某大型核电汽轮机组历次振动异常过程及原因分析
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【摘 要】本文总结了某大型核电汽轮机组自商运后四次振动异常的过程，即首次满功率平台停机不停堆试验后冲转并网后震动异常、打闸停机后再次冲转并网时振动偏高、满功率平台甩孤岛后并网时振动异常、首次大修后启动升功率过程中震动异常。对振动异常产生的原因进行了分析并得出了分析结论，探讨了采取的针对性措施，包括操作规程优化、通流间隙调整、对轮螺栓紧固力加强等，最后对于所采取的措施产生的效果也进行了比对。
【关键词】核电;汽轮机;异常振动
中图分类号： TK263.61;TM623 文献标识码： A 文章编号： 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
核電作为清洁能源的一种，在能源供应、发电成本、特别是环境保护产生的减排效应方面，蕴含着巨大的发展优势。核电的发展，凝聚着清洁能源的希望，汽轮机作为核电站最重要的组成部分之一，保障其安全稳定运行意义重大。
核电汽轮机精密程度高，由于各种原因，其出现诸多故障影响其运行的可能性较大，在这些故障中最为复杂的就是机组振动故障了。机组振动故障的可能原因是多方面的，通常是几种因素共同作用的结果。例如水、电、油等跟汽轮发电机组有关的设备或部件都可能是产生振动故障的要因。因此，在着手处理振动故障前，我们需要对振动的原因进行分析，加以辨别。
本文所述的核电汽轮机是使用ALSTOM技术生产的ArabelleTM 1000MW级大型汽轮机。该汽轮机是一台单轴、三缸四排汽、带有中间汽水分离再热器的多级冲动式、凝汽式汽轮机，转速为1500rpm。
该汽轮机有一个高中压合缸和两个低压缸。蒸汽在高压缸和中压缸中为单流程，在低压缸中为对称双流程。高中压转子和两个低压转子都由两个径向轴承支撑。高中压转子通过联轴器与低压转子刚性连接，整个轴系只有一个推力轴承，位于中压轴承箱内。
该汽轮机的结构决定了蒸汽在汽轮机中做功的流程为：主蒸汽通过四组蒸汽阀门进入高压缸，每组阀门由一个高压主汽阀和一个高压调节阀组成。在高压缸中膨胀做功以后，蒸汽被送往两个并联运行的汽水分离再热器中。先在汽水分离器中进行除湿，接着在两级再热器中依次被加热后，通过四组中压主汽阀和调节阀进入到中压缸。在中压缸中膨胀做功以后，蒸汽进入低压缸继续膨胀做功并排入下部的凝汽器。
该核电汽轮机在调试到第二次换料大修前的3年时间内，经历了启动前的各项试验、满功率运行和首次换料大修等工况，共计出现过四次机组振动异常，下文就这四次振动异常的过程进行总结，并对异常原因进行分析。
1 首次满功率平台停机不停堆试验后冲转并网后振动异常
10月7日凌晨，该汽轮发电机在并网后升功率过程中二瓦（高中压合缸靠近低压缸侧轴瓦）垂直方向振动达到132.3um，达到打闸停机阈值，打闸停机后1、2号瓦振动均不同程度升高，垂直方向最高达242.3um，水平方向均超量程，达308um。
事件过程的时间序列：
2：44进行满功率平台停机不停堆试验。
3：12试验后，汽机重新冲转达到1500rpm平台。
3：38并网，电功率11MWe，闪发电功率表质量位，二级再热蒸汽调节阀被置手动，并保持50%开度。
3：56电功率达94MWe，二瓦垂直方向振动达132.3微米且无回头趋势，打闸停机。
