李軼 唐吳宇 舒暢

第一作者簡介：李軼（1986－），男，工程師。研究方向?yàn)楹穗娫O(shè)備設(shè)計(jì)及技術(shù)改造。

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2024.13.034

摘? 要：凝升泵是核電廠設(shè)備冷卻水系統(tǒng)的重要設(shè)備，巡檢中發(fā)現(xiàn)3臺(tái)凝升泵振動(dòng)異常。凝升泵振動(dòng)異常會(huì)影響機(jī)組的安全運(yùn)行，因此需要對(duì)其振動(dòng)異常原因進(jìn)行分析并提出應(yīng)對(duì)措施?；谡駝?dòng)測(cè)試結(jié)果，對(duì)凝升泵電機(jī)、泵體及附屬管線振動(dòng)特性進(jìn)行深入分析，并對(duì)附屬管線開展CFD計(jì)算分析，獲知凝升泵及其附屬管線的振動(dòng)異常的原因，提出解決凝升泵及其附屬管線振動(dòng)異常的應(yīng)對(duì)措施，為解決核電廠凝升泵振動(dòng)異常奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：凝升泵；振動(dòng)；異常原因；CFD；應(yīng)對(duì)措施

中圖分類號(hào)：TH3? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2024）13-0140-04

Abstract： The condensate lift pump is an important equipment in the cooling water system of the nuclear power plant， and the abnormal vibration of three condensate lift pumps was found during the inspection. Abnormal vibration of condensate lift pump will affect the safe operation of the unit， so it is necessary to analyze the causes of abnormal vibration and put forward countermeasures. Based on the vibration test results， the vibration characteristics of the condensate pump motor， pump body and auxiliary pipelines are analyzed deeply， and the CFD calculation and analysis of the auxiliary pipelines are carried out， the causes of the abnormal vibration of the condensate pump and its ancillary pipelines are obtained， and the corresponding countermeasures to solve the abnormal vibration of the condensate pump and its ancillary pipelines are put forward， which lays a technical foundation for solving the abnormal vibration of the condensate pump in the power plant.

Keywords： condensate pump; vibration; abnormal causes; CFD; countermeasure

旋轉(zhuǎn)機(jī)械或管道過大的振動(dòng)不僅會(huì)降低相關(guān)設(shè)備的性能，同時(shí)可能會(huì)引發(fā)管道振動(dòng)疲勞[1-2]。秦山核電有限公司320 MW機(jī)組常規(guī)島凝結(jié)水系統(tǒng)布置有3臺(tái)凝結(jié)水升壓泵（以下簡稱“凝升泵”），巡檢中發(fā)現(xiàn)3臺(tái)凝升泵及附屬管線振動(dòng)狀態(tài)異常，泵的劇烈振動(dòng)會(huì)對(duì)管線的薄弱部位及管線上的設(shè)備造成嚴(yán)重?fù)p傷，嚴(yán)重時(shí)可能引發(fā)設(shè)備故障，如閥門不能正常開閉、反饋線斷裂、管線根部焊接位置出現(xiàn)裂紋等缺陷，從而威脅機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行[3]。為了評(píng)估凝升泵及附屬管線的振動(dòng)并為后續(xù)振動(dòng)治理提供振動(dòng)分析數(shù)據(jù)，對(duì)凝升泵附屬管線進(jìn)行了振動(dòng)及模態(tài)測(cè)試，并以此為基礎(chǔ)開展系統(tǒng)振動(dòng)原因分析，找出凝升泵及附屬管線振動(dòng)異常的原因，提出解決振動(dòng)異常的應(yīng)對(duì)措施，以確保機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1? 振動(dòng)原因分析

由于凝升泵及附屬管線振動(dòng)異?，F(xiàn)象存在時(shí)間長，且引起振動(dòng)原因比較復(fù)雜[4]，所以需要開展現(xiàn)場測(cè)試以便分析凝升泵及其附屬管線的振動(dòng)特性[5-6]，并結(jié)合熱工水力計(jì)算找出造成凝升泵及其附屬管線振動(dòng)異常原因，為解決凝升泵振動(dòng)異常提供依據(jù)。

