某核電廠大型柴油發(fā)電機(jī)組風(fēng)冷器振動(dòng)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(fā)電機(jī)組風(fēng)冷器振動(dòng)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(duì)某在建核電廠大型柴油機(jī)風(fēng)冷器對(duì)稱排列的軸流風(fēng)機(jī)組振動(dòng)超標(biāo)缺陷，研究子風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)體存在共振時(shí)的振動(dòng)特性。通過(guò)振動(dòng)測(cè)量與頻譜分析、固有頻率測(cè)量等手段，發(fā)現(xiàn)子風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)體運(yùn)行期間存在共振；當(dāng)子風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)體由單機(jī)運(yùn)行工況切換至風(fēng)機(jī)組整體運(yùn)行時(shí)，共振響應(yīng)顯著增大。現(xiàn)場(chǎng)采取臨時(shí)加固措施避開(kāi)共振頻率，將風(fēng)機(jī)振動(dòng)降至標(biāo)準(zhǔn)限值內(nèi)。

關(guān)鍵詞：核電站；柴油發(fā)電機(jī)組；風(fēng)冷器；風(fēng)機(jī)振動(dòng)

機(jī)械系統(tǒng)由不同子結(jié)構(gòu)體組成，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)各子結(jié)構(gòu)體的激振力會(huì)通過(guò)連接部件傳遞給其余子結(jié)構(gòu)體。研究大型對(duì)稱結(jié)構(gòu)中各子結(jié)構(gòu)體之間的振動(dòng)耦合關(guān)系，有利于簡(jiǎn)化復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)振動(dòng)缺陷的故障分析與治理。

目前，在對(duì)稱結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性方面已進(jìn)行大量研究。文獻(xiàn)[1]中研究了具有對(duì)稱面結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型，但并未對(duì)大型對(duì)稱結(jié)構(gòu)中子結(jié)構(gòu)體之間的動(dòng)力耦合關(guān)系進(jìn)行研究。本文通過(guò)分析、治理某在建核電廠大型柴油機(jī)風(fēng)冷器對(duì)稱排列風(fēng)機(jī)組的振動(dòng)超標(biāo)缺陷，研究子風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)體的振動(dòng)特征以及不同子結(jié)構(gòu)體之間的動(dòng)力耦合特性。

1柴油機(jī)風(fēng)冷器參數(shù)簡(jiǎn)介

某在建核電廠的大型柴油機(jī)冷卻水系統(tǒng)的作用是帶走柴油機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的熱量，使柴油機(jī)達(dá)到穩(wěn)定的熱平衡狀態(tài)。系統(tǒng)由風(fēng)冷散熱器組件、冷卻水管及有關(guān)控制部分組成。散熱器組件屬管翅式熱交換器，由安裝在風(fēng)冷器外側(cè)對(duì)稱排列的八臺(tái)軸流風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)空氣略過(guò)管外翅片，高溫冷卻水和低溫冷卻水在管內(nèi)流動(dòng)，熱量被空氣帶走。軸流風(fēng)機(jī)電機(jī)功率為30kW，額定轉(zhuǎn)速為740r/min(旋轉(zhuǎn)頻率為12.33Hz)，靜壓力為685Pa。 8個(gè)風(fēng)機(jī)以4×2形式布置，風(fēng)機(jī)與風(fēng)機(jī)之間間隔較小，單臺(tái)風(fēng)機(jī)以風(fēng)機(jī)筒形式固定在支架上，周邊由4根拉桿加強(qiáng)固定，風(fēng)機(jī)桶內(nèi)四塊板焊接形成“井”字形，板與板之間以拉桿加強(qiáng)剛度，電機(jī)安裝在中心位置，見(jiàn)圖1。

圖1　柴油機(jī)風(fēng)冷器風(fēng)機(jī)示意圖

2風(fēng)機(jī)振動(dòng)超標(biāo)缺陷

各風(fēng)機(jī)具有單臺(tái)運(yùn)行(工況1)與同時(shí)運(yùn)行(工況2)兩種工況。在調(diào)試期間，技術(shù)人員對(duì)風(fēng)機(jī)的電機(jī)(關(guān)鍵設(shè)備)進(jìn)行振動(dòng)測(cè)量，振動(dòng)采集頻率范圍是10～1 000Hz，3 200條譜線，分辨率為0.31Hz，測(cè)量量取速度均方根值(mm/s)。

測(cè)量發(fā)現(xiàn)各風(fēng)機(jī)在工況2時(shí)的振動(dòng)幅值普遍高于工況1時(shí)，且安裝在中間位置的212ZV、211ZV、215ZV、216ZV風(fēng)機(jī)振幅增長(zhǎng)幅度明顯高于安裝在周邊位置的風(fēng)機(jī)，約為后者的兩倍。所有風(fēng)機(jī)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(dòng)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1(由于水平方向振幅高于垂直方向，取水平向數(shù)據(jù)研究)。

表1　風(fēng)機(jī)在不同工況下的振動(dòng)數(shù)據(jù)　mm/s

由于各子風(fēng)機(jī)的頻譜成分基本一致，且216ZV風(fēng)機(jī)振動(dòng)超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)限值[2]，選擇該風(fēng)機(jī)進(jìn)一步深入研究。工況1時(shí)該風(fēng)機(jī)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(dòng)頻譜圖見(jiàn)圖2。

圖2　216ZV風(fēng)機(jī)水平方向振動(dòng)頻譜圖(工況1)

工況2時(shí)該風(fēng)機(jī)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(dòng)頻譜圖見(jiàn)圖3。

圖3　216ZV風(fēng)機(jī)水平方向振動(dòng)頻譜圖(工況2)

