CPR1000核電機組主泵動平衡的一次加準方法研究及應用

董祥祥1，林 磊

(1.陽江核電有限公司，廣東 陽江 529500;2.蘇州熱工研究院有限公司，江蘇 蘇州 215000)

反應堆冷卻劑系統是核電站的一回路主系統，其主要功能是使冷卻劑循環流動，將堆芯中核裂變產生的熱量通過蒸汽發生器傳輸給二回路，同時冷卻堆芯[1]。該系統由三條并聯的閉合環路組成，每個環路上有一臺主泵。主泵是壓水堆核電站中核島一回路關鍵的主設備之一，處于高溫、高壓、輻照環境，是核安全1 級、抗震Ⅰ類、質保Q1 級的壓力邊界設備，對可靠性要求極高。

一回路降溫、降壓、稀釋以及軸封注入水的溫度和流量的變化，會對主泵的機械性能產生影響[2]，進而造成主泵軸系平衡狀態的改變。當主泵振動較大但又未超出振動報警值，可能會對機組安全運行構成威脅。經分析確認是由于不平衡引起時，須進行動平衡試驗以解決主泵振動問題[3]。

主泵動平衡一般采用影響系數法。影響系數法因其涉及較少的振動及動平衡理論，依托數學運算即可進行。在20世紀五六十年代已獲得成功應用[4]，尤其是計算機技術的發展，大大簡化了人工計算量，影響系數法的應用很快普及。采用影響系數法進行動平衡，一般需要設備經歷3次啟停、二次加重(含試加重)的過程。然而主泵動平衡試驗的實施，通常在機組上行至標準熱停平臺期間，是制約機組啟動、并網發電的關鍵因素，且主泵啟停次數有一定的限制(24 h內啟停不超過6次)，因此多次動平衡對維修工期造成較大挑戰；同時，也會增加現場作業的工作安全和輻射防護風險[5]，所以提出主泵動平衡一次加準的方法顯得尤為重要。

一次加準方法[6]于1993年被首次提出，其目標是將啟停次數降低到最低限度的同時實現軸系動平衡。其關鍵技術有三項：一是不平衡軸向位置和轉子不平衡型式判斷正確，二是關注測點振動的相互影響，三是應加重數值和方向的確定。冷洪坤等[7]考慮了加重質量和滯后角，以提高加準精度和平衡效率為目的，結合全息譜技術提出一次加準的方法并在轉子試驗臺上予以驗證分析。祁立君[8]在分析一次加準的若干問題后，在大型柔性轉子動平衡實現成功運用。唐貴基等[9]基于ANSYS分析，建立有限元模型，通過計算影響系數的相對誤差并與設計參數進行對比，在600 MW機組高壓缸轉子一次加準動平衡進行了探討。

一次加準法已在汽輪機軸系動平衡中得到廣泛應用，但針對核電站主泵動平衡一次加準的研究尚不多見。

通過對多臺CPR1000核電機組同類型主泵動平衡數據的統計分析和研究，總結主泵動平衡的數據特征，提出主泵動平衡一次加準方法并成功應用，對核電站的經濟性具有重要的現實意義。

1 主泵結構及振動標準

1.1 主泵結構

CPR1000機組的主泵是空氣冷卻、立式、電動、單級離心泵，帶有可控泄漏軸封裝置，主泵共有7個葉片，額定轉速1485 r/min。正常運行時，主泵在15.5 MPa(絕對壓力)、292 ℃的運行環境下工作。為防止高溫、高壓、帶放射性的冷卻劑泄漏，設置了特殊的軸封裝置和熱屏。電動機由6.6 kV交流電源提供動力，頂部裝有飛輪，能夠在斷電時延長主泵的惰轉時間。主泵結構如圖1所示。

圖1 主泵結構簡圖Fig.1 Structure of the primary pump

一般情況下，主泵動平衡加重位置在聯軸器上，動平衡加重塊可以通過聯軸器螺栓進行固定，見圖2。其中大孔為聯軸器螺栓位置，小孔為配重塊固定螺栓孔。其加重位置不是連續的，最小加重間隔為15°。

圖2 聯軸器加重示意圖Fig.2 Structure of weighting on coupling

1.2 主泵振動控制標準

振動作為衡量主泵運行狀態的重要指標，對主泵的運行狀態的評價及故障診斷具有極為重要的作用。然而，一回路運行環境的變化會對主泵的機械性能產生影響，轉子原始質量不平衡、軸系的熱變量、泵水力部件更換、長期運行情況下磨損等因素會引起主泵振動狀態發生變化[10-11]。振動增大會引起機械疲勞，使軸系部件產生裂紋。長期振動過大還可能導致密封失效，致使泄漏率增大[12]。

