PDF《电厂汽水管道振动原因分析及解决对策》

能源研究与信息 第28 卷第1期Energy Research and Information Vol.

28 No.

1 2012 收稿日期:2011-10-16 作者简介:邢景伟(1983-),男(汉),硕士研究生,[email protected] 文章编号: 1008-8857(2012)01-0018-06 电厂汽水管道振动原因分析及解决对策 邢景伟

1 , 赵星海

1 , 辛国华

2 (1. 东北电力大学 能源与动力工程学院, 吉林 吉林 132012;

2. 吉林工业职业 技术学院, 吉林 吉林 132013) 摘要: 由于汽水管道内运行工质的参数变化及热力系统的复杂化程度的提高,致使电厂的 部分管道发生严重的振动,威胁电力生产安全运行.分析了电厂汽水管道系统振动的危害和 主要成因,并通过对电厂汽水管道系统微振动方程的分析研究,得出要改变管系的振动特性, 可以从改变激振力、阻尼、刚度等方面考虑的结论.以某电厂一期

600 MW 机组主给水管道 振动治理为例,提出了相应的消除管道振动的有效措施,为现役电厂的消振及新建电厂的设 计在减小管系振动影响方面提供了一定参考. 关键词: 汽水管道;

振动;

共振;

亚临界机组;

减振措施 中图分类号: TK284.1 文献标识码: A 振动是火电厂汽水系统运行中的一种多发现象,管道振动的存在可能导致支吊架松动失 效.振动产生的往复力可能使管道局部发生疲劳破坏,并对连接的设备产生附加推力,造成设 备的损害,影响电厂安全运行.火力发电厂汽水系统承担着重要的汽水循环任务.管道作为热 力系统各个设备之间的联络管路, 是发电厂热力系统必不可少的重要组成部分. 电厂庞大复杂 的管道系统的最主要承载部件是各种形式的支吊架. 支吊架的性能好坏、 承载合理与否直接影 响到电厂管道乃至整个机组的安全运行. 汽水管道振动的破坏力大部分作用在与之连接的支吊 架上.支吊架发生故障而失去作用或失去部分作用则会加剧管道的振动. 近年来,随着我国电力工业的迅猛发展,新建电厂单元机组容量和参数不断提高.由于汽 水管道内运行工质的参数变化及热力系统的复杂化程度的提高, 致使电厂的部分管道发生严重 振动,如高压给水管道、主蒸汽管道、旁路管道系统等. 管道工作的可靠性对电厂运行的安全性影响很大.如某电厂 2?600 MW 空冷机组,于2009 年 投产后即发生了空冷凝汽器凝结水下降管剧烈振动的现象,最严重时振动造成的位移可达几 cm, 管道内部发出明显的爆裂声音. 振动的剧烈程度以及管道内部发出的声响随负荷发生变化, 严 重影响了机组安全运行.管道系统是电厂机组的生命线,为消除事故隐患,有必要对管道的振 动形成机理进行深入的研究和分析,以提出能够有效改善电厂管系振动的技术措施. 第1期邢景伟, 等: 电厂汽水管道振动原因分析及解决对策

19 1 管道振动基本方程 管系节点在稳定平衡位置附近作微幅振动,其运动微分方程一般形式可由拉格朗日方程 导出[1] .设系统由 N 个质点组成有 N 个自由度的完整系统,运动方程写成矩阵形式有 式中,M、C 与K分别为质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵;

F 为激振力. 由此可见,一N个自由度管道系统的微振动方程一般可表示为 N 个联立的二阶常微分方 程.微分方程以矩阵形式给出,反映了激振力与系统质量矩阵、刚度矩阵、阻尼矩阵之间的关 系,为解决管系振动问题提供了基本理论公式.

2 电厂管系振动原因分析 根据管道振动的理论分析,电厂管道及其支吊架和与之相连接的各种泵、阀门和法兰等 管路元件和设备构成了一个复杂的机械结构系统, 这个系统在遇到激振力的情况下就会发生振 动.研究管道振动时要考虑两个系统:管道结构系统和流体系统.前者是从结构的角度出发研 究结构对流体产生的激振力的响应;

后者是从流体的角度出发研究流动规律和流体对结构的激 发作用. 电厂管系的激振力可分为来自系统自身和系统外两大类.来自系统自身的主要有:与管 道直接相连接的泵等转动设备的振动;