比較發(fā)現(xiàn)工況2時(shí)風(fēng)機(jī)12.5Hz的振動(dòng)分量顯著增加，70.63Hz的分量微弱增加；且振幅呈現(xiàn)明顯波動(dòng)現(xiàn)象，需要進(jìn)一步分析原因。

3固有頻率測(cè)量

錘擊法基于脈沖激勵(lì)原理測(cè)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(cè)得輸入脈沖力信號(hào)，加速度傳感器測(cè)得輸出信息。激勵(lì)被測(cè)試件以其自身的固有頻率作自由振動(dòng)。在脈沖力寬頻信號(hào)的激勵(lì)下, 能把試驗(yàn)部件的所有各階固有頻率都激發(fā)出來(lái)[3]。

3.1風(fēng)機(jī)筒敲擊測(cè)試

通過(guò)錘擊法測(cè)量風(fēng)筒的固有頻率，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖4，主要頻率成分有：3.75、17.50、70.00、111.30Hz等。

圖4　風(fēng)筒固有頻率

3.2支架敲擊試驗(yàn)

通過(guò)錘擊法測(cè)量電機(jī)井字支架的固有頻率，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖6，主要頻率成分有：13.75，70.63Hz等。

4振動(dòng)分析

“井”字支架的一階共振頻率為13.75Hz，接近風(fēng)機(jī)1倍轉(zhuǎn)速頻率(12.33Hz)，考慮測(cè)量誤差，可以判斷圖2、圖3中12.5Hz頻譜分量對(duì)應(yīng)風(fēng)機(jī)子結(jié)構(gòu)體的1倍轉(zhuǎn)速頻率(12.33Hz)，且有共振現(xiàn)象發(fā)生。電機(jī)支架固有頻率見(jiàn)圖5。

圖5　電機(jī)支架固有頻率

單臺(tái)運(yùn)行時(shí)振動(dòng)較小，主要是因?yàn)榧ふ窳^小；8臺(tái)同時(shí)運(yùn)行時(shí)，各風(fēng)機(jī)之間激振力相互傳遞，共振導(dǎo)致振動(dòng)進(jìn)一步放大，并使振幅出現(xiàn)波動(dòng)。要降低216ZV風(fēng)機(jī)的振動(dòng)，需要緩解自身的共振響應(yīng)及周?chē)咏Y(jié)構(gòu)體的振動(dòng)傳遞。在結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)不變的情況下，降低激振力可以減小響應(yīng)程度；在激振力不變的情況下，改變結(jié)構(gòu)的固有頻率，避開(kāi)共振區(qū)間也能減小響應(yīng)程度。

受限于現(xiàn)場(chǎng)條件，為臨時(shí)提高該設(shè)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(yùn)行時(shí)低階共振響應(yīng)。

5臨時(shí)加固措施

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)空間布置，在216ZV風(fēng)機(jī)上方的吊耳和芯組橫梁處增加80號(hào)角鋼焊接連接，連接部位焊縫長(zhǎng)度為50mm；風(fēng)機(jī)側(cè)面的2個(gè)吊耳增加80號(hào)角鋼和風(fēng)機(jī)面板焊接連接，連接部位焊縫長(zhǎng)度為50mm。加固方案現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施后，實(shí)測(cè)固有頻譜見(jiàn)圖6、圖7。

圖6　風(fēng)筒固有頻率(加固后)

圖7　電機(jī)支架固有頻率(加固后)

風(fēng)機(jī)加固后減振效果明顯，相同測(cè)點(diǎn)處的振動(dòng)值由13.8mm/s降至4.15mm/s，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求；原有12.5Hz分量由16.36mm/s降至1.74mm/s。加固后振動(dòng)頻譜圖見(jiàn)圖8。

圖8　216ZV風(fēng)機(jī)加固后水平方向振動(dòng)頻譜圖(工況2)

6結(jié)語(yǔ)

大型風(fēng)冷器中軸流風(fēng)機(jī)振動(dòng)超標(biāo)主要原因是共振； 對(duì)于大型對(duì)稱排列的軸流風(fēng)機(jī)組，中間布置的子風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)體間的動(dòng)力耦合作用強(qiáng)于四周布置的子風(fēng)機(jī)，同比振幅增加量約為2倍；相比于風(fēng)機(jī)單臺(tái)運(yùn)行工況，對(duì)稱排列風(fēng)機(jī)組同時(shí)運(yùn)行時(shí)，共振響應(yīng)程度更高；通過(guò)加固避開(kāi)低階共振響應(yīng)的手段能有效解決風(fēng)機(jī)組同時(shí)運(yùn)行時(shí)子結(jié)構(gòu)體振動(dòng)超標(biāo)問(wèn)題。這為解決大型對(duì)稱排列子結(jié)構(gòu)體間相互耦合作用導(dǎo)致振動(dòng)超標(biāo)問(wèn)題提供了借鑒。

參考文獻(xiàn)：

[1]胡家炘，羅孟杰，楊德軍.計(jì)算大型對(duì)稱結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型[J]. 沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)， 1994(2)：12-17.

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

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[3]郜立煥，萬(wàn)暢，趙積武，等. 大型風(fēng)機(jī)的狀態(tài)檢測(cè)及分析[J]. 流體機(jī)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(jiǎn)介：楊璋(1981)，男，碩士，高級(jí)工程師，從事核電站旋轉(zhuǎn)設(shè)備振動(dòng)故障診斷與治理技術(shù)的研究。

中圖分類號(hào)：TM314

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：2095-1256(2016)03-0354-03

收稿日期：2016-02-23