某核電站冷油器振動分析

摘要：本文根據某核電站冷油器振動問題進行測量分析，排除冷油器潤滑油中含有氣泡、冷油器與冷卻水管道或潤滑油共振等原因，認為冷油器冷卻水出口節流孔板阻礙冷卻水流動，誘發管線振動，是造成冷油器振動根本原因，并提出合理的解決措施，以供參考。

關鍵詞：冷油器；振動；節流孔板

DOI：10.12433/zgkjtz.20232545

潤滑油系統是汽輪機發電機組重要的輔助系統，在汽輪發電機組運行過程中，由于軸系和軸瓦之間的摩擦，會產生大量的熱量。潤滑油系統的主要作用是通過潤滑油帶走軸系摩擦產生的熱量，同時在軸頸和軸瓦之間建立潤滑油膜，減小摩擦系數，降低機械損失，確保汽輪發電機組的軸系安全運行。

冷油器是汽輪機潤滑油系統中控制油溫的主要設備，用于帶走軸系摩擦產生的熱量。冷油器振動會導致冷油器正常運行受到干擾。長時間處在振動環境下工作，會嚴重損害冷油器結構，縮短使用壽命，并影響換熱效率。當冷油器換熱效率降低時，會使進入軸承的潤滑油溫度升高，降低潤滑油的冷卻作用，提高軸承溫度。同時，潤滑油溫度過高會導致潤滑油黏稠度降低，使軸承中的潤滑油油楔的剛性和厚度降低，使油膜承載力減小，最終使油楔破裂。油楔破裂則會導致軸承摩擦瞬間增大，使軸承溫度直線上升，甚至發生軸承咬合的現象，嚴重影響汽輪機的安全運行。冷油器振動的影響不僅關于設備本身，還影響整個潤滑油系統、汽輪機組的運行安全，是不能忽視重要問題。

針對冷油器振動對汽輪機安全可靠運行可能產生的重大影響，本文對某核電站冷油器振動問題進行現場測量和評估，并詳細分析測量數據，提出解決措施，這對冷油器的現場安裝、布置具有一定的借鑒意義。

一、現場測量

（一）冷油器

根據系統設計和設備布置的需求，冷油器選用板式冷油器或管式冷油器。其中，板式冷油器結構緊湊、操作靈活，換熱系數高，適應負荷變化能力強，在電站潤滑油系統中具有廣泛應用。某核電站冷油器為板式冷油器，冷油器長3133mm、寬877mm、高2120mm，板片換熱面積約570m2，板式換熱器頭板側通過法蘭分別與冷卻水進出口管道、潤滑油進出口管道連接，4根連接管道的工程直徑均為DN300。板式換熱器冷卻水接口同側布置，下側為進口，上側為出口，而潤滑油進口則在上側，出口在下側，潤滑油和冷卻水在板式換熱器內部交叉逆流換熱。

鑒于現場設備、管道等已安裝完成，整體設備布置較緊湊，部分位置測量空間受到限制，不易測量。因此，現場選取典型位置測量冷油器振動，選取的測量位置為冷油器頭板、尾板、立柱中部位置。現場采用振動測量儀進行測量，具體測點位置如圖1所示。由于冷油器Z方向振動不易測量，且現場并未觀察到Z方向振動，并未測量Z方向，僅測量冷油器振動比較明顯的橫向振動和軸向振動。橫向振動測量坐標軸Y方向水平振動，軸向振動給測量坐標軸X方向前后振動。

（二）測量數據

現場對汽輪機轉速分別為200r/min和1500r/min的冷油器振動速度和振幅進行測量，冷油器設備振動的過程中，冷油器振類型為非諧周期振動，即冷油器振動像波浪一樣，有周期性規律，但周期振幅不同。冷油器每個周期開始時振動較劇烈，振幅較大，然后振幅逐步衰減，再次振動劇烈，如此周期性產生，由于在每個周期內產生的振幅有時劇烈、有時較小，為了準確測量，振動測量記錄數據為3個振動周期內的最大值，能準確反映冷油器的振動情況。現場測量具體數據如表1所示。