1．1? 振動(dòng)測(cè)試原理

采用加速度計(jì)測(cè)量3臺(tái)凝升泵及附屬管線的振動(dòng)加速度信號(hào)。通過信號(hào)放大、抗混濾波、A/D轉(zhuǎn)換后進(jìn)入測(cè)量分析系統(tǒng)，實(shí)時(shí)顯示各通道的加速度時(shí)程曲線，采集并存儲(chǔ)振動(dòng)信號(hào)。在測(cè)量完成后，對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字積分、頻譜分析等，可以得到所測(cè)設(shè)備和管道振動(dòng)的速度和頻譜等。測(cè)量原理如圖1所示。

1.2? 測(cè)點(diǎn)布置

凝升泵及電機(jī)振動(dòng)測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示。3臺(tái)凝升泵共布置32個(gè)測(cè)點(diǎn)，其中每臺(tái)泵體上布置2個(gè)測(cè)點(diǎn)，每臺(tái)電機(jī)上布置2個(gè)測(cè)點(diǎn)，每臺(tái)泵體基座布置2個(gè)測(cè)點(diǎn)，每臺(tái)電機(jī)基座布置2個(gè)測(cè)點(diǎn)。

凝升泵附屬管線振動(dòng)布置測(cè)點(diǎn)19個(gè)。結(jié)合現(xiàn)場管道系統(tǒng)分布特征，將凝升泵附屬管線分為多個(gè)區(qū)域，即：入口母管（A1、A2、A3）、凝升泵入口管（A4、A5、A6）、凝升泵出口管（A7—A12）、出口母管（A13、A14、A15）、出口母管第一支管（A16）、出口母管第二支管（A19）及出口母管第三支管（A17、A18）。如圖3所示。

圖1? 振動(dòng)測(cè)量原理圖

圖2? 凝升泵振動(dòng)測(cè)點(diǎn)布置圖

圖3? 附屬管線振動(dòng)測(cè)點(diǎn)布置圖

1.3? 測(cè)量結(jié)果分析

技術(shù)人員現(xiàn)場測(cè)量了3臺(tái)凝升泵不同分組運(yùn)行條件下泵及附屬管線的振動(dòng)特性，并對(duì)數(shù)據(jù)展開了分析。

1.3.1? 凝升泵電機(jī)振動(dòng)測(cè)試結(jié)果分析

依據(jù)國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，該型凝升泵振動(dòng)強(qiáng)度限值為2.8 mm/s。電機(jī)振動(dòng)測(cè)試結(jié)果為A泵電機(jī)振動(dòng)強(qiáng)度2.2 mm/s，B泵電機(jī)振動(dòng)強(qiáng)度3.8 mm/s，C泵電機(jī)振動(dòng)強(qiáng)度1.1 mm/s。B泵電機(jī)振動(dòng)超過了強(qiáng)度限值，A泵電機(jī)振動(dòng)接近強(qiáng)度限值。同時(shí)，對(duì)電機(jī)振動(dòng)貢獻(xiàn)最大的是50 Hz及100 Hz附近頻率響應(yīng)，分別對(duì)應(yīng)電源頻率與2倍電源頻率。因此電機(jī)振動(dòng)過大的主要原因是電機(jī)轉(zhuǎn)子與定子不同心引起。B泵電機(jī)軸承位置典型的速度頻譜如圖4所示。

圖4? B泵電機(jī)測(cè)點(diǎn)A29 Z方向速度頻譜圖

1.3.2? 凝升泵體振動(dòng)測(cè)試結(jié)果分析

按照核電廠相關(guān)技術(shù)文件要求，凝升泵振動(dòng)限值為：報(bào)警值小于等于5.6 mm/s，停機(jī)值小于等于11.2 mm/s。測(cè)試結(jié)果表明，A泵體振動(dòng)烈度3.3 mm/s，B泵體振動(dòng)烈度4.8 mm/s，C泵體振動(dòng)烈度19.2 mm/s。C泵體振動(dòng)已超過了停機(jī)值，B泵體振動(dòng)接近報(bào)警值。

