刘建松，刘 禾，岳福岭，姚秀红，吴岳嵩，殷江涛

（1.鹤淇发电有限责任公司，河南鹤壁 456792；2.华北电力大学，北京 102206）

0 引言

地震波可对发电机组转动设备的振动产生较大影响。在汶川地震中：距震中317 km、地处秦岭腹地的大唐略阳发电厂，其6#机组为330 MW湿冷汽轮发电机组，地震时该机组4#，6#，7#轴承轴振超过180 μm保护跳机；距离震中630 km的华能铜川电厂，地处关中平原与陕北黄土高原的过渡地带，有2台600 MW直接空冷机组在地震时振动反应基本相同，1#机组地震前后轴系 1#～8#周振幅值全部增加，其中 3Y，4Y，6Y，7Y 分别增加61.5 μm，73.3 μm，66.2 μm，70.9 μm。

鹤壁鹤淇电厂“上大压下”新建工程，建设2台660 MW超超临界燃煤发电机组，厂址位于鹤壁市淇滨新区西南约8 km的淇县庙口镇原本庙村北，太行山东麓。厂址西侧3.6 km处为葛涧村西山的开山采石场，经常开山采石爆破，产生的地震波引起附近地面震动。在鹤淇电厂工地不时会感觉到地面强烈的震动、晃动。鹤淇电厂场地内地基土由第四系冲洪积与坡残积的粉质黏土、粉土、黏土、卵石和姜石土以及泥岩组成，采石爆破是否会造成机组转动设备的振动超限保护频繁动作、影响机组正常运行，需要采取哪些措施，鹤淇电厂在试运、投产之前应研究清楚并解决这些问题。

1 转动设备振动检测、保护的设置情况

鹤淇电厂设置振动大停机、跳闸保护的旋转设备有汽轮机、给水泵小汽轮机、引风机小汽轮机、送风机、引风机、一次风机、给水泵等，采用EMERSON的CSI6500系列的轴振、瓦振检测装置，对全厂带保护的转动设备的轴振、瓦振动进行检测。

1.1 汽轮机振动检测、保护的设置

汽轮机型号为C660-25/0.3/600/600，为超超临界、一次中间再热、单轴、四缸四排汽、抽汽凝汽式汽轮机，自机头看汽轮机逆时针旋转。发电机型号为QFSN-660-2-22B，为水氢氢汽轮发电机。

汽轮发电机组有1#～10#，共计10个轴承，每个轴承采用一块A6110型监测模件、2个PR6423/01型（配套CON021前置器）传感器，检测轴振。感器器PR6423沿垂直于转轴的轴线方向固定在上部轴瓦上，从汽机前轴承箱向低压缸方向看，X向在垂线左侧45°方向、Y向在垂线的右侧45°方向。A6110型监测模件的2个独立的检测通道，分别连接X与Y向的CON021前置器，前置器通过预制电缆连接PR6423传感器。模件分别输出X，Y方向轴振大报警、轴振过大跳机开关量信号至继电器，继电器输出相应的轴振大报警、轴振过大跳机信号至ETS（汽轮机危急遮断系统）。模件分别输出X，Y方向的轴振所对应的（4～20）mA 电流信号至 DCS，（4～20）mA 对应于（0～300）m 的轴振测量量程。

ETS 装置为冗余的 MODICON—— —Quant μm140 PLC，轴振停机保护逻辑：ETS装置接受到1#～10#任一轴承、任一向轴振达发出的轴振大报警信号、且接收到其它任一轴承、任一向轴振过大停机信号，持续3 s后，ETS装置发出轴振大停机保护信号。

汽轮机轴振大报警值为150 μm，过大跳机值为250 μm。

在汽轮机组1#～10#轴承正上方各安装1个PR9268型传感器，1#，2#瓦的传感器合用1个A6120型监测模块，其他瓦振传感器、监测模块相同，9#，10#瓦的传感器合用1个A6120型监测模块。A6120型模块有2个独立的通道，瓦振监测模块的每个通道输出（4～20）mA的瓦振信号至DCS，对应量程0～20 mm/s瓦振信号量程为（0～100）μm。瓦振高I值报警值为50 μm，瓦振高II值报警值80 μm，瓦振监测模块输出瓦振大报警开关量信号至DCS。