此次振动异常，经各专业汇总分析认为是由于并网过程中电功率表质量位闪发故障，汽水分离再热系统二级再热蒸汽调节阀控制被置为手动保持当前开度不变，无法调节二级加热蒸汽压力，导致进入中压缸的蒸汽参数迅速降低，中压缸排汽温度从142度迅速下降至84度导致。
查阅相关控制逻辑图，并网后电功率表示数参与二级再热调节阀控制逻辑，在并网瞬间产生电功率表质量位，导致控制逻辑失效，故二级再热调节阀保持并网瞬间开度不变。 后续细化操作规程，并网后运行确认是否存在该质量位报警，若有，需尽快重新将二级再热器调节阀置于自动状态。
原先操作规程中已有电功率表触发质量位后，会导致二级再热器投入情况异常的经验反馈，规程中要求在并网后检查：汽水分离再热器系统二级再热器是否已退出，如果已经退出，则通过相应的组合控制模块将二级再热器停运后再重新投入。由于规程中未详细说明如何确认汽水分離二级再热器是否退出，此次出现振动异常时，运行和仪控人员未发现二级再热器调节阀被自动切为手动，实际二级再热器已失去调节功能，因此新升版操作规程，要求检查汽水分离二级再热器是否退出，如果二级再热器调节阀切至手动，则打回自动，实现二级再热器停运后的再投入。
2 打闸停机后再次冲转并网时振动偏高
由于汽机振动超限值打闸停机后，经专业分析，决定尝试再次冲转并网，过程中，1/2瓦振动大，2瓦垂直方向振动最大88.8um，偏高但未达到打闸阈值，并网成功。
事件过程时间序列：
23：06并网后，功率表质量位触发，二级再热器调节阀被自动切为手动，开度保持在27%。
23：07重新投入汽水分离再热器二级再热，二级再热调节阀迅速全关，1分钟后开始开大。
23：18汽机2瓦垂直方向振动最高升至89um，之后开始回落，后续升功率过程中各项参数正常。
此次冲转并网后同样出现了电功率表质量位闪发故障，汽水分离再热器系统二级再热蒸汽调节阀控制被置为手动保持当前开度不变，随后较快速地切回自动，振动情况虽有异常但未导致停机，证明响应措施有效。由于运行操作不够熟练，恢复自动时间仍有较大延迟，可能是此次振动偏高原因。
3 满功率平台甩孤岛后并网时振动异常
通过500千伏高压断路器开关重新并网后，汽轮发电机2瓦振动持续升高，垂直方向振动高达到130um，手动紧急停机。
事件过程时间序列：
23：34，该汽轮机组执行甩孤岛运行操作;
23：36，根据甩孤岛后的自动逻辑动作，二级汽水分离再热器调节阀开始关闭;
23：43，中压缸排汽温度从165℃开始下降;
23：48，机组振动1、2瓦水平、垂直方向振动均开始异常上升;
23：55，二级汽水分离再热器调节阀完全关闭;
23：59，中压缸排汽温度达113℃，2瓦垂直方向振动超130um，手动打闸停机。
此次事件中，甩孤岛过程中汽机振动已经在持续升高了，此时并网目的在于防止全厂失电，造成故障后果进一步恶化，并不能说是由于并网过程的汽机状态变化而导致的振动异常。所以此次振动异常与前两次有较大的区别。
第三次振动异常发生后，核实汽轮机安装阶段通流间隙数据发现：
该汽轮机高中压缸径向通流间隙虽然满足安装要求，但存在多处偏下限的问题：4级中压缸径向通流间隙在不同方向上都存在偏下限的情况：四级中压缸下部间隙均恰好为下限值;四级中压缸右部间隙均只比下限高0.02-0.05mm;中压第三级径向通流间隙上下左右四个方向均只比下限高0-0.05mm。
根据其他机组经验反馈，通流间隙会随着机组运行发生变化，也就是说，当前状况下部分通流间隙可能已经超出下限，而通流间隙超出下限后，汽轮机在甩负荷等剧烈瞬态时，汽机进汽温度变化的承受能力较弱，容易发生动静摩擦导致震动加剧。
该问题后续在向厂家咨询后在首次大修中进行针对性的改进。
