況

紅沿河核電廠2號機組于2013年11月7日首次進行沖轉。在升速通過發(fā)電機（GEN）過臨界轉速時前軸承（9H）基頻振動最高達235μm（接近250μm打閘值）。但是9H、10H惰走過臨界振動均有所降低，9H基頻振動為145μm，10H基頻振動為126μm（表1）。過臨界各個測點的振動實測值見表1，升降速波德曲線如圖2所示。

發(fā)電機過臨界振動大帶來比較大的運行風險，如果導致跳機則可能引發(fā)跳堆風險。

表1 發(fā)電機首次沖轉及惰走過臨界振動（基頻）mm∠o

圖2 9H升降速波德曲線

在機組后續(xù)的發(fā)電機吹掃、并網(wǎng)試驗等多次啟動過程中，盡管采取了延長暖機時間、調整潤滑油溫、提高升速率等多種措施，但效果不佳，發(fā)電機過臨界振動仍然在230~240μm左右，GEN轉子歷次過臨界振動數(shù)據(jù)比較見表2。

表2 轉子歷次升、降速過臨界振動實測值（基頻）μm

2 發(fā)電機過臨界振動大的原因分析

從振動特征來看，9H啟動過臨界轉速振動一直在高位，但降速過臨界都小于升速振動（表2）重現(xiàn)性非常好。9V振動在過臨界以及定速1500r/min時均不大，9瓦軸承座振動也不大。

2.1 振動特點

根據(jù)機組多次起停振動數(shù)據(jù)，歸納振動特點為：（1）起動過發(fā)電機臨界轉速時9H振動接近打閘值250mm，10H振動幅值在160μm以下；（2）惰走過臨界振動9瓦大幅下降，9H比升速過臨界振動幅值低90μm；（3）歷次沖轉升速過程中，機組振動水平復現(xiàn)性很好，包括低轉速下振動變化趨勢相同，過臨界與額定轉速時振動幅值接近，相位穩(wěn)定；（4）9H過臨界與額定轉速時振動主要成分是基頻（與轉速同步）的頻率成分；（5）額定轉速時軸系整體振動都不大，其中10H最大52μm左右；（6）軸承座振動在起動、定速運行以及惰走過程中都不大。

2.2 原因分析[2,5,6]

從頻譜上看，基頻為主說明振動性質屬于強迫振動。因發(fā)電機未并網(wǎng)，可以排除電氣等因素。軸承座振動和工作轉速下振動都比較小，也可排除連接問題和結構方面問題。從起停機轉速數(shù)據(jù)看，僅過臨界轉速振動大，屬于典型的一階質量不平衡，所以轉子激振力大（質量不平衡）是其過臨界振動大的主要原因。

對比發(fā)電機轉子過臨界9瓦振動（表2），水平向振動明顯偏大并接近停機值，但垂直向（9H）過臨界振動水平僅為水平向的一半。其它幾個瓦也有類似特征。這表明機組水平和垂直向動剛度差異比較大，也不排除水平方向阻尼偏低而導致的水平振動大，垂直振動小。當然這與軸承設計特性有關，現(xiàn)場無法改變。

就該轉子而言還存在一個異?，F(xiàn)象。通常當惰走過臨界轉速時，由于速率變化慢，其最大振動幅值會比升速過臨界振動幅值要大。而該轉子正好相反，升速過臨界轉速振動大而降速過臨界轉速振動反而小，這種現(xiàn)象說明該轉子并非單純的質量不平衡[8,9,12]。

通過上述特征可以推斷，在機組起動—過臨界—定速運行—降速惰走的過程中，轉子平衡狀態(tài)發(fā)生了變化。即升速過臨界轉子不平衡量小，運行一段時間后降速惰走轉子不平衡量會增大。在運行過程中轉子溫度會有所升高，因此懷疑轉子可能存在熱變量（熱矢量），即轉子受熱溫度升高之后彎曲發(fā)生變化導致平衡狀態(tài)變化，溫度降低后彎曲又恢復到原位[13,14]。

2.3 出廠報告核查

基于以上懷疑，核查該轉子的出廠動平衡報告，從制造廠的報告中可以看出：

（1）該轉子在廠內執(zhí)行一階動平衡約30次，汽端與勵端各累計加重8.4kg。對比紅沿河1號機發(fā)電機轉子在廠內執(zhí)行一階動平衡僅6次，汽端與勵端各累計加重1.5kg。無論是平衡次數(shù)還是平衡重量，2號發(fā)電機轉子都遠大于同型的1號發(fā)電機轉子；

（2）出廠報告表明，在溫升試驗中，額定轉速1500r/min時2號機發(fā)電機轉子溫度從40℃升高到83.5℃，瓦振動幅值由21μm升高到45μm，振動水平增加明顯，增加近一倍（如圖3所示）。而在熱態(tài)停機過程中過臨界振動也遠遠大于升速過臨界的振動（如圖4所示），以上特征均說明該轉子的熱矢量比較大。