管内流体动量瞬时突变、 流体通过泄放阀和管道内流体 的不稳定流动等引起的振动.来自系统外的有地震载荷、风载荷等[2] .其中前者是引发管道振 动的主要原因. 振动对电厂管道而言是一种呈周期性变化的往复运动, 产生的危害程度取决于 激振力的大小和管道自身的抗振性能.其主要影响因素如下: (1) 管内流体脉动引起的振动.电厂管道内的流体流动动力来源于各种泵的做功.当泵 将工质加压时, 由于加压方式是不连续的, 管道内的流体的压力和速度呈现为在平均值上下波 动, 即流体脉动. 处于脉动状态的流体流经弯头、 异径管、 阀门等管道元件时, 将产生激振力, 管道在激振力的作用下会产生振动. (2) 泵等转动设备引起的振动.当泵等转动设备发生振动时,振动力传递到与之相连接 的管道上,使管道发生振动. (3) 管内流体流速过快.当流体流经减压阀、安全阀等元件时,流体流速将急剧上升, 此时工质会对泄放元件和管道产生反力.由于排气的不稳定性,产生的反力也不稳定,从而引 起管道振动.当管径设计偏小时,管内流体流速将随之增大[3] ,当达到一定程度时,流体发生 湍流,引起管道振动. (4) 水锤引起的振动.在火电厂的汽水系统中,由于机组调节的需要或泵阀发生故障, 经常需要开启和关闭阀门,例如高加疏水调节阀.当管道中的阀门突然启闭,管道内的水流速 度首先在阀门处发生突变, 使管道内水压形成压缩波和膨胀波, 并在管道内周期性传递衰减至 压力稳定,这种现象称为水锤[4] .水锤发生时,管内压力变化很大,严重时可能致使管道发生 晃动.当水锤波的频率与管道的某一阶固有频率接近或发生重叠,将会导致管系的共振.

3 电厂管道振动消除措施 电厂管系的振动多数情况是由于激振力与管系的低阶频率发生重叠或管道自身固有频率 过低,所以提高管系的固有频率是解决现役电厂管道低频共振的有效方法. 能源研究与信息

2012 年第28 卷20 (1) 改变系统的刚度 K.有针对性增设限位支架、刚性支架等装置,对现役电厂的管系振 动治理.首先应该宏观查看振动的位置和方向,然后计算管系的各阶频率和阵型.将宏观查看 的结果与计算结果作对比分析, 若观察的振幅方向与某阶阵型相同, 则有可能在此阶模态发生 共振. (2) 改变系统的阻尼 C. 通过计算分析在特定位置加装阻尼器, 有效耗散冲击振动的能量, 达到消减振动的目的. 从能量转化的观点看, 减振器是利用各种形式的阻尼耗散管道的振动能 量,从而降低振动量值,减少结构的动力响应. (3) 根据管道振动基本方程,改变质量矩阵可以提高管系固有频率,降低管系节点的加 速度, 但在现役电厂中管道质量已经固定无法改变, 因此减振措施一般不从质量矩阵方面考虑.

4 某亚临界 4?600 MW 电厂主给水管道振动治理 4.1 工程概况 某电厂一期工程为 4?600 MW 亚临界机组,锅炉型号为 SG-2028/17.5-M908,是亚临界 参数、控制循环、四角切圆燃烧、一次中间再热、单炉膛平衡通风、固态排渣?型汽包炉.主 给水管道规格? 453* 51.5 mm、材质 A106B,设计温度 281.6℃、设计压力 23.5 MPa. 自机组投产后,锅炉主给水管道存在间歇性振动,振动幅度较大,对管道结构的稳定性 具有明显的冲击破坏作用,威胁管道、支吊架和相连设备的安全运行,必须进行彻底治理. 4.2 管系支吊架设置情况 此段管道是从高压加热器到锅炉部分的一段管道,其支吊架设置情况如表

1 所示.该段 管道共设计了

25 个支吊点,其中

17 个弹簧吊架、3 个滑动支架、1 个恒力吊架、1 个限位支 架、3 个刚性吊架. 表1高压给水管道支吊架设置情况 Table

1 Setup of supports and hangers for high-pressure feedwater pipes 节点号 支吊架类型 节点号 支吊架类型 节点号 支吊架类型

650 单拉杆弹簧吊架

260 单拉杆弹簧吊架

400 双拉杆弹簧吊架

630 单拉杆弹簧吊架

280 双拉杆刚性吊架

420 双拉杆弹簧吊架

600 滑动支架

300 单拉杆弹簧吊架

490 单拉杆弹簧吊架

160 单拉杆弹簧支架

310 单拉杆弹簧吊架

120 双拉杆刚性吊架

180 滑动支架

320 双拉杆弹簧吊架

90 单拉杆刚性吊架

195 双拉杆弹簧吊架

340 限位支架

70 滑动支架

220 单拉杆弹簧吊架

350 双拉杆弹簧吊架

730 单拉杆弹簧吊架

230 单拉杆弹簧吊架

360 双拉杆恒力吊架 - -

250 单拉杆弹簧吊架

370 单拉杆弹簧吊架 - - 4.3 振动测量及计算过程 结合实际情况,现场进行振动测试,确定振动测试位置为图

1 中节点

300、

320、350 处 支吊架.布置传感器实施三向同步测量.主要测试管道振动频率、振动加速度和振动位移. 第1期邢景伟, 等: 电厂汽水管道振动原因分析及解决对策

21 为达到测量效果,采取升降机组负荷的方法,产生激振力.具体测量过程和结果:机组 负荷在

460 MW 时,主给水流量大约为

1 380 t?h-1 ,给水压力为

17 MPa,机组运行比较平稳, 这时振动比较微弱;

当机组负荷升至

550 MW 时,主给水流量达到

1 634 t?h-1 ,给水压力升至 17.5 MPa,管道振动逐渐增大.随........