4 首次大修后启动升功率过程中振动异常
首次大修后该核电汽轮机组并网，升功率至80%FP，两天后升功率至100%FP。机组80%FP升至满功率过程中，6、7号轴承处轴振随功率升高，满功率时6瓦水平振动：84.9um，垂直振动：53.7um，7瓦水平振动：73.5um，垂直振动：66.9um。机组满功率后6瓦水平振动值接近报警值90um。（6、7瓦为发电机和汽轮机之间的两个瓦）。
事件过程时间序列：
1月14日，机组并网升功率至30%，6瓦水平振动：25.4um，垂直振动：11.65um，7瓦水平振动：27.3um，垂直振动：21.9um。
1月17日，机组升功率80%，6瓦水平振动：63.47um，垂直振动：39.25um，7瓦水平振动：64.54um，垂直振动：55.52um。
1月19日，机组升功率至100%，满功率时6瓦水平振动：82.05um，垂直振动：52.24um，7瓦水平振动：76.9um，垂直振动：68.86um。
专家会议分析6、7瓦振动高可能原因为：
（1）低压缸和发电机间对轮螺栓连接状况偏差。
（2）由于大修期间中心调整量大，低发对轮中心冷态和热态间变化量大，导致热态不对中。
（3）2号低压缸汽缸和发电机定子膨胀不畅。
汽轮机发电机组转子转动，各段转子之间会产生极大的扭转剪切力（特别是转子升速、停机和转速调节过程中），各联轴器之间螺栓紧力如果不够或紧力过大，将降低汽轮发电机组转子运行的安全性，可能导致回转件之间轴向窜动加重、轴承油膜振荡、轴系动不平衡、机械振动加剧，甚至造成事故，通过测量联轴器螺栓伸长量，确定螺栓的紧力在设计范围内，保证汽轮发电机组安全运行。
2月13日-14日，利用机组春节调停窗口，对低发对轮进行检查，发现16颗对轮螺栓有15颗伸长量不足，重新调整到合格值。
2月17日，对低低联轴器对轮螺栓进行了测量，发现4颗螺栓偏小，4颗螺栓偏大，重新调整到合格值（不是主要原因）。
经调整重新并网，升功率至30%FP，6瓦水平振动207MV：25.4um，垂直振动206MV：22.8um，7瓦水平振动402MV：20.38um，垂直振动401MV：11.7um。升功率80%FP，6瓦水平振动207MV：23.7um，垂直振动206MV：24.3um，7瓦水平振动402MV：21.3um，垂直振动401MV：17.4um。6、7瓦振动值不再随功率增加而升高，已经恢复到20um左右水平。
5 总结
核电汽轮机采用半速汽轮机，具有理想焓降小，容积流量大，管路体积庞大的特点，造成此类汽轮机振动异常的原因有很多且相对较为复杂。关于本文所述的核电汽轮机组商运以来的四次振动异常的原因既有设备问题，又有人员操作问题。
（1）中压缸排汽温度下降速度过快，中压缸受热不均匀产生动静摩擦，是导致汽机振动异常的一种直接原因。
（2）并网阶段要注意密切关注电功率表闪发质量位，二级再热调节阀若未及时恢复自动，无法调节阀后压力，将导致排汽温度快速变化，致使振动加剧。
（3）汽机高压缸径向通流间隙必须控制在适当值，若间隙偏低，将导致机组承受瞬态变化能力差，在瞬态过程中间隙进一步缩小，导致动静摩擦，振动加强。
（4）汽机检修装配后，低压杠和发电机之间对轮螺栓伸长量不足，将导致两者之间的连接不够紧密，在机组状态上升后，会影响汽机振动。
（5）检修工作操作应确保符合规范，工作过程质量控制和监督确保到位，保证每个螺栓都切实连接正确。
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