某大型核電汽輪機組歷次振動異常過程及原因分析

沈偉杰

【摘 要】本文總結了某大型核電汽輪機組自商運后四次振動異常的過程，即首次滿功率平臺停機不停堆試驗后沖轉并網后震動異常、打閘停機后再次沖轉并網時振動偏高、滿功率平臺甩孤島后并網時振動異常、首次大修后啟動升功率過程中震動異常。對振動異常產生的原因進行了分析并得出了分析結論，探討了采取的針對性措施，包括操作規程優化、通流間隙調整、對輪螺栓緊固力加強等，最后對于所采取的措施產生的效果也進行了比對。

【關鍵詞】核電;汽輪機;異常振動

中圖分類號： TK263.61;TM623 文獻標識碼： A文章編號： 2095-2457（2019）24-0045-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.24.022

【Abstract】This paper summarizes the four abnormal vibration processes of a large nuclear power steam turbine unit after its commercial operation， i.e.， the abnormal vibration after the first full power platform shutdown test， the abnormal vibration when the platform is connected to the grid again after the shutdown， the abnormal vibration when the full power platform is disconnected to the grid ， and the start-up after the first overhaul.. The causes of abnormal vibration are analyzed and the conclusions are drawn. The corresponding measures are discussed， including optimization of operation rules， adjustment of flow clearance， strengthening of fastening force of wheel bolts and so on. Finally， the effects of the measures are also discussed.

【Key words】Nuclear power; ?Turbine; Abnormal vibration

0 前言

核電作為清潔能源的一種，在能源供應、發電成本、特別是環境保護產生的減排效應方面，蘊含著巨大的發展優勢。核電的發展，凝聚著清潔能源的希望，汽輪機作為核電站最重要的組成部分之一，保障其安全穩定運行意義重大。

核電汽輪機精密程度高，由于各種原因，其出現諸多故障影響其運行的可能性較大，在這些故障中最為復雜的就是機組振動故障了。機組振動故障的可能原因是多方面的，通常是幾種因素共同作用的結果。例如水、電、油等跟汽輪發電機組有關的設備或部件都可能是產生振動故障的要因。因此，在著手處理振動故障前，我們需要對振動的原因進行分析，加以辨別。

本文所述的核電汽輪機是使用ALSTOM技術生產的ArabelleTM 1000MW級大型汽輪機。該汽輪機是一臺單軸、三缸四排汽、帶有中間汽水分離再熱器的多級沖動式、凝汽式汽輪機，轉速為1500rpm。

該汽輪機有一個高中壓合缸和兩個低壓缸。蒸汽在高壓缸和中壓缸中為單流程，在低壓缸中為對稱雙流程。高中壓轉子和兩個低壓轉子都由兩個徑向軸承支撐。高中壓轉子通過聯軸器與低壓轉子剛性連接，整個軸系只有一個推力軸承，位于中壓軸承箱內。

該汽輪機的結構決定了蒸汽在汽輪機中做功的流程為：主蒸汽通過四組蒸汽閥門進入高壓缸，每組閥門由一個高壓主汽閥和一個高壓調節閥組成。在高壓缸中膨脹做功以后，蒸汽被送往兩個并聯運行的汽水分離再熱器中。先在汽水分離器中進行除濕，接著在兩級再熱器中依次被加熱后，通過四組中壓主汽閥和調節閥進入到中壓缸。在中壓缸中膨脹做功以后，蒸汽進入低壓缸繼續膨脹做功并排入下部的凝汽器。

該核電汽輪機在調試到第二次換料大修前的3年時間內，經歷了啟動前的各項試驗、滿功率運行和首次換料大修等工況，共計出現過四次機組振動異常，下文就這四次振動異常的過程進行總結，并對異常原因進行分析。

1 首次滿功率平臺停機不停堆試驗后沖轉并網后振動異常

10月7日凌晨，該汽輪發電機在并網后升功率過程中二瓦（高中壓合缸靠近低壓缸側軸瓦）垂直方向振動達到132.3um，達到打閘停機閾值，打閘停機后1、2號瓦振動均不同程度升高，垂直方向最高達242.3um，水平方向均超量程，達308um。

