張法科

（晉控電力同華發(fā)電有限公司，山西忻州 034114）

0 引言

火電廠凝結水管道、給水管道、蒸汽管道等汽水管道是連接主輔設備的重要承壓部件，對機組的安全穩(wěn)定運行至關重要。在運行過程中，如果汽水管道發(fā)生異常振動，將可能導致管道和設備的連接部位疲勞損傷，嚴重時造成斷裂泄漏，嚴重威脅機組的安全運行和人員的生命安全。某2×660 MW 直接空冷機組空冷島凝結水回水管道系統(tǒng)，周期性大幅度振動，對機組穩(wěn)定運行產(chǎn)生了很大的安全隱患。本文通過數(shù)學建模計算分析，與現(xiàn)場實地勘察情況相結合，給出了消除管道系統(tǒng)振動的治理方案，為同類型機組汽水管道消除振動故障提供參考。

1 設備概況

某2×660 MW 直接空冷燃煤機組，汽輪機為哈爾濱汽輪機有限公司生產(chǎn)的超臨界、一次中間再熱、兩缸兩排汽、直接空冷凝汽式汽輪機，型號為CLNZK660/24.2/566/566。每臺機組的直接空冷散熱單元按照7 排×7 列的方式布置，汽輪機排汽設置1根主排汽管道，通過分支管道將蒸汽送入空冷散熱凝汽器，冷凝后的凝結水靠重力自流輸送至汽輪機的排汽裝置。汽機側設凝結水收集母管，第1、2、6、7排裝設蝶閥的空冷凝汽器設有各自單獨的凝結水管道，這些凝結水管道在接入母管前通過水封相互隔離，第3、4、5 排空冷凝汽器的凝結水管道將在空冷平臺范圍內(nèi)先合并成1 根匯集總管然后接入母管，所有凝結水管道上均不設閥門。

空冷凝結水系統(tǒng)的布置方式為每臺機組由4 根d273 mm 和1 根d530 mm 的回水管道從空冷島引至布置在汽機房運行層13.7 m 標高的回水聯(lián)箱，該聯(lián)箱由直徑d820 mm 的筒體組成起到水封作用。再通過2 根d529 mm 管道將聯(lián)箱與排汽裝置相連，使空冷島上的凝結水順利排至排汽裝置底部的凝結水箱。凝結水管道系統(tǒng)結構如圖1 所示。

圖1 空冷凝結水回水管道系統(tǒng)圖（mm）

2 空冷凝結水回水管道振動現(xiàn)象及原因分析

機組正常運行期間，位于汽機房內(nèi)的回水聯(lián)箱至排汽裝置的2 根DN500 mm 空冷凝結水回水管道存在明顯的周期性振動，特別是從9.4 m 標高至4.6 m 標高之間的管道振動最為明顯，肉眼可觀察到管道的最大振動幅值約20 mm，且振動幅值隨著機組負荷的增加而加劇，管道的持續(xù)性振動對機組的穩(wěn)定運行造成極大的安全隱患。

根據(jù)管道振動理論分析，管道、支吊架以及管路上的各種設備構成一個復雜的機械結構系統(tǒng)，汽水管道內(nèi)部介質(zhì)流動通過轉(zhuǎn)彎或截面變形處壓力脈動產(chǎn)生的不平衡激振力造成管道系統(tǒng)的機械振動現(xiàn)象[1]。管道系統(tǒng)的固有頻率低、輸送介質(zhì)的壓力脈動、兩相介質(zhì)紊流、流動過程中相變等多種因素均會引發(fā)汽水管道的穩(wěn)態(tài)振動和瞬態(tài)振動[2]。

經(jīng)分析，位于汽機房內(nèi)的2 根DN500 mm 的空冷凝結水回水管道，從最高標高16 m 至最低標高1.1 m 的總落差14.9 m 的范圍內(nèi)，每根管道在標高13.70 m 平臺處設置滑動支架1 個，然后經(jīng)過多處變彎逐步下降的過程中設置單拉桿剛性吊架6 個。整個管道系統(tǒng)采用多吊架的柔性設計，雖能保證管道具有良好的熱脹補償性能，但造成整個管道系統(tǒng)的一階固有頻率較低，抗振性能下降。另外，空冷凝結水的回水流量具有不穩(wěn)定的特點，并隨著機組負荷的增減而顯著變化，管道下降過程中經(jīng)過多處變彎，進而引發(fā)整個管道系統(tǒng)的周期性振動。

3 建模計算分析及改造方案

管道振動處理的目的是對管道系統(tǒng)施加較合適的約束以調(diào)整其機械機構的固有頻率，使之不與激振力頻率重合。通常的做法是將管道系統(tǒng)的結構固有頻率改變遠離激發(fā)主頻率若干倍以上，以控制管道振幅和動應力在合理范圍內(nèi)。