1.2 辅机振动超检测、保护的设置

1.2.1 送风机、一次风机、引风机

（1）送风机、一次风机。送风机为上海鼓风机厂有限公司生产的FAF26.6-14-1轴流式送风机，一次风机亦为该厂生产，为PAF18.5-13.3-2轴流式送风机。每台一次风机上设置1个垂直、1个水平方向瓦振测点，传感器分别采用PR9268/201（安装方向垂直）、PR9268/301地震式传感器（安装方向水平）。每台一次风机配置一台MMS3120检测监测仪表。该仪表有2个独立的检测通道，MMS3120 输出 4～20 mA 信号至DCS，量程（0～20）mm/s。

（2）引风机。为成都电力机械厂生产的HA46048-2F轴流式引风机。在引风机的外壳上上一阶分别设置1个垂直、1个水平方向瓦振测点，传感器分别采用PR9268/201（安装方向垂直）、PR9268/301地震式传感器（安装方向水平），每台引风机的2个瓦振传感器合用一个A6120型监测模块。DCS、MEH（小汽轮机数字电液控制系统）、FMEH（引风机小汽轮机数字电液控制系统）装置为EMERSON的OVATION3.5系统。

送风机、一次风机、引风机的振动保护分别通过DCS实现，其逻辑为：一个瓦振值达到报警值且另一个瓦振值达到高跳闸值，持续5 s后DCS发出跳闸指令。送风机、一次风机、引风机振动大报警值为6.3 mm/s，振动大跳闸值为11 mm/s。

1.2.2 给水泵小汽轮机

该设备为东汽生产的G16-1.0型的单缸小汽轮机，与给水泵配套。给水泵由上海电力修造总厂有限公司生产，型号为HPT350-370。每台机组配置2台给水泵及给水泵小汽轮机，给水泵转轴与小汽轮机转轴直接连接，轴心在同一直线上，小汽轮机有2个轴承，给水泵有2个轴承，给水泵及小汽轮机轴系共计有4个轴承。

每个轴承安装一个X向、一个Y向PR6423（配套CON021前置器）传感器；每个轴承的2个传感器配置一块振动模件A6110，模件的2个通道分别监测一个点的X与Y方向的振动值，模件分别输出X，Y方向的轴振所对应的4～20 mA电流信号至DCS，电流信号与（0～300）m 的轴振测量范围相对应。

给水泵及小汽轮机轴振停机保护通过MEH装置实现，其逻辑为：1#～4#任一轴承的8个轴振信号任一达到跳机值且其他的信号中任一达到报警值，持续3 s后MEH装置直接跳小汽轮机。给水泵及小汽轮机轴振报警值为100 μm，小汽轮机轴振跳机值为125 m。

引风机小汽轮机是有东汽生产的、N7-1.0型的单缸单轴、单流、冲动式汽轮机，配套变速齿轮箱，每台机组设置了两台引风机小汽轮机、两台变速齿轮箱，引风机小汽轮机与齿轮箱的高速轴直接连接，轴心在同一直线上，齿轮箱的低速轴与引风机直接连接轴心在同一直线上。

小汽轮机有2个轴承，引风机齿轮箱有4个轴承，每个轴承安装一个X向、一个Y向PR6423（配套CON021前置器）传感器；每个轴承的2个传感器配置一块振动模件 A6110。

引风机小汽机振动保护通过FMEH装置实现，其逻辑为：风机小汽机2个轴承的4个振信号任一轴达到跳机值且其他的信号中任一达到报警值，持续3 s后FMEH装置输出跳小汽轮机指令。引风机小汽轮机轴振报警值为100 μm，小汽轮机轴振跳机值为125 μm。