事件過程的時間序列：

2：44進行滿功率平臺停機不停堆試驗。

3：12試驗后，汽機重新沖轉達到1500rpm平臺。

3：38并網，電功率11MWe，閃發電功率表質量位，二級再熱蒸汽調節閥被置手動，并保持50%開度。

3：56電功率達94MWe，二瓦垂直方向振動達132.3微米且無回頭趨勢，打閘停機。

此次振動異常，經各專業匯總分析認為是由于并網過程中電功率表質量位閃發故障，汽水分離再熱系統二級再熱蒸汽調節閥控制被置為手動保持當前開度不變，無法調節二級加熱蒸汽壓力，導致進入中壓缸的蒸汽參數迅速降低，中壓缸排汽溫度從142度迅速下降至84度導致。

查閱相關控制邏輯圖，并網后電功率表示數參與二級再熱調節閥控制邏輯，在并網瞬間產生電功率表質量位，導致控制邏輯失效，故二級再熱調節閥保持并網瞬間開度不變。

后續細化操作規程，并網后運行確認是否存在該質量位報警，若有，需盡快重新將二級再熱器調節閥置于自動狀態。

原先操作規程中已有電功率表觸發質量位后，會導致二級再熱器投入情況異常的經驗反饋，規程中要求在并網后檢查：汽水分離再熱器系統二級再熱器是否已退出，如果已經退出，則通過相應的組合控制模塊將二級再熱器停運后再重新投入。由于規程中未詳細說明如何確認汽水分離二級再熱器是否退出，此次出現振動異常時，運行和儀控人員未發現二級再熱器調節閥被自動切為手動，實際二級再熱器已失去調節功能，因此新升版操作規程，要求檢查汽水分離二級再熱器是否退出，如果二級再熱器調節閥切至手動，則打回自動，實現二級再熱器停運后的再投入。

2 打閘停機后再次沖轉并網時振動偏高

由于汽機振動超限值打閘停機后，經專業分析，決定嘗試再次沖轉并網，過程中，1/2瓦振動大，2瓦垂直方向振動最大88.8um，偏高但未達到打閘閾值，并網成功。

事件過程時間序列：

23：06并網后，功率表質量位觸發，二級再熱器調節閥被自動切為手動，開度保持在27%。

23：07重新投入汽水分離再熱器二級再熱，二級再熱調節閥迅速全關，1分鐘后開始開大。

23：18汽機2瓦垂直方向振動最高升至89um，之后開始回落，后續升功率過程中各項參數正常。

此次沖轉并網后同樣出現了電功率表質量位閃發故障，汽水分離再熱器系統二級再熱蒸汽調節閥控制被置為手動保持當前開度不變，隨后較快速地切回自動，振動情況雖有異常但未導致停機，證明響應措施有效。由于運行操作不夠熟練，恢復自動時間仍有較大延遲，可能是此次振動偏高原因。

3 滿功率平臺甩孤島后并網時振動異常

通過500千伏高壓斷路器開關重新并網后，汽輪發電機2瓦振動持續升高，垂直方向振動高達到130um，手動緊急停機。

事件過程時間序列：

23：34，該汽輪機組執行甩孤島運行操作;

23：36，根據甩孤島后的自動邏輯動作，二級汽水分離再熱器調節閥開始關閉;

23：43，中壓缸排汽溫度從165℃開始下降;

23：48，機組振動1、2瓦水平、垂直方向振動均開始異常上升;

23：55，二級汽水分離再熱器調節閥完全關閉;

23：59，中壓缸排汽溫度達113℃，2瓦垂直方向振動超130um，手動打閘停機。

此次事件中，甩孤島過程中汽機振動已經在持續升高了，此時并網目的在于防止全廠失電，造成故障后果進一步惡化，并不能說是由于并網過程的汽機狀態變化而導致的振動異常。所以此次振動異常與前兩次有較大的區別。

第三次振動異常發生后，核實汽輪機安裝階段通流間隙數據發現：

該汽輪機高中壓缸徑向通流間隙雖然滿足安裝要求，但存在多處偏下限的問題：4級中壓缸徑向通流間隙在不同方向上都存在偏下限的情況：四級中壓缸下部間隙均恰好為下限值;四級中壓缸右部間隙均只比下限高0.02-0.05mm;中壓第三級徑向通流間隙上下左右四個方向均只比下限高0-0.05mm。