泵體振動(dòng)響應(yīng)呈現(xiàn)明顯的線譜效應(yīng)，其中最為突出的是200 Hz附近頻率的響應(yīng)，是造成泵體振動(dòng)過大的最主要貢獻(xiàn)量。200 Hz對(duì)應(yīng)于凝升泵葉片通過頻率，通常是由葉片通過泵體出入口時(shí)造成的流體脈動(dòng)壓力引起的，過大的脈動(dòng)壓力說明泵殼、葉片等部件水力特性存在問題。如圖5所示。

圖5? A泵體測(cè)點(diǎn)A24 Y方向速度頻譜圖

綜合上述分析，作為振源本身的凝升泵電機(jī)及泵體本身存在較大問題。

1.3.3? 凝升泵附屬管線振動(dòng)測(cè)試結(jié)果分析

按照國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，管線許用速度峰值Vallow的表達(dá)式為

式中：C1表示補(bǔ)償管道特征跨上集中質(zhì)量影響修正系數(shù)。C2K2表示ASME規(guī)范中定義應(yīng)力系數(shù)。C3表示管內(nèi)介質(zhì)和保溫層質(zhì)量修正系數(shù)，C4表示不同端和結(jié)構(gòu)型式修正系數(shù)。C5表示強(qiáng)迫振動(dòng)修正系數(shù)。Sel=0.8SA，SA是ASME鍋爐和壓力容器規(guī)范的交變應(yīng)力。

測(cè)試結(jié)果表明，凝升泵附屬管線C#進(jìn)口管A6測(cè)點(diǎn)最大速度峰值達(dá)92.2 mm/s，出口管A12測(cè)點(diǎn)最大速度峰值達(dá)64.7 mm/s，均超過了許用速度峰值，振動(dòng)極其劇烈。

管線振動(dòng)頻率主要為中低頻振動(dòng)。其中，4、7、11、19和24 Hz是凝升泵出口管線自身振動(dòng)；50 Hz是凝升泵軸頻，100 Hz為50 Hz的2倍頻；199 Hz是凝升泵的葉輪通過頻率，400 Hz是200 Hz的2倍頻。因此，對(duì)于入口管線，管線振動(dòng)原因是凝升泵的振動(dòng)傳遞；對(duì)于出口管線，管線振動(dòng)原因是凝升泵的振動(dòng)傳遞和管線自身振動(dòng)，且管線自身振動(dòng)與泵傳遞的振動(dòng)相比不明顯。

1.3.4? 熱工水力影響分析

如果凝結(jié)水系統(tǒng)管道發(fā)生氣蝕，也會(huì)引起管道振動(dòng)，因此，針對(duì)凝結(jié)水管道開展熱工水力CFD數(shù)值計(jì)算，判斷管道中是否發(fā)生氣蝕從而引起管線振動(dòng)[7]。2臺(tái)凝升泵正常并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，凝升泵出口壓力約為2.2 MPa，凝升泵入口壓力約0.7 MPa，在運(yùn)行溫度為40 °C時(shí)，管道中產(chǎn)生氣蝕的壓力約為3.5 kPa。凝升泵進(jìn)口管線網(wǎng)格如圖6所示。凝升泵出口管線網(wǎng)格如圖7所示。

圖6? 凝升泵入口管道網(wǎng)格

由計(jì)算結(jié)果可知，凝升泵入口管道的壓力最小值位于母管至A泵入口段，為0.69 MPa。凝升泵出口管道流場不均勻，壓力最低點(diǎn)在止回閥和截止閥后端，為2.18 MPa，進(jìn)出口壓力均遠(yuǎn)高于氣蝕發(fā)生壓力。因此，凝升泵附屬管線不會(huì)發(fā)生氣蝕，說明管線振動(dòng)不是由水力現(xiàn)象引起的，如圖8和圖9所示。

圖7? 凝升泵出口管道網(wǎng)格

圖8? 凝升泵入口管道壓力分布圖

圖9? 凝升泵出口壓力分布圖

2? 改進(jìn)措施

2.1? 凝升泵改進(jìn)設(shè)計(jì)

目前，凝升泵為3臺(tái)雙吸泵NS250/200，正常運(yùn)行為A泵和B泵并聯(lián)運(yùn)行。其流量Q為748 m3/h，揚(yáng)程H為130 m，汽蝕余量為10 m，效率為80%，采用四葉片水力模型。泵電機(jī)為湘潭電機(jī)廠生產(chǎn)的JK-154-2型，電機(jī)功率400 kW，額定電壓為6 kV，額定頻率50 Hz。