引风机小汽机齿轮箱振动保护通过FMEH装置实现，其逻辑为：齿轮箱8个轴振信号任一信号达到跳机值且其他的信号中任一达到报警值，持续3 s后FMEH装置直接跳小汽轮机。齿轮箱高速轴的轴振报警值为68 μm，小汽轮机轴振跳机值为101 μm。齿轮箱低速轴的轴振报警值为92 μm，小汽轮机轴振跳机值为137 μm。

2 地震波的特点

地震波为非正弦波，没有固定不变的频率和波长，参考地震勘探中常见的3种地震子波的特点[2]。零相位Ricker子波的主频约为35.71 Hz，峰值频率约为27.34 Hz，中心频率约为率28.7 Hz（图1）。零相位Zinc子波的低截频为10 Hz，高截频为70 Hz，主频约为 50 Hz，中心频率约为 39.99 Hz（图 2）。正弦指数衰减子波的主频约为35.71 Hz，峰值频率约为31.25 Hz，中心频率约为31.95 Hz（图3）。

3 所用检测传感器及监测模件的特性

3.1 瓦振检测传感器及监测模件的特性

瓦振检测采用PR9268传感器与A6120监测模块或MMS3120监测仪表配套进行。

由一个地震块和一个由弹簧片支持的测量线圈组成。测量元件可在一个圆形永久磁铁的磁场中移动，传感器外壳振动，传感器把机械能转换为电能，产生一个与振动速度成正比的电压信号，检测频率范围（4～1000）Hz。传感器把电压信号送至监测模块或监测仪表，后者把接收到的与振动速度成正比的电压信号进行处理后、输出振速信号，在检测汽轮机瓦振时，监测模块把接收到的与振动速度成正比的电压信号进行积分等处运算处理，显示、输出振幅信号。

图1 零相位Ricker子波

图2 零相位Zinc子波

图3 正弦指数衰减子波子波

3.1.1 振动传感器与监测模件之间的关系

轴承简谐振动的方程见式（1）。

式中 S—— —位移，mm

f—— —频率，Hz

A—— —振幅，mm

t—— —时间，s

3.1.2 传感器与测模块（或检测监测仪表）之间的关系

对位移进行时间微分就可得到振速，对（1）式进行微分得出轴承振速公式。

设传感器的灵敏度为K（单位mV/(mm/s）），输出电动势有效值为U（单位为mV），U与监测模块（或监测仪表）显示、输出的振幅值的对应关系见式（3）。

由以上关系可知，传感器直接监测到轴瓦在垂直（水平面）方向上的绝对振速，监测模块通过检测到的传感器的电压的有效值以简谐振动模型计算得出振动振幅值；地震波的频率在传感器的检测频率范围内，因地震波为非正弦波，传感器只能感应到地震引起的轴瓦复合震动的振速，监测模块计算指示出复合震动正弦分量的振幅值。

3.2 轴振检测传感器及监测模件的特性

传感器PR6423采用涡流检测原理，其与前置器CON021形成一个振荡器，振幅随传感器探头与金属被测物的接近而衰减，衰减幅度与传感器和被测物之间的距离成正比。前置器输出直流电压上叠加与轴振动成正比的交流电压信号、至振动模块A6110，模块对接收到的信号进行积分运算后指示并输出轴振振幅值，检测频率范围为（0～1）kHz。

设传感器（含前置器）的灵敏度为K（单位为mV/mm），输出电动势有效值为U（单位为mV），则U与模块A6110显示、输出的振幅值的对应关系见式（4）。

从以上可知，传感器（包含前置器）直接检测到轴承径向动静之间的间隙和振动，模块A6110通过计算得出振动幅值；地震波的频率在传感器（包含前置器）能检测到的频率范围内，因地震波为非正弦波，传感器（包含前置器）和振动模件配套能检测出地震引起的轴承复合振动的波形、包括非正弦波，能检测到地震引起的轴承径向动静之间的复合振动，但监测不到地震引起的动静之间的轴向振动。