根據其他機組經驗反饋，通流間隙會隨著機組運行發生變化，也就是說，當前狀況下部分通流間隙可能已經超出下限，而通流間隙超出下限后，汽輪機在甩負荷等劇烈瞬態時，汽機進汽溫度變化的承受能力較弱，容易發生動靜摩擦導致震動加劇。

該問題后續在向廠家咨詢后在首次大修中進行針對性的改進。

4 首次大修后啟動升功率過程中振動異常

首次大修后該核電汽輪機組并網，升功率至80%FP，兩天后升功率至100%FP。機組80%FP升至滿功率過程中，6、7號軸承處軸振隨功率升高，滿功率時6瓦水平振動：84.9um，垂直振動：53.7um，7瓦水平振動：73.5um，垂直振動：66.9um。機組滿功率后6瓦水平振動值接近報警值90um。（6、7瓦為發電機和汽輪機之間的兩個瓦）。

事件過程時間序列：

1月14日，機組并網升功率至30%，6瓦水平振動：25.4um，垂直振動：11.65um，7瓦水平振動：27.3um，垂直振動：21.9um。

1月17日，機組升功率80%，6瓦水平振動：63.47um，垂直振動：39.25um，7瓦水平振動：64.54um，垂直振動：55.52um。

1月19日，機組升功率至100%，滿功率時6瓦水平振動：82.05um，垂直振動：52.24um，7瓦水平振動：76.9um，垂直振動：68.86um。

專家會議分析6、7瓦振動高可能原因為：

（1）低壓缸和發電機間對輪螺栓連接狀況偏差。

（2）由于大修期間中心調整量大，低發對輪中心冷態和熱態間變化量大，導致熱態不對中。

（3）2號低壓缸汽缸和發電機定子膨脹不暢。

汽輪機發電機組轉子轉動，各段轉子之間會產生極大的扭轉剪切力（特別是轉子升速、停機和轉速調節過程中），各聯軸器之間螺栓緊力如果不夠或緊力過大，將降低汽輪發電機組轉子運行的安全性，可能導致回轉件之間軸向竄動加重、軸承油膜振蕩、軸系動不平衡、機械振動加劇，甚至造成事故，通過測量聯軸器螺栓伸長量，確定螺栓的緊力在設計范圍內，保證汽輪發電機組安全運行。

2月13日-14日，利用機組春節調停窗口，對低發對輪進行檢查，發現16顆對輪螺栓有15顆伸長量不足，重新調整到合格值。

2月17日，對低低聯軸器對輪螺栓進行了測量，發現4顆螺栓偏小，4顆螺栓偏大，重新調整到合格值（不是主要原因）。

經調整重新并網，升功率至30%FP，6瓦水平振動207MV：25.4um，垂直振動206MV：22.8um，7瓦水平振動402MV：20.38um，垂直振動401MV：11.7um。升功率80%FP，6瓦水平振動207MV：23.7um，垂直振動206MV：24.3um，7瓦水平振動402MV：21.3um，垂直振動401MV：17.4um。6、7瓦振動值不再隨功率增加而升高，已經恢復到20um左右水平。

5 總結

核電汽輪機采用半速汽輪機，具有理想焓降小，容積流量大，管路體積龐大的特點，造成此類汽輪機振動異常的原因有很多且相對較為復雜。關于本文所述的核電汽輪機組商運以來的四次振動異常的原因既有設備問題，又有人員操作問題。

（1）中壓缸排汽溫度下降速度過快，中壓缸受熱不均勻產生動靜摩擦，是導致汽機振動異常的一種直接原因。

（2）并網階段要注意密切關注電功率表閃發質量位，二級再熱調節閥若未及時恢復自動，無法調節閥后壓力，將導致排汽溫度快速變化，致使振動加劇。

（3）汽機高壓缸徑向通流間隙必須控制在適當值，若間隙偏低，將導致機組承受瞬態變化能力差，在瞬態過程中間隙進一步縮小，導致動靜摩擦，振動加強。

（4）汽機檢修裝配后，低壓杠和發電機之間對輪螺栓伸長量不足，將導致兩者之間的連接不夠緊密，在機組狀態上升后，會影響汽機振動。

（5）檢修工作操作應確保符合規范，工作過程質量控制和監督確保到位，保證每個螺栓都切實連接正確。

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