從表中看出，冷油器頭版、尾版和立柱在汽輪機轉速為200r/min時振動較弱，最大振振動為尾板的橫向振動，振速為1.5 mm/s，振幅為30μm。振動較大的是立柱部分，橫向振動振速為2.1 mm/s，振幅為81μm，均高于頭板和尾板的振動。

當汽輪機轉速上升到1500r/min額定轉速時，冷油器振動較大，現場觀測能明顯感覺到冷油器尾板和立柱的強烈振動，而頭板的振動依然較弱，主要原因是頭板與潤滑油、冷卻水進出口管道法蘭連接具有一定的支撐作用，緩和了冷油器頭板振動。而冷油器尾板和立柱除了底部安裝固定的地腳螺栓外，上部區域處于懸桿狀態，容易造成大幅振動。

振速比、振幅比為表2中1500r/min時冷油器振動值除以200r/min時相對應冷油器振動值得到的百分比值，從表3中看出，雖然冷油器頭板振動較小，但振動隨轉速增加的趨勢和尾板、立柱基本一致，軸向、橫向振速均有增加。而軸向振幅基本維持少量變化，主要原因是連接管道限制了頭板、尾板的振動振幅，而立柱的軸向振幅有所增加，從側面說明了立柱受到的管道限制較小。

二、振動原因及分析

針對冷油器振動情況，分析已有數據，并通過監測現場冷油器振動，找到造成冷油器振動的原因。

（一）冷油器潤滑油中含有氣泡

當含有氣泡的潤滑油在冷油器中流動時，一方面，容易造成流量不連續；另一方面，氣泡在冷油器中容易破裂時，兩方面共同作用會導致潤滑油壓力波動，引成冷油器振動。現場通過打開冷油器油測排污閥排氣1min，充分釋放潤滑油中可能含有的氣體。現場觀察發現潤滑油從排油口流出均勻，并無氣泡。關閉冷油器油側排污閥后重新測量汽輪機轉速1500r/min冷油器振動較大的立柱位置，軸向振速為4.1mm/s，橫向振速為4.1mm/s，軸向振幅41μm，橫向振幅159μm。從現場測量數據對比分析中未發現排氣后振動情況有所改善，與排氣前1500r/min冷油器立柱位置相比，立柱的軸向振速增加36%，軸向振幅增加17%，橫向振速減少20%，橫向振幅減少10%，綜合考慮，排氣前后冷油器立柱位置振動數據無明顯變化。因此，可以排除冷油器潤滑油中含氣泡造成冷油器振動。

（二）冷油器共振

冷油器自然頻率接近潤滑油或冷卻水流動頻率時會形成共振，提高振動頻率，因此造成冷油器振動。現場通過雙人共同手扶支撐冷油器，施加支撐改變冷油器的固有頻率，重新測量汽輪機轉速1500r/min冷油器振動較大的立柱位置，立柱測量數據是軸向振速為2.9mm/s，橫向振速為5.2mm/s，軸向振幅32μm，橫向振幅125μm。測量數據顯示，通過人為改變冷油器固有頻率后振動情況未有明顯改變，與手扶支撐前1500r/min冷油器立柱位置相比，立柱的軸向振速減少4%，軸向振幅降低9%，橫向振速增加2%，橫向振幅減少29%，手扶支撐前后冷油器立柱位置振動數據無明顯變化。因此，排除冷油器與潤滑油或冷卻水共振原因造成的冷油器振動。

（三）管道振動

潤滑油管道和冷卻水管道通過法蘭與冷油器剛性連接，且潤滑油管道和冷卻水管道直徑均較大，由于管道振動帶動冷油器振動。現場測量汽輪機轉速1500r/min冷油器連接管道振動，由于冷油器管道X方向不易測量，主要針對管道Y方向橫向振動進行測量，測量點為冷油器出口20cm左右的管道橫向水平中心位置，現場測量數據如表3所示。