圖3 轉子廠內溫升試驗

圖4 冷熱態(tài)起停機振動比較

（3）與1號發(fā)電機轉子比較，2號發(fā)電機最終動平衡后過臨界時振動水平（冷熱態(tài)）接近廠家內控標準100μm，而1號機發(fā)電機轉子最終動平衡后過臨界時振動水平僅為55μm。

從出廠報告可以推測[3,4,7]，在制造廠該轉子先進行冷態(tài)平衡。冷態(tài)振動合格后進行溫升試驗，發(fā)現(xiàn)2號機發(fā)電機轉子具有較強的熱敏感性（熱矢量），在熱態(tài)下振動又比較大（熱矢量比較大，見圖3、4），所以再次進行熱態(tài)平衡。但熱態(tài)平衡時必然對已做好的冷態(tài)平衡造成一定破壞，導致了冷態(tài)下振動有所增大。同時，出廠前為了兼顧冷熱態(tài)振動，折衷計算反復平衡，并導致動平衡反復調整，次數(shù)非常多，制造廠也證實了上述推測。

3 過臨界振動高處理

基于上述分析，冷態(tài)一階殘余不平衡質量大是升速過臨界振動大的主要原因。為進一步改善軸系振動水平，利用小修窗口對發(fā)電機轉子實施了一次現(xiàn)場動平衡[1,10,15]。

根據(jù)發(fā)電機轉子具體結構，現(xiàn)場不抽轉子的情況下只能在發(fā)電機兩端風扇環(huán)平衡槽內加重?，F(xiàn)場采取對稱加重的方式，考慮到發(fā)電機轉子較重（233t），風扇環(huán)位置離轉子中心較遠，在參考其它發(fā)電機轉子加重經(jīng)驗并兼顧工期要求保守考慮，最終確定在兩端風扇環(huán)內分別加重1400g∠60°。

加重后再次起機，現(xiàn)場實測9瓦水平向過臨界基頻振動降至202μm，有明顯改善，動平衡前后過臨界振動水平見表3（水平向）。

表3 動平衡前后升速過臨界振動（基頻）mm∠o

受時間窗口限制，本次動平衡僅加重一次。從動平衡試驗結果來看，本次加重角度正確。但考慮工期限制加重偏保守，因此加重產(chǎn)生的響應有限，如繼續(xù)增大平衡質量，則過臨界振動水平還會進一步獲得降低。

總體來看，動平衡達到了預期的目的，未經(jīng)試重，一次加重即明顯改善過臨界振動水平，增加了機組安全裕度，降低了運行風險，為進一步降低機組過臨界振動水平打下良好基礎。

4 結論

（1）紅沿河核電廠2號機發(fā)電機過臨界振動高主要是轉子存在一定的殘余一階不平衡質量。

（2）發(fā)電機轉子存在較大的熱矢量是導致升降速過臨界振動差別大的主要原因，而出廠進行的折衷平衡一方面導致平衡調整反復進行，另一方面也導致冷熱態(tài)振動值難以兼顧，以及殘余不平衡量比較大。

（3）從各種渠道反饋的信息來看，有多家電廠的發(fā)電機轉子存在對熱敏感、過臨界振動大等類似問題，且轉子類型相似，為同一廠家生產(chǎn)，懷疑與轉子材質有關，需要進一步核實。

（4）通過現(xiàn)場動平衡證明，盡管其響應水平遠低于常見的全速機，但可以通過現(xiàn)場實施一階動平衡來改善發(fā)電機轉子過臨界振動水平。

（5）因為國內首次進行該類轉子現(xiàn)場加重，缺乏同類型轉子風扇環(huán)處加重的響應數(shù)據(jù)，偏于保守，但為后續(xù)此類轉子現(xiàn)場動平衡積累了寶貴的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗。

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Analysis and Handling of the Problem of No.2 Generator Critical Velocity Vibration in Hongyanhe Nuclear Power Plant

LIU Zheng, WANG Jineng, LI Yuanzheng

(Liaoning Hongyanhe Nuclear Power Co., Ltd., Dalian 116000, China)

For the problem of No.2 generator critical velocity high vibration during cold-state startup in Hongyanhe Nuclear Power Plant, it is found that the cause is great imbalance of the rotor at cold-state. Trace to the source to discover the existence of thermal deformation(thermal vector), and first carry out field dynamic balancing of this type rotor in China. Critical vibration was reduced effectively by primary weighting. Valuable data was accumulated for one-order dynamic balancing of the same type generator rotor.

steam turbine-generator; one-order critical speed; vibration; dynamic balance

TM301.4+2

B

1000-3983(2017)05-0052-03

2016-09-19

劉政（1985-），2007年畢業(yè)于華中科技大學熱能動力工程專業(yè)，現(xiàn)在遼寧紅沿河核電有限公司從事旋轉設備振動故障分析與診斷工作，工程師，ISO18436國際認證Ⅲ級振動分析師。