红沿河核电厂2号发电机过临界振动分析与处理

刘 政，王季能，李远征



红沿河核电厂2号发电机过临界振动分析与处理

刘 政，王季能，李远征

（辽宁红沿河核电有限公司，辽宁大连 116000）

针对红沿河核电厂2号机组发电机转子冷态启动过临界振动高的问题，分析确定其原因是转子冷态不平衡量比较大，溯源发现发电机转子存在热变形（热矢量），并在国内对该型转子首次在现场进行动平衡试验，一次加重将过临界振动有效降低，为同类型发电机转子一阶动平衡积累了宝贵数据。

汽轮发电机；一阶临界转速；振动；动平衡

0 前言

辽宁红沿河核电厂2号机组发电机由东方电气－ALSTOM联合设计制造，额定功率1150MW，是四极半转速同步发电机，转子轴头悬挂带有旋转整流器的无刷励磁机。

整个轴系由5根转子组成：高中压转子（HIP）、3根低压转子（LP1、LP2、LP3）和发电机转子（GEN），由10个三油楔可倾瓦轴承支承，轴系示意图如图1所示。发电机前轴承为9瓦（汽侧），后轴承为10瓦。

机组随机配备GME系统（VM600在线振动监测系统），在每个轴承座上装有两个涡流传感器，分别为转子水平中分面下5º（H向）和竖直中心线右侧5°（V向）。

制造厂设定过临界轴振动打闸值为250µm，额定转速（1500 r/min）运行时，轴振动报警值90µm，停机值130µm，未对轴承座振动设置限值。

图1 轴系结构示意图

1 振动概况

红沿河核电厂2号机组于2013年11月7日首次进行冲转。在升速通过发电机（GEN）过临界转速时前轴承（9H）基频振动最高达235µm（接近250µm打闸值）。但是9H、10H惰走过临界振动均有所降低，9H基频振动为145µm，10H基频振动为126µm（表1）。过临界各个测点的振动实测值见表1，升降速波德曲线如图2所示。

发电机过临界振动大带来比较大的运行风险，如果导致跳机则可能引发跳堆风险。

表1 发电机首次冲转及惰走过临界振动（基频）mm∠º

图2 9H升降速波德曲线

在机组后续的发电机吹扫、并网试验等多次启动过程中，尽管采取了延长暖机时间、调整润滑油温、提高升速率等多种措施，但效果不佳，发电机过临界振动仍然在230~240µm左右，GEN转子历次过临界振动数据比较见表2。

表2 转子历次升、降速过临界振动实测值（基频）µm

2 发电机过临界振动大的原因分析

从振动特征来看，9H启动过临界转速振动一直在高位，但降速过临界都小于升速振动（表2）重现性非常好。9V振动在过临界以及定速1500r/min时均不大，9瓦轴承座振动也不大。

2.1 振动特点

根据机组多次起停振动数据，归纳振动特点为：（1）起动过发电机临界转速时9H振动接近打闸值250mm，10H振动幅值在160µm以下；（2）惰走过临界振动9瓦大幅下降，9H比升速过临界振动幅值低90µm；（3）历次冲转升速过程中，机组振动水平复现性很好，包括低转速下振动变化趋势相同，过临界与额定转速时振动幅值接近，相位稳定；（4）9H过临界与额定转速时振动主要成分是基频（与转速同步）的频率成分；（5）额定转速时轴系整体振动都不大，其中10H最大52µm左右；（6）轴承座振动在起动、定速运行以及惰走过程中都不大。

2.2 原因分析[2,5,6]

从频谱上看，基频为主说明振动性质属于强迫振动。因发电机未并网，可以排除电气等因素。轴承座振动和工作转速下振动都比较小，也可排除连接问题和结构方面问题。从起停机转速数据看，仅过临界转速振动大，属于典型的一阶质量不平衡，所以转子激振力大（质量不平衡）是其过临界振动大的主要原因。

对比发电机转子过临界9瓦振动（表2），水平向振动明显偏大并接近停机值，但垂直向（9H）过临界振动水平仅为水平向的一半。其它几个瓦也有类似特征。这表明机组水平和垂直向动刚度差异比较大，也不排除水平方向阻尼偏低而导致的水平振动大，垂直振动小。当然这与轴承设计特性有关，现场无法改变。

就该转子而言还存在一个异常现象。通常当惰走过临界转速时，由于速率变化慢，其最大振动幅值会比升速过临界振动幅值要大。而该转子正好相反，升速过临界转速振动大而降速过临界转速振动反而小，这种现象说明该转子并非单纯的质量不平衡[8,9,12]。

