李 英，唐 璐

（蘇州熱工研究院，江蘇 蘇州 215004）

某發(fā)電廠4×600 MW亞臨界機(jī)組鍋爐型號(hào)為SG-2028/17.5-M908，給水泵將除氧器水箱中的主凝結(jié)水提高壓力，經(jīng)過(guò)高壓加熱器進(jìn)—步加熱之后，輸送到鍋爐的省煤器入口，作為鍋爐的給水。給水系統(tǒng)采用單元制，每臺(tái)機(jī)組配有2臺(tái)50%額定容量汽動(dòng)給水泵，每臺(tái)汽動(dòng)給水泵有1臺(tái)定速電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)的前置泵；1臺(tái)30%額定容量液力偶合器調(diào)速的電動(dòng)給水泵，作為啟動(dòng)和備用。系統(tǒng)設(shè)有單列、臥式、100%額定容量三級(jí)高壓加熱器，高壓加熱器側(cè)設(shè)大旁路，裝設(shè)1個(gè)快速電動(dòng)旁路閥。

在機(jī)組試運(yùn)行階段，發(fā)現(xiàn)4臺(tái)機(jī)組的高壓給水管道均存在間歇性管道振動(dòng)。投產(chǎn)后在負(fù)荷調(diào)整過(guò)程中，鍋爐側(cè)高壓給水管道振幅較大，振動(dòng)明顯加劇，嚴(yán)重影響機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1 管道振動(dòng)情況

高壓給水管道規(guī)格為Φ453 mm×51.5 mm，材質(zhì)為A106B，設(shè)計(jì)溫度為281.6℃，設(shè)計(jì)壓力為23.5 MPa。管道及支吊架布置如圖1所示。

圖1 高壓給水管道及支吊架布置

1號(hào)機(jī)組在變負(fù)荷過(guò)程中，標(biāo)高35.6 m水平段，圖1中31號(hào)吊架到39號(hào)吊架所在水平管道橫向和軸向存在劇烈振動(dòng)；標(biāo)高22 m水平段，28號(hào)和29號(hào)吊架所在水平管道存在劇烈振動(dòng)；兩段標(biāo)高間立管，30號(hào)吊架所在立管管道存在劇烈振動(dòng)。

2 管道振動(dòng)測(cè)試和狀態(tài)評(píng)價(jià)準(zhǔn)則

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘查的情況，振動(dòng)測(cè)量位置選在目視觀測(cè)振動(dòng)幅度最大部位附近的支吊架管夾和閥門部位。支吊架管夾與管道是剛性連接，管夾的振動(dòng)就反映了管道該部位的振動(dòng)狀況。

從26A號(hào)彈簧吊架開(kāi)始至省煤器入口這段管道振動(dòng)明顯，尤其是31—36號(hào)支吊架之間的管道振動(dòng)幅度最大。因此選擇31，33，36號(hào)3個(gè)支吊架的管夾位置布置傳感器，實(shí)施三向同步測(cè)量，36號(hào)位置傳感器現(xiàn)場(chǎng)布置如圖2所示[1]。

圖2 36號(hào)位置傳感器現(xiàn)場(chǎng)布置

機(jī)組負(fù)荷降到450 MW左右，保持一段時(shí)間，在11∶50開(kāi)始上升，高壓給水壓力隨之慢慢增大，給水流量也在不斷增加，當(dāng)12∶00時(shí)機(jī)組負(fù)荷達(dá)到483 MW，流量達(dá)到1366 t/h，給水壓力17 MPa，管道振動(dòng)開(kāi)始逐漸增大。當(dāng)機(jī)組負(fù)荷升高到515 MW，流量達(dá)到1600 t/h左右，給水壓力上升到17.5 MPa時(shí)，高壓給水管道振動(dòng)最為劇烈。從圖3機(jī)組運(yùn)行趨勢(shì)上看，此時(shí)高壓給水流量變化也是最大的。當(dāng)機(jī)組負(fù)荷上升到550 MW以后，流量變化漸漸趨緩，管道振動(dòng)幅度有所減小。振動(dòng)測(cè)試的數(shù)據(jù)如表1和表2所示。

表1 高壓給水管道振動(dòng)位移

圖3 機(jī)組運(yùn)行趨勢(shì)