正常運行期間，主泵振動控制標準如表1所示，為了保證主泵的運行安全，主泵動平衡介入標準為軸振動達到170 μm，給主泵安全穩定運行留出足夠的裕量。

表1 主泵振動控制標準(μm)Table 1 Vibration standard of the primary pump(μm)

2 主泵動平衡試驗的方法

2.1 加重質量的計算

動平衡試驗主要是確定加重塊的質量和角度。動平衡時，如無同類設備歷史動平衡數據參考，可以根據式(1)來確定加重塊的質量，根據式(2)確定加重塊的角度[13]。

p=kAWg/(Rω2)

(1)

式中,p為加重塊的質量，kg；k為經驗系數，一般取值0.002～0.004；A為加重前原始振動峰峰值，μm；W為轉子質量，kg；g為重力加速度，9.8 m·s-2；R為加重半徑，m；ω為工作轉速下的角速度，rad·s-1。

β=α+γ-φ+180°

(2)

式中,角度均為逆轉向度量，如圖3所示。其中，β為加重塊的角度；α為振動相位角；γ為鍵相傳感器逆轉向至振動傳感器的夾角；φ為滯后角。

圖3 加重角度的確定Fig.3 Determination of the weighting angle

滯后角為重點和高點之間的夾角。重點為轉子質量分布最集中的點，一般情況下，重點位置是未知的。振動高點是指轉子在旋轉過程中，距離振動傳感器位置最近的點，可以通過測量相位和傳感器現場布置型式來確定振動高點相對于相位零點的位置，即α+γ；

加重質量是以p為大小、β為方向(角度)的矢量。

2.2 影響系數法

不平衡與它產生的振動有著確定的關系。對于大小和方向一定的不平衡矢量，對應的振動矢量也是一定的[13]。根據式(1)和式(2)確定加重質量(試加質量)的方法，現場加重后可能無法取得滿意的效果。一方面滯后角估算錯誤導致加重角度出現較大偏差，另一方面加重塊的質量估算偏差可能導致振動變化不明顯。所以，當出現加重后振動未達到預期時，可根據線性振動理論采用影響系數法進行動平衡二次加重(即校正質量)計算。

(3)

(4)

(5)

由上面的過程可以看出，用影響系數法進行動平衡的基本步驟如下：

1)由試加質量和試加前后的振動計算影響系數；

2)建立平衡方程；

3)求解方程，確定校正質量。

可以看出，按照這種方法進行主泵動平衡，一方面會涉及主泵的多次啟停，工期較長，如不能盡快降低振動則占用較長的關鍵路徑，機組上行壓力增加；另一方面，多次啟停主泵也會增加現場安全質量控制的負擔，且影響系數法本身涉及的矢量運算過程也較為復雜。

2.3 主泵動平衡一次加準方法

如能實現主泵動平衡一次加準，只需對主泵進行1次啟停操作來安裝平衡塊。工期可以控制在2 h以內，一般能夠至少節省關鍵路徑10 h左右，為核電站帶來明顯的經濟效益。

主泵動平衡一次加準的關鍵，是根據動平衡的目標，快速確定加重質量和加重角度。為此，對表2所示CPR1000機組同類型主泵現場動平衡數據進行對比分析，以總結其中的規律。通過計算分析，總結出CPR1000機組主泵動平衡一次加準規律如下：

1)影響系數幅值：表2中影響系數幅值平均為113 μm/kg，即加重質量1 kg能夠改變振動幅值113 μm。這里的改變，可以是振動下降也可以是振動上漲。在實際動平衡時可以按照110 μm/kg進行計算。

表2 CPR1000機組同類型主泵動平衡數據列表Table 2 The dynamic balance data of theCPR1000 primary pump

需要強調的是，由于動平衡計算過程中涉及到的是矢量運算，影響系數幅值必須按照2.2節的方法進行計算，而不能用原始振動工頻幅值與殘余振動工頻幅值取代數差，忽略了振動的方向性，會導致計算結果存在很大的誤差。

2)滯后角：主泵的滯后角介于11°～43°，即振動高點與重點之間的夾角是個銳角。加重角度需要盡可能加在重點的對面180°位置。所以，準確確定滯后角是加重的關鍵。

滯后角的取值范圍是一個區間，一般情況下可以取30°進行估算，但如果主泵運行期間表現出明顯的振動不穩定性，如受軸封水流量波動影響較為明顯、機組冷熱態轉換期間主泵振動矢量表現出較大的變化、主泵軸系熱變量突出或轉子在水導軸承中的渦動量變大等，會對滯后角的選取存在影響。一般情況下，軸封水流量越小、主泵振動穩定性越好，滯后角可選擇10°～20°；反之，則可選擇30°～40°，必要時可以選擇大于40°的角度。一般情況下，通過上述規律選取的滯后角是比較可靠的。