冷油器上部冷卻水出口管道振動較劇烈，振速達12.2mm/s，振幅達439μm。而其他連接處的管道振動較微弱，冷油器下部潤滑油出口管道的振速和振幅均比冷油器頭板、尾板和立柱的橫向振動低，冷油器上部潤滑入口、冷油器下部冷卻水入口的管道振速、振幅與冷油器頭板、尾板和立柱的橫向振動數值基本相當，而冷油器上部冷卻水出口管道的振速是冷油器最大振動位置立柱橫向振速的2.4倍，冷油器上部冷卻水出口管道的振幅是冷油器最大振動位置立柱橫向振幅的2.5倍，從現場振動測量數據分析，冷卻水出口管道振動可能是造成冷油器振動的原因。

（四）管道振動分析及解決措施

現場冷油器冷卻水出口管道的布置方式可以看出，冷油器出口管道處連續彎頭，在冷油器冷卻水出口管道連續彎頭處存在節流孔板，會造成流量不穩定，加大節流孔板前壓力，形成類似水錘效應。當流體通過后，壓力下降又繼續上升，形成波浪式的流量波動。此時，冷卻水對管道的激振力，疊加冷卻水、管道和孔板的相互作用引起了自激振動，其機理較復雜，是流體與振動物體交互作用的結果，會造成冷卻水管道振動。

現場在節流孔板位置能聽到流體流過節流孔板時一浪一浪的轟鳴聲，進一步證明出口節流孔板阻礙了流體流動，影響冷油器內部冷卻水流體流暢流動，且彎頭處管道無支吊架固定支撐減緩冷卻水、管道、孔板相互作用的激振力，會降低管道振動，導致冷油器振動。

針對冷油器振動的原因，可采取以下解決措施：

第一，改變節流孔板位置，把節流孔板改到水平段，確保節流孔板前后有不小于5倍管徑的直管段，減少節流孔板造成流量的不穩定性和水錘效應。

第二，取消節流孔板，改用閥門控制冷油器進出口冷卻水量。盡量合理選用通徑較大的閥門，保證在額定運行工況下閥門處于全開狀態，減小閥門流阻的影響，在低流量下，通過閥門也可以比較平穩地控制流量，避免節流孔板的不可調性。

第三，對冷卻水出口管道增加支吊架固定。如果現場管道不便于調節改造，可以在冷卻水出口管道增加固定支吊架，減少管線振動和冷油器振動。不過增加管道支吊架需要有地方生根支吊架，因此需要結合現場情況綜合考慮。

第四，冷油器整體添加支撐，此方法較容易實施的。此方案改動較小，不易受現場條件限制，僅需要在冷油器周圍添加支撐，固定冷油器，減緩冷油器振動。

需要說明的是，上述改造措施并非需要全部執行，要綜合考慮改造成本和實施效果。如果機組不具備停機大修的改造時間窗口，可先實施從外部增加支撐的方式，改善冷油器的振動，并根據實施效果判斷是否需要開展進一步的孔板改造等工作。

三、結語

本文通過對現場冷油器振動數據的實際測量，經過詳細分析，排除冷油器潤滑油中含有氣泡、冷油器與冷卻水管道或潤滑油共振等原因，找到冷油器振動的真正原因。冷油器冷卻水出口節流孔板阻礙冷卻水流動，誘發管線振動，造成冷油器振動。最后，提出合理解決措施，確保冷油器的安全可靠運行，為冷油器的現場安裝、布置打好基礎。

參考文獻：

[1]吳洪枝，趙龍，張亞楠，等.650MW汽輪機軸承溫度偏高原因分析與管理[J].設備管理與維修，2016（11）：27-28.

[2]王彤.板冷水泵切換引發潤滑油壓波動分析[J].黑龍江科技信息，2019（10）：25-26.

[3]于大江. 汽輪機油冷卻器的性能評價與研究[D].濟南：山東大學，2004.

作者簡介：陶泓（1979），男，四川省德陽市人，工程碩士，高級工程師，從事核電汽輪機設計工作。