根據(jù)振動(dòng)原因分析，3臺(tái)凝升泵振動(dòng)異常，其中C泵振動(dòng)達(dá)到了停機(jī)值，為了機(jī)組的安全運(yùn)行，需要將3臺(tái)凝升泵整體更換為重新設(shè)計(jì)的新型凝升泵。

2.1.1? 性能參數(shù)

性能參數(shù)使用原設(shè)計(jì)參數(shù)，以滿足機(jī)組安全平穩(wěn)運(yùn)行，即流量Q為748 m3/h，揚(yáng)程H為130 m，汽蝕余量為10 m，效率為80%。

2.1.2? 新型水力模型

原型凝升泵NS250/200的葉輪葉片數(shù)4枚，泵體為雙渦殼結(jié)構(gòu)。這種雙渦殼泵體搭配偶數(shù)葉片的葉輪，偶數(shù)片葉片設(shè)計(jì)并形成對(duì)稱的排列方式，不但使得葉輪自身的平衡性難以調(diào)整，而且容易使葉輪在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生更多的振動(dòng)。泵水力部件中，葉片數(shù)對(duì)泵的揚(yáng)程、效率、氣蝕性能有一定影響，通常認(rèn)為離心泵的葉片數(shù)Z與轉(zhuǎn)速比ns密切相關(guān)，ns越小，為避免葉片單位面積上的負(fù)荷過大，Z值應(yīng)越大[8]。由于凝升泵為雙吸泵，根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)可知，其比轉(zhuǎn)速

式中：n為泵的轉(zhuǎn)速，r/min。由式（2）可知，其比轉(zhuǎn)速為91 r/min，為中比轉(zhuǎn)速離心雙吸泵。在本次改進(jìn)（設(shè)計(jì)）中，葉片數(shù)選擇Z=5。

2.1.3? 新型電機(jī)

由于原電機(jī)JK-154-2型老式電機(jī)已不再生產(chǎn)，需重新選型。為有效降低振動(dòng)，電機(jī)轉(zhuǎn)速降為1 480 r/min。凝升泵軸功率Pa

式中：ρ為介質(zhì)密度，kg/m3，g為重力加速度，kg·m2/s。

根據(jù)凝升泵性能參數(shù)，凝升泵軸功率Pa為327 kW，電機(jī)功率選擇400 kW即可。在本次改進(jìn)（設(shè)計(jì)）中，選用的電機(jī)參數(shù)為Y3556-2/400 kW/6 kV，防護(hù)等級(jí)為IP44，絕緣等級(jí)為F級(jí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速為1 480 r/min。

2.2? 進(jìn)出口管線改進(jìn)設(shè)計(jì)

根據(jù)CFD熱工水力計(jì)算，由于設(shè)計(jì)不盡合理，凝升泵進(jìn)出口管道存在流場不均勻，產(chǎn)生不同強(qiáng)度的漩渦，通過現(xiàn)場勘察和熱工水力計(jì)算，將凝升泵入口管道進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。改進(jìn)前凝升泵入口母管內(nèi)的流體介質(zhì)經(jīng)過母管與凝升泵入口管道三通向上流動(dòng)，通過90°彎頭后經(jīng)過閘閥和大小頭，再經(jīng)過90°彎頭進(jìn)入凝升泵。這樣的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致三通處形成較大的漩渦，導(dǎo)致壓力波動(dòng)進(jìn)而傳遞到凝升泵入口。因此，改進(jìn)設(shè)計(jì)改變凝升泵入口管道方向，從而減弱形成的漩渦，有助于凝升泵入口流動(dòng)的穩(wěn)定。

3? 結(jié)束語

本文針對(duì)秦山核電廠凝升泵及其附屬管線振動(dòng)異?，F(xiàn)象展開了研究，現(xiàn)場測(cè)試了凝升泵及其附屬管線的振動(dòng)特性，并對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了原因分析?；谠蚍治?，提出了解決凝升泵及其附屬管線振動(dòng)異常問題的應(yīng)對(duì)措施，徹底解決了困擾秦山核電廠凝升泵及其附屬管線振動(dòng)異常問題。

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