4 开山采石爆破地震波对电厂转动设备振动超限保护的影响

开山采石爆破地震对发电机组及辅机的影响，是地震波引起的地面运动，通过钢筋混凝土框架基础、连接管道耦合后形成对机组设备的瞬态扰动，动力响应的大小与机组各部分自身低阶固有频率有关。

4.1 不会造成汽轮发电机组复合振动振幅达到停机值的、开山采石爆破地震波最大振幅

如果将轴承座、框架简化为质量、弹簧、阻尼的简单机械动力学模型，地震来临时如果激励频率等于、接近该力学模型的固有频率时，将会引起大动力响应。鹤淇电厂的一阶发电机临界频率带为（14.183～17.517）Hz，一阶汽机临界频率带为（27.517～34.05）Hz，汽轮机的正常旋转振动的基频为50 Hz。汽轮机的临界频率、旋转基频在地震波的激励频率范围之内，与地震波的中心频率和主频更接近，一阶发电机临界频频率与地震波的中心频率和主频有距离，地震波会对汽轮机的振动影响更大。这一情况，可以从汶川地震中略阳电厂、铜川电厂的汽轮发电机组的轴系振动变化得到验证。

鹤淇电厂1#～4#瓦采用可倾瓦。可倾瓦自位能力强，抗震稳定性好，可抑制地震对轴振的影响；5#～10#瓦采用椭圆瓦。椭圆瓦和转轴之间的动力润滑油为液体，地震时只会传播纵波而不会传播横波。润滑油有一定黏性，相当于一个阻尼器，对冲击和扰动具有抑制作用。

地震波引起的地面运动通过钢筋混凝土框架基础、连接蒸汽管道耦合后形成对机组设备的瞬态扰动，多个扰力作用时，汽机轴承振动（质点）的合成的复合振动的幅值。其中，A为汽机振动振幅，A1为地震振幅。因此

根据《火电机组达标投产验收规程》，汽轮机允许的地震振幅轴系振动测试最大值≤76 μm，代入A1汽轮机的轴振停机保护振幅限值为 250 μm，代入 A0，A1=238.2 μm。即：在汽轮机组安装达标时，汽轮机基础处的地震振幅小于238.2 μm，机组复合振动的振幅不会超过停机值。汽轮机瓦振高I值报警值为50 μm，瓦振高II值报警值80 μm；A参考同类型汽轮机的正常运行时瓦振，A1为238.2 μm，代入公式则计算得 A=238.2 μm。

在有开山爆破产生的地震引起机组轴振大停机保护动作前时，汽轮机瓦振会提前大幅超越报警值。

4.2 不会造成汽辅机复合振动达到停机值的、开山采石爆破地震波最大值

4.2.1 不会造成汽辅机复合振动轴振达到停机值的地震波最大值

在辅机轴振保护中，以引风机小汽轮机齿轮箱的轴振跳闸保护的振幅限值最小为101 μm。

根据《火电机组达标投产验收规程》，引风机小汽轮机组允许的地震轴系振动测试最大值≤76 μm，代入A1，引风机小汽轮机齿轮箱的轴振跳闸保护的振幅限值为101 μm，代入A0，则A1=66.52 μm。即：给水泵汽轮机组安装达标时，汽轮机基础处的地震振幅小于66.52 μm，给引风机小汽轮机齿轮箱轴承的复合振动的振幅才能不会超过停机值。

4.2.2 不会造成汽辅机复合振动瓦振达到停机值的地震波最大值

一次风机正常运转时的基频为25 Hz，送风机正常运转时的基频为16.7 Hz，在地震波的激励频率范围之内，但与地震波的主频和中心频率有距离，地震波增大会增大一次风机、送风机、引风机的振动。地震波引起的地面运动通过钢筋混凝土框架基础、连接管道耦合后形成对机组设备的瞬态扰动，多个扰力作用时，转动设备的轴承振动（质点）的合成的复合振动的振速有效值其中，V为汽机振动振幅，V为地震振速有效值。由此可得