關于滯后角與影響系數角度之間的換算方法，如果鍵相傳感器和振動傳感器布置在同一位置，影響系數的角度即為滯后角；如果鍵相傳感器和振動傳感器的布置存在一個夾角，那么滯后角則為影響系數的角度和鍵相傳感器逆轉向到振動傳感器的角度之和[14]。

2.4 加重后殘余振動估算

(6)

如加重質量準確位于重點對面，則殘余振動的工頻幅值為原始振動工頻幅值與影響系數幅值和加重質量乘積的代數差；否則如加重質量與重點一致，則為兩者的代數和。所以，殘余振動的工頻幅值，可用前者進行粗略評估。

綜上所述，為了實現主泵振動動平衡一次加準，可根據110 μm/kg左右的影響系數幅值、30°左右的滯后角估算加重質量。

主泵動平衡的目的，不是將主泵振動降低為零，而是降至一個合理的范圍以保證主泵的安全穩定運行，所以加重質量的選取除了根據質量塊的規格來確定外，還要堅持保守原則，不宜過大。同時，由于主泵動平衡試驗實施風險高，一旦加重偏差可能會引起主泵振動上漲甚至振動飛升，威脅主泵的安全穩定運行，所以為了保證現場工作的安全，建議加重塊的質量控制在900 g以下，最大不宜超過1000 g。

3 主泵動平衡一次加準方法的應用

2019年2月，Y電站6號機組003號主泵振動偏高，見表2第9行數據。

為了實現將主泵振動降至120 μm左右的目標，根據110 μm/kg的加重振幅影響，可以算出加重質量約為830 g左右，根據現場平衡塊規格，最終選擇加重質量為770 g。

根據加重角度的特征及該泵在運行期間的振動表現，選取40°滯后角按照式(2)計算加重角度在55°左右(這次動平衡試驗現場布置鍵相傳感器與振動傳感器在同一位置)，結合現場加重螺栓孔分布情況，確定加重角度為52.5°，即實際加重770 g∠52.5°。當然，加重角度偏移2.5°，也導致滯后角的選取偏移2.5°，即滯后角為42.5°。

據此，根據式(6)進行殘余振動估算為：

加重后的實際殘余振動為126 μm∠292°，與估算結果基本一致。

根據加重質量及加重前后的振動變化進行反算，發現實際上該泵的影響系數為127 μm∠21°/kg，滯后角為21°。

根據實際影響系數，可算出理想加重角度為74°，由此可得理想加重角度下(加重塊的質量不變)的殘余振動為：

本例中滯后角估算偏差為21.5°，導致實際殘余振動與理想殘余振動的幅值偏差約13 μm。由于現場加重角度的不連續性，從實際效果來看，基本實現了將主泵振動降低至120 μm的動平衡目標。

本例實際計算出來的影響系數幅值和滯后角處于表2所列的取值范圍內，預估殘余振動和實際殘余振動及理想殘余振動的偏差在可以接受的范圍內，符合主泵動平衡一次加準的研究策略。

4 總結

通過對CPR1000機組同類型主泵動平衡數據的分析，獲得了加重質量對振動的影響和滯后角估算的一般規律，提出了主泵動平衡的一次加準方法，并得到了成功應用，解決了核電站主泵動平衡試驗占用關鍵路徑時間長的現場痛點。同時，該方法能夠將影響系數法動平衡計算涉及的復雜矢量運算進行適當簡化，更便于現場工程師應用。

在主泵動平衡一次加準方法實施過程中，需要關注：

1)為了保證動平衡效果，動平衡實施前應準備充足的不同規格平衡塊(建議不同規格平衡塊的組合質量間隔控制在50 g以內)，以保證實際加重與計算結果更加吻合。

2)同類型設備動平衡的影響系數或滯后角不是一個確定值，而是分布在一個相對固定的區間，在現場執行動平衡時應根據現場設備的實際情況進行加重質量的確定，避免影響動平衡效果。

3)在現場傳感器布置時，如條件具備，建議將鍵相傳感器和振動傳感器布置在同一位置，即兩者夾角γ為0°。一方面減小夾角估算引入的計算誤差，另一方面減少加重角度和殘余振動計算時角度換算引入的計算量。