某核电厂大型柴油发电机组风冷器振动故障治理

杨　璋，王维友

(福建宁德核电有限公司，福建 宁德　355200)

某核电厂大型柴油发电机组风冷器振动故障治理

杨璋，王维友

(福建宁德核电有限公司，福建 宁德355200)

摘要：针对某在建核电厂大型柴油机风冷器对称排列的轴流风机组振动超标缺陷，研究子风机结构体存在共振时的振动特性。通过振动测量与频谱分析、固有频率测量等手段，发现子风机结构体运行期间存在共振；当子风机结构体由单机运行工况切换至风机组整体运行时，共振响应显著增大。现场采取临时加固措施避开共振频率，将风机振动降至标准限值内。

关键词：核电站；柴油发电机组；风冷器；风机振动

机械系统由不同子结构体组成，系统运行时各子结构体的激振力会通过连接部件传递给其余子结构体。研究大型对称结构中各子结构体之间的振动耦合关系，有利于简化复杂机械系统振动缺陷的故障分析与治理。

目前，在对称结构的振动特性方面已进行大量研究。文献[1]中研究了具有对称面结构的固有频率和振型，但并未对大型对称结构中子结构体之间的动力耦合关系进行研究。本文通过分析、治理某在建核电厂大型柴油机风冷器对称排列风机组的振动超标缺陷，研究子风机结构体的振动特征以及不同子结构体之间的动力耦合特性。

1柴油机风冷器参数简介

某在建核电厂的大型柴油机冷却水系统的作用是带走柴油机在运行过程中产生的热量，使柴油机达到稳定的热平衡状态。系统由风冷散热器组件、冷却水管及有关控制部分组成。散热器组件属管翅式热交换器，由安装在风冷器外侧对称排列的八台轴流风机驱动空气略过管外翅片，高温冷却水和低温冷却水在管内流动，热量被空气带走。轴流风机电机功率为30kW，额定转速为740r/min(旋转频率为12.33Hz)，静压力为685Pa。 8个风机以4×2形式布置，风机与风机之间间隔较小，单台风机以风机筒形式固定在支架上，周边由4根拉杆加强固定，风机桶内四块板焊接形成“井”字形，板与板之间以拉杆加强刚度，电机安装在中心位置，见图1。

图1　柴油机风冷器风机示意图

2风机振动超标缺陷

各风机具有单台运行(工况1)与同时运行(工况2)两种工况。在调试期间，技术人员对风机的电机(关键设备)进行振动测量，振动采集频率范围是10～1 000Hz，3 200条谱线，分辨率为0.31Hz，测量量取速度均方根值(mm/s)。

测量发现各风机在工况2时的振动幅值普遍高于工况1时，且安装在中间位置的212ZV、211ZV、215ZV、216ZV风机振幅增长幅度明显高于安装在周边位置的风机，约为后者的两倍。所有风机在不同工况下的频谱成分基本保持一致，仅幅值略有不同，振动数据见表1(由于水平方向振幅高于垂直方向，取水平向数据研究)。

表1　风机在不同工况下的振动数据　mm/s

由于各子风机的频谱成分基本一致，且216ZV风机振动超过标准限值[2]，选择该风机进一步深入研究。工况1时该风机的振幅为8.49mm/s，频谱以12.5Hz分量为主(10.46mm/s)；其次是70.63Hz分量(1.0mm/s)，振动频谱图见图2。

图2　216ZV风机水平方向振动频谱图(工况1)

工况2时该风机的振幅为13.84mm/s，频谱12.5Hz分量为主(16.36mm/s)；其次是70.63Hz分量(1.44mm/s)，振动频谱图见图3。

图3　216ZV风机水平方向振动频谱图(工况2)

比较发现工况2时风机12.5Hz的振动分量显著增加，70.63Hz的分量微弱增加；且振幅呈现明显波动现象，需要进一步分析原因。

3固有频率测量

锤击法基于脉冲激励原理测试固有频率，激振工具为一只带有力传感器的敲击力锤，力锤传感器测得输入脉冲力信号，加速度传感器测得输出信息。激励被测试件以其自身的固有频率作自由振动。在脉冲力宽频信号的激励下, 能把试验部件的所有各阶固有频率都激发出来[3]。

3.1风机筒敲击测试

通过锤击法测量风筒的固有频率，试验结果见图4，主要频率成分有：3.75、17.50、70.00、111.30Hz等。

图4　风筒固有频率

3.2支架敲击试验

通过锤击法测量电机井字支架的固有频率，试验结果见图6，主要频率成分有：13.75，70.63Hz等。

4振动分析

“井”字支架的一阶共振频率为13.75Hz，接近风机1倍转速频率(12.33Hz)，考虑测量误差，可以判断图2、图3中12.5Hz频谱分量对应风机子结构体的1倍转速频率(12.33Hz)，且有共振现象发生。电机支架固有频率见图5。

图5　电机支架固有频率

单台运行时振动较小，主要是因为激振力较小；8台同时运行时，各风机之间激振力相互传递，共振导致振动进一步放大，并使振幅出现波动。要降低216ZV风机的振动，需要缓解自身的共振响应及周围子结构体的振动传递。在结构模态参数不变的情况下，降低激振力可以减小响应程度；在激振力不变的情况下，改变结构的固有频率，避开共振区间也能减小响应程度。

受限于现场条件，为临时提高该设备的可用性，首先尝试加固手段提高低阶共振频率，缓解整体运行时低阶共振响应。

5临时加固措施

结合现场空间布置，在216ZV风机上方的吊耳和芯组横梁处增加80号角钢焊接连接，连接部位焊缝长度为50mm；风机侧面的2个吊耳增加80号角钢和风机面板焊接连接，连接部位焊缝长度为50mm。加固方案现场实施后，实测固有频谱见图6、图7。

图6　风筒固有频率(加固后)

图7　电机支架固有频率(加固后)

风机加固后减振效果明显，相同测点处的振动值由13.8mm/s降至4.15mm/s，满足标准要求；原有12.5Hz分量由16.36mm/s降至1.74mm/s。加固后振动频谱图见图8。

图8　216ZV风机加固后水平方向振动频谱图(工况2)

6结语

大型风冷器中轴流风机振动超标主要原因是共振； 对于大型对称排列的轴流风机组，中间布置的子风机结构体间的动力耦合作用强于四周布置的子风机，同比振幅增加量约为2倍；相比于风机单台运行工况，对称排列风机组同时运行时，共振响应程度更高；通过加固避开低阶共振响应的手段能有效解决风机组同时运行时子结构体振动超标问题。这为解决大型对称排列子结构体间相互耦合作用导致振动超标问题提供了借鉴。

参考文献：

[1]胡家炘，罗孟杰，杨德军.计算大型对称结构的固有频率和振型[J]. 沈阳工业大学学报， 1994(2)：12-17.

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

[2]ISO14694:2003.FansforgeneralpurposesPart7:Specificationsforbalancingandvibration[S].www.bsi-global.com

[3]郜立焕，万畅，赵积武，等. 大型风机的状态检测及分析[J]. 流体机械， 2008，36(1)：5-8.

GAOLi-huan,WANChang,ZHAOJi-wu,etal.ConditionDetectionandAnalysisonHeavyFan[J].FluidMachinery, 2008,36(1):5-8.

(本文编辑：赵艳粉)

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

作者简介：杨璋(1981)，男，硕士，高级工程师，从事核电站旋转设备振动故障诊断与治理技术的研究。

中图分类号：TM314

文献标志码：A

文章编号：2095-1256(2016)03-0354-03

收稿日期：2016-02-23