根据技术协议，送风机、一次风机、引风机制造厂家的风机瓦振的振速均方根保证值≤4.0 mm/s，作为V，风机瓦振停机值为 11 mm/s为 V1，则 V1=10.25 mm/s。即，送风机、一次风机、引风机出厂轴承振动指标符合技术协议要求，送风机、一次风机、引风机基础处的地震振速有效值最大值10.25 mm/s，送风机、一次风机、引风机复合轴承振动的振速才能不会超过停机值。

4.3 不会造成电厂转动设备的复合振动达到停机值的、采石爆破产生的地方性震级

地方性震级计算公式

式中 ML——地方性震级

A—— —地震最大振幅，μm

R（△）——地方性震级的量规函数，可以从对照表查出

△—— —震中距，km

采石场与鹤淇电厂直线距离3.6 km，查资料（河南）可知R（△）=1.9，将 A=238.2 μm 代入式（5），可得 ML=4.28。即：在汽轮机组安装达标时，采石场的采石爆破产生的地震大于4.277级时，汽轮机机组复合振动的振幅会超过停机值。

将 A=238.2 μm 代入上式（5），可得 ML=3.73。即：引风机小汽轮机齿轮箱安装达标前提下，采石场的采石爆破产生的地震大于3.9级时，给水泵汽轮机组复合振动的振幅会超过停机值。

同理，将 A=46.14 μm 代入式（5），可得 ML=3.56 ≈3.6≥3.5。即：在送风机、一次风机、引风机出厂振动指标符合技术协议前提下，采石场的采石爆破产生的地震大于3.6级时，送风机、一次风机、引风机复合振动的振速会超过停机值，小于3.5级时复合振动的振速会小于停机值。

5 采取的措施

微差爆破能有效地控制爆破冲击波、振动，可以通过控制微差爆破的时间间隔、避开转动设备的临界频率、基频。鹤淇电厂的汽轮发电机组、引风机汽轮机辅机、给水泵汽轮机、送风机、一次风机、引风机、给水泵运行时振动的最小基频为16.7 Hz，最小临界频率为14.183 Hz，控制微差爆破的延期间隔＞71 ms，微差爆破的频率就避开14.183 Hz的临界频率和16.7 Hz的基频。

2014年在机组开始安装试运前，鹤淇电厂向鹤壁市政府提出请求，鹤壁市政府根据请求立即正式向采石场提出要求，要求采用场采用微差爆破，降低震动对附近的影响，采石爆破产生的地震必须＜3.5级，爆破的延期间隔≥71 ms。葛涧村西山的开山采石场按要求执行，采用时差爆破。机组开始试运后，在鹤淇电厂厂区内还未发现爆破产生的强烈的地面震动、晃动的情况。

经过对比分析，1#机组负荷300 MW发电机组机组的振轴相对最小、2#机组负荷310 MW发电机组机组的振轴相对最小。运行部关注汽轮机及其他转动设备的瓦振值，一旦出现多个瓦震同时超过报警值情况，调整机组负荷至机组振动最小时对应的负荷。

6 效果

机组投产后，主机、辅机的振动值全部符合技术协议和达标投产的要求。机组投运近两年来，主机、辅机振动保护全部投入，主机、辅机未出现因开山爆破引起的振动大跳闸情况，进一步验证了采取的措施是有效、合理的。

［1］郭平英，李明，徐洁，宋明伟，王卓.汶川地震对运行中汽轮发电机组振动影响分析［J］.汽轮机技术，2008（6）：465-467.

［2］张燕平.汽轮机轴系振动故障诊断中的信息融合方法研究［D］.武汉：华中科技大学，2006.

［3］云美厚，丁伟.地震子波频率浅析［J］.石油物探，2005（6）：578-561.

［4］谢福辑.用速度均方根值表示机器基础的振动烈度［J］.工业建筑，1990（1）：32-36

［5］魏海霞.爆破地震波作用下建筑结构的动力响应及安全判据研究［D］.山东：山东科技大学，2010.

［6］宋月龙.地震波频率响应特征研究［D］.西安：西安石油大学，2008.