通过上述特征可以推断，在机组起动—过临界—定速运行—降速惰走的过程中，转子平衡状态发生了变化。即升速过临界转子不平衡量小，运行一段时间后降速惰走转子不平衡量会增大。在运行过程中转子温度会有所升高，因此怀疑转子可能存在热变量（热矢量），即转子受热温度升高之后弯曲发生变化导致平衡状态变化，温度降低后弯曲又恢复到原位[13,14]。

2.3 出厂报告核查

基于以上怀疑，核查该转子的出厂动平衡报告，从制造厂的报告中可以看出：

（1）该转子在厂内执行一阶动平衡约30次，汽端与励端各累计加重8.4kg。对比红沿河1号机发电机转子在厂内执行一阶动平衡仅6次，汽端与励端各累计加重1.5kg。无论是平衡次数还是平衡重量，2号发电机转子都远大于同型的1号发电机转子；

（2）出厂报告表明，在温升试验中，额定转速1500r/min时2号机发电机转子温度从40℃升高到83.5℃，瓦振动幅值由21µm升高到45µm，振动水平增加明显，增加近一倍（如图3所示）。而在热态停机过程中过临界振动也远远大于升速过临界的振动（如图4所示），以上特征均说明该转子的热矢量比较大。

图3 转子厂内温升试验

图4 冷热态起停机振动比较

（3）与1号发电机转子比较，2号发电机最终动平衡后过临界时振动水平（冷热态）接近厂家内控标准100µm，而1号机发电机转子最终动平衡后过临界时振动水平仅为55µm。

从出厂报告可以推测[3,4,7]，在制造厂该转子先进行冷态平衡。冷态振动合格后进行温升试验，发现2号机发电机转子具有较强的热敏感性（热矢量），在热态下振动又比较大（热矢量比较大，见图3、4），所以再次进行热态平衡。但热态平衡时必然对已做好的冷态平衡造成一定破坏，导致了冷态下振动有所增大。同时，出厂前为了兼顾冷热态振动，折衷计算反复平衡，并导致动平衡反复调整，次数非常多，制造厂也证实了上述推测。

3 过临界振动高处理

基于上述分析，冷态一阶残余不平衡质量大是升速过临界振动大的主要原因。为进一步改善轴系振动水平，利用小修窗口对发电机转子实施了一次现场动平衡[1,10,15]。

根据发电机转子具体结构，现场不抽转子的情况下只能在发电机两端风扇环平衡槽内加重。现场采取对称加重的方式，考虑到发电机转子较重（233t），风扇环位置离转子中心较远，在参考其它发电机转子加重经验并兼顾工期要求保守考虑，最终确定在两端风扇环内分别加重1400g∠60°。

加重后再次起机，现场实测9瓦水平向过临界基频振动降至202µm，有明显改善，动平衡前后过临界振动水平见表3（水平向）。

表3 动平衡前后升速过临界振动（基频）mm∠º

受时间窗口限制，本次动平衡仅加重一次。从动平衡试验结果来看，本次加重角度正确。但考虑工期限制加重偏保守，因此加重产生的响应有限，如继续增大平衡质量，则过临界振动水平还会进一步获得降低。

总体来看，动平衡达到了预期的目的，未经试重，一次加重即明显改善过临界振动水平，增加了机组安全裕度，降低了运行风险，为进一步降低机组过临界振动水平打下良好基础。

4 结论

（1）红沿河核电厂2号机发电机过临界振动高主要是转子存在一定的残余一阶不平衡质量。

（2）发电机转子存在较大的热矢量是导致升降速过临界振动差别大的主要原因，而出厂进行的折衷平衡一方面导致平衡调整反复进行，另一方面也导致冷热态振动值难以兼顾，以及残余不平衡量比较大。

（3）从各种渠道反馈的信息来看，有多家电厂的发电机转子存在对热敏感、过临界振动大等类似问题，且转子类型相似，为同一厂家生产，怀疑与转子材质有关，需要进一步核实。

（4）通过现场动平衡证明，尽管其响应水平远低于常见的全速机，但可以通过现场实施一阶动平衡来改善发电机转子过临界振动水平。

（5）因为国内首次进行该类转子现场加重，缺乏同类型转子风扇环处加重的响应数据，偏于保守，但为后续此类转子现场动平衡积累了宝贵的数据和经验。

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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

刘政（1985-），2007年毕业于华中科技大学热能动力工程专业，现在辽宁红沿河核电有限公司从事旋转设备振动故障分析与诊断工作，工程师，ISO18436国际认证Ⅲ级振动分析师。