表2 管道振動(dòng)頻率

測(cè)試結(jié)果表明，高壓給水管道各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)幅值隨負(fù)荷變化明顯。文獻(xiàn)[1]提出了一個(gè)根據(jù)管道振動(dòng)位移判別振動(dòng)危害程度的方法，圖4給出了管道振動(dòng)幅值安全判定范圍。

圖4中，曲線1表示管道振動(dòng)屬于微小范圍之內(nèi)；曲線2為設(shè)計(jì)管道振動(dòng)允許范圍；曲線3為管道振動(dòng)超標(biāo)臨界范圍；當(dāng)管道振動(dòng)雙幅值超過(guò)曲線4后，管道應(yīng)該進(jìn)行抗振改造；當(dāng)管道振動(dòng)雙幅值超過(guò)曲線5后，管道處于危險(xiǎn)狀態(tài)。

根據(jù)圖4及管道振動(dòng)測(cè)試結(jié)果可得，高壓給水管道Y向最大振動(dòng)位移雙幅值為7.57 mm，測(cè)點(diǎn)為36號(hào)；X向最大振動(dòng)位移雙幅值為5.17 mm，測(cè)點(diǎn)為36號(hào)；Z向最大振動(dòng)位移雙幅值為0.57 mm（安全范圍內(nèi)）。按管道振動(dòng)最小頻率1.25 Hz考慮，需要對(duì)管道進(jìn)行振動(dòng)治理整改。

圖4 管道（雙）振幅的許用值和危險(xiǎn)值

3 模態(tài)分析

模態(tài)是多自由度線性系統(tǒng)的一種固有屬性。模態(tài)分析的目的就是為了計(jì)算管系的固有頻率和振型，確定其動(dòng)力學(xué)特性[2]。用CaesarⅡ軟件對(duì)高壓給水管道進(jìn)行模態(tài)計(jì)算，得出管道按照某一階固有頻率振動(dòng)時(shí)，管道系統(tǒng)各部分的振動(dòng)趨勢(shì)。

由于高壓給水管道主要振動(dòng)的部分為三通閥后管道，建模時(shí)采取了簡(jiǎn)化處理，僅將高壓給水三通閥后管道作為建模分析對(duì)象進(jìn)行模態(tài)分析。

表3為高壓給水管道前5階固有頻率，從表中可以看出管道固有頻率較低，在低頻激振條件下，管道很容易產(chǎn)生低頻共振。

表3 高壓給水管道前5階固有頻率

4 振動(dòng)原因分析

根據(jù)振動(dòng)測(cè)試結(jié)果和模態(tài)分析可得，高壓給水管道振動(dòng)不是由于管道固有頻率較低而導(dǎo)致的共振引起的，從模態(tài)分析結(jié)果可以看出，高壓給水管道的固有頻率較低，前四階頻率都不超過(guò)1 Hz，而現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得的主振一階頻率達(dá)到1.25 Hz。結(jié)合運(yùn)行曲線可以看出，管道振動(dòng)是作用在管系上的激振力引起的受迫振動(dòng)，激振力是由內(nèi)部流體激擾引起的，一般在彎管和閥門等元件處產(chǎn)生。機(jī)組在變負(fù)荷過(guò)程中，管道內(nèi)流體流量和壓力隨著負(fù)荷的變化而變化。當(dāng)脈動(dòng)的流體流經(jīng)彎頭處時(shí)，激振力的幅度和方向都隨著時(shí)間而變化[3]。

三通閥后管道彎頭較多，且僅有1組限位支架，管道抗振性不高。另外，24號(hào)滑動(dòng)支架在熱態(tài)時(shí)完全失載，36號(hào)Y向限位拉撐桿根部連接的銷軸存在間隙，形同虛設(shè)，完全起不到限制管道位移，控制管道振動(dòng)的作用。24號(hào)和36號(hào)的失效導(dǎo)致管道穩(wěn)定性降低。

5 振動(dòng)治理方案及治理效果

在保證管道應(yīng)力合格的前提下，可通過(guò)支吊架的合理布置，增設(shè)限位裝置和阻尼以增加管道的抗振能力，避開(kāi)相對(duì)激振力的響應(yīng)，從而減小管道的振動(dòng)。針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)管道振動(dòng)情況，采取以下幾種處理措施：