根據(jù)美國機械工程師學會壓力管道委員會制定的《ASME B31.1—2004 動力管道》規(guī)范對管道系統(tǒng)的應力進行校核，利用國際通用的CAESARⅡ管道應力分析軟件建模，對凝結水管道系統(tǒng)進行整體受力分析、詳細計算，驗證管道系統(tǒng)在地震、溫度、壓力、真空等荷載作用下管道系統(tǒng)是否都能滿足剛度、強度、位移以及接口允許推力、推力矩要求。計算基本參數(shù)如下：管道規(guī)格d529×10 mm；管道材質(zhì)為無縫鋼管（20 號）；支吊架材質(zhì)為Q235A；設計壓力為全真空/0.05 MPa；設計溫度為100 ℃；地震荷載為水平地震加速度0.20g，反映頻譜特征周期。

采用CAESARⅡ軟件，分別分析了以下3 種模型的情況：模型1——原管道系統(tǒng)；模型2——將2 根DN500 mm 凝結水管道13.7 m 處的立管滑動支架改為固定支架；模型3——在汽機房6.9 m 平臺處的凝結水立管上增加固定支架。

基于以上3 種方案模型對整個管道系統(tǒng)的應力校核計算結果表明：管道系統(tǒng)最大一次應力和二次最大應力、接口推力和推力矩等，均能滿足管道安全運行的要求，管道系統(tǒng)靜態(tài)應力合格。管道系統(tǒng)動態(tài)計算結果如表1 所示。

表1 管道系統(tǒng)動態(tài)計算結果

分析表1 動態(tài)計算結果可知：從頻率看，模型3的一階頻率最小，模型2 在二階和三階頻率最小。頻率的大小表征振動內(nèi)部自激振源產(chǎn)生速度的大小，頻率越小，則顯示內(nèi)部自激產(chǎn)生速度越小，對管道系統(tǒng)穩(wěn)定越有利。從3 個方案計算分析結果看，模型3頻率有低于另外2 個模型的趨勢。

依據(jù)《火力發(fā)電廠汽水管道設計規(guī)范》DL/T 5054—2016 的要求，管道的一階固有頻率應大于3.5 Hz，即單跨管道按簡支梁計算，其最大撓度值不應大于2.62 mm。模型3 分析計算結果一階頻率為3.64 Hz，大于設計規(guī)范規(guī)定的3.5 Hz 要求，即滿足設計規(guī)范要求。

從振幅和周期看，振幅反映的是振動的幅度大小，周期反映的是一次振動所經(jīng)歷的時間長短。由此可知，振幅越小，周期就越小，對管道系統(tǒng)就越有利。模型3 的方案振幅和周期均最小，對管道的穩(wěn)定性最有利。

根據(jù)建模計算結果，從受力的角度分析，模型3的改造方案對消除管道振動最為有利。進一步對模型3 新增的固定支點受力計算，計算結果如表2 所示，結合現(xiàn)場土建勘察結果，汽機房6.9 m 平臺土建結構完全可以滿足新增固定支架的受力要求，即《火力發(fā)電廠汽水管道振動控制導則》DL/T 292—2011所規(guī)定的要求。

表2 模型3 方案新增的固定支點載荷計算結果

4 管道系統(tǒng)振動治理及效果

按照建模計算分析結果，對凝結水回水管道進行振動治理。具體方法如下：在汽機房6.9 m 平臺的空冷凝結水回水管道上新增設固定支座，每臺機組增設2 套DN500 mm 的耳式支座。耳式支座的管部生根在DN500 mm 的凝結水回水管道上，支座根部生根在汽機房的6.9 m 底板上，在汽機房6.9 m 平臺埋設地腳螺栓及增設支撐鋼板。經(jīng)過改造施工后，整個管道系統(tǒng)振動顯著降低，已無肉眼可觀察到的振幅，且在不同的機組負荷和變工況下振幅已無明顯變化，機組運行的可靠性和安全性得到大幅提升[3-4]。

5 結束語

通過CAERSRⅡ管道應力分析軟件的靜態(tài)和動態(tài)計算結果，結合現(xiàn)場實地勘察情況，綜合分析得出空冷凝結水回水管道周期性振動的原因為整個管道系統(tǒng)的一階固有頻率較低，柔性過大，抗振性能較差，在管道內(nèi)介質(zhì)紊流的激振作用下最終引發(fā)管道系統(tǒng)周期性振動。根據(jù)分析結果，采取在6.9 m 平臺豎直管段上新增固定支點的消振措施，此措施改變了管道系統(tǒng)受力約束，徹底解決了凝結水回水管道的振動問題。