（1）機(jī)組停機(jī)后，將管道稍稍頂起，在24號(hào)滑動(dòng)支架間隙處加墊聚四氟乙烯板；

（2）重新加工36號(hào)限位拉撐桿的銷軸，消除轉(zhuǎn)動(dòng)軸和軸套之間間隙；

（3）在南北布置的水平管段28號(hào)吊架南側(cè)、29號(hào)吊架北側(cè)、立管30號(hào)剛性吊架下部、南北布置的水平管段35號(hào)彈簧吊架南側(cè)、東西布置的水平管段33號(hào)吊架東側(cè)、39號(hào)恒力吊架北側(cè)共6個(gè)位置加裝徑向液壓阻尼器；

（4）在東西布置的水平管段31號(hào)與32號(hào)彈簧吊架之間，加徑向限位拉撐桿。

新增阻尼器與限位拉撐桿對(duì)應(yīng)的位置序號(hào)見(jiàn)表4，現(xiàn)場(chǎng)施工布置見(jiàn)圖5。

按照施工方案安裝阻尼器和限位拉撐桿后，熱態(tài)最大應(yīng)力基本沒(méi)有變化。液壓阻尼器借助特殊設(shè)計(jì)的阻尼閥，對(duì)管道或設(shè)備的位移、速度做出靈敏的反應(yīng)，在管道或設(shè)備發(fā)生振動(dòng)時(shí)，阻尼器可以將直接作用在管道上的沖擊力轉(zhuǎn)移到建筑結(jié)構(gòu)上去；在管道或設(shè)備正常工況下，液壓阻尼器允許管道或設(shè)備自由位移，不會(huì)給管道或設(shè)備帶來(lái)附加的應(yīng)力。

表4 新增阻尼器及限位拉撐桿

圖5 高壓給水管道新增阻尼器及限位拉撐桿布置示意

為了對(duì)實(shí)施減振方案前后高壓給水管道的振動(dòng)情況進(jìn)行對(duì)比，在減振治理后對(duì)管道進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試，機(jī)組負(fù)荷從420 MW提升到580 MW，再降至450 MW。根據(jù)測(cè)試結(jié)果可得，高壓給水管道僅存在微小的振動(dòng)，最大振幅不超過(guò)0.5 mm。機(jī)組正常運(yùn)行過(guò)程中，高壓給水管道振動(dòng)符合要求。減振方案實(shí)施成功，效果明顯，達(dá)到了預(yù)期目的。

6 結(jié)論

（1）結(jié)合振動(dòng)測(cè)試和模態(tài)分析可得，高壓給水管道振動(dòng)不是由于管道本身固有頻率較低而引發(fā)的共振。

（2）高壓給水管道振動(dòng)是由于機(jī)組變負(fù)荷過(guò)程中高壓給水的流量和壓力脈動(dòng)，在彎頭處激發(fā)的激振力引起的。流速越大、流量的變化越快，管道的振動(dòng)就越劇烈。反之，若流速較慢、流量的變化越慢，管道的振動(dòng)就小。

（3）三通閥后管道均采用懸吊方式支吊，整個(gè)管道柔度較大，抗振性不高，僅有的1組限位拉撐桿失效加劇了管道振動(dòng)。

（4）在激振力無(wú)法消除的情況下，可以通過(guò)增加管系的剛度，增大管道的阻尼來(lái)增加管道的穩(wěn)定性。新增限位拉撐桿增加了管道剛度，新增阻尼器增大了管道的阻尼，從而有效地控制了管道振動(dòng)。

[1] DAVID E OLSON.Pipe Vibration Testing and Analysis[S]//Companion Guide to the ASME Boiler and Pressure Vessel Code.

[2] 唐璐，李英.1000 MW超超臨界機(jī)組凝結(jié)水再循環(huán)管道振動(dòng)原因分析及治理[J].電力科學(xué)與工程，2011，27（2）∶72-74.

[3] 張廣成.電站高溫高壓蒸汽大管道振動(dòng)治理[J].振動(dòng)工程學(xué)報(bào)，2004（17）∶1131-1133.