大口徑管道振動(dòng)治理優(yōu)化研究及工程應(yīng)用

薛新紅，史成宇，梁 超，焦 強(qiáng)

（華能太原東山燃機(jī)熱電有限責(zé)任公司，山西太原 030043）

1 研究背景

目前全國電網(wǎng)負(fù)荷增量減緩，火力發(fā)電設(shè)備利用小時(shí)大為減少。各火力發(fā)電企業(yè)為了提升企業(yè)的競爭力，進(jìn)行了機(jī)組靈活性調(diào)峰、汽輪機(jī)節(jié)能、熱電聯(lián)產(chǎn)等技術(shù)改造，及機(jī)組運(yùn)行調(diào)整優(yōu)化。由于電廠設(shè)備結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)復(fù)雜、龐大，任何一個(gè)設(shè)備或參數(shù)的變化，如設(shè)備改型、機(jī)組負(fù)荷調(diào)整幅度、主汽參數(shù)、疏水溫度、抽汽壓力和溫度等等，都可能引起設(shè)備或管道的振動(dòng)。這些復(fù)雜的變化引起管道振動(dòng)將對(duì)管道及設(shè)備系統(tǒng)的安全和壽命造成不可預(yù)估的后果，所以消除或減輕管道振動(dòng)不僅是生產(chǎn)安全的一個(gè)要求，還是一個(gè)很有經(jīng)濟(jì)效益的課題。本文通過工程實(shí)踐應(yīng)用，針對(duì)“二拖一”多軸燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)熱電聯(lián)產(chǎn)發(fā)電機(jī)組的汽輪機(jī)中低壓連通管道出現(xiàn)的振動(dòng)，給出了管道振動(dòng)治理優(yōu)化成果，為管道振動(dòng)治理提供了借鑒參考。

2 設(shè)備概況

某燃機(jī)熱電公司的機(jī)組為一套M701F4“二拖一”多軸燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)熱電聯(lián)產(chǎn)發(fā)電機(jī)組，在供熱高峰期以熱定電供熱運(yùn)行，用電高峰期按調(diào)峰運(yùn)行。汽輪機(jī)為三壓、雙缸（高中壓合缸）、再熱、直接空冷機(jī)組；高中壓模塊和低壓模塊采用SSS 離合器聯(lián)接，可通過SSS 離合器嚙合或脫開，實(shí)現(xiàn)供熱工況下蒸汽輪機(jī)抽凝或背壓運(yùn)行，非供熱工況純凝運(yùn)行。該公司汽輪機(jī)組在抽凝或背壓的運(yùn)行工況下，中低壓連通管道（Φ1420×18 mm）出現(xiàn)明顯的振動(dòng)，使用手持式VM-63a 測量，振速達(dá)（21.3～46）mm/s，已直接影響到管道和機(jī)組的安全性，故需亟待解決管道振動(dòng)問題。

3 管道振動(dòng)成因分析

發(fā)電廠機(jī)組的管道振動(dòng)產(chǎn)生原因可能是設(shè)計(jì)、安裝、操作及運(yùn)行工況等方面存在缺陷或出現(xiàn)變化，主要表現(xiàn)如下。

（1）管道內(nèi)的液體或汽體的壓力脈動(dòng)，管內(nèi)流體處于脈動(dòng)狀態(tài)會(huì)產(chǎn)生激振力，在這種激振力作用下引起管道和附屬設(shè)備振動(dòng)。

（2）由控制閥門引起的振動(dòng)。

（3）液體或汽體的高流速引發(fā)的紊流、激流而產(chǎn)生的振動(dòng)。

（4）泵或壓縮機(jī)引起的，或管道所連接設(shè)備，或相連接管系所傳遞的機(jī)械振動(dòng)。

（5）管道系統(tǒng)中出現(xiàn)壓降導(dǎo)致氣穴發(fā)生而引起管道振動(dòng)。

（6）管道系統(tǒng)的組件結(jié)構(gòu)、荷載支撐類型和管道走向位置等也會(huì)有一系列的固有頻率，當(dāng)激發(fā)頻率與某階固有頻率相等或相近時(shí)，便發(fā)生管道的共振。

3.1 現(xiàn)場數(shù)據(jù)分析

（1）機(jī)組負(fù)荷和抽汽流量不同階段時(shí)中低壓連通管道振動(dòng)數(shù)據(jù)記錄（表1）。

（2）中低壓連通管道和熱網(wǎng)抽汽管道支撐工作荷載和熱態(tài)位移記錄（表2）。

（3）管道運(yùn)行參數(shù)與設(shè)計(jì)參數(shù)統(tǒng)計(jì)（表3）。根據(jù)單相流體管道計(jì)算公式其中，Di為管道內(nèi)徑，mm；G 為介質(zhì)質(zhì)量流量，t/h；V 為介質(zhì)比容，m3/kg；ω為介質(zhì)流速，m/s。

根據(jù)上述公式核算，在設(shè)計(jì)工況下中低壓管道蒸汽流速為46 m/s，完全符合GB 50764—2012 電廠動(dòng)力管道設(shè)計(jì)規(guī)范推薦（35～60）m/s 的要求。將實(shí)際運(yùn)行參數(shù)代入公式計(jì)算蒸汽流速為（98～114）m/s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出設(shè)計(jì)規(guī)范的要求。

（4）中低壓連通管道相連接設(shè)備即汽輪機(jī)振動(dòng)測量，最大值為46 μm，達(dá)到規(guī)范要求的優(yōu)秀值。

3.2 對(duì)該項(xiàng)目的設(shè)備、管道支撐、運(yùn)行工況、設(shè)計(jì)參數(shù)等數(shù)據(jù)分析對(duì)比，確定蒸汽高流速而引發(fā)的管道振動(dòng)是該項(xiàng)目中低壓連通管道（Φ1420×18 mm）振動(dòng)的主要原因。

表1 機(jī)組負(fù)荷和抽汽流量不同階段時(shí)中低壓連通管道振動(dòng)數(shù)據(jù)記錄

表2 中低壓連通管道和熱網(wǎng)抽汽管道支撐工作荷載和熱態(tài)位移記錄

表3 管道運(yùn)行參數(shù)與設(shè)計(jì)參數(shù)統(tǒng)計(jì)

4 技術(shù)難點(diǎn)

（1）本項(xiàng)目汽輪機(jī)可以純凝、抽凝或背壓工況下切換運(yùn)行方式，且中低壓連通管道和供熱抽汽管道相互連通屬同一管系，造成管道系統(tǒng)特性復(fù)雜，管道振動(dòng)產(chǎn)生的原因分析和治理難度疊加。

（2）該工程汽輪機(jī)中低壓連通管道和供熱抽氣管道直徑為1420 mm，廠房內(nèi)空間條件及管道安裝位置等因素直接影響管道振動(dòng)治理的技術(shù)要求。

5 大口徑管道振動(dòng)治理在工程上的應(yīng)用

（1）經(jīng)過詳細(xì)的管道動(dòng)態(tài)分析、管系支吊架檢驗(yàn)、運(yùn)行工況數(shù)據(jù)對(duì)比，同時(shí)鑒于中低壓連通管道和供熱抽汽管道相互連通屬同一管系，故在制定技術(shù)方案時(shí)統(tǒng)一考慮2 根管道在12.6 m層和6.3 m 層布置，同時(shí)實(shí)施調(diào)整、治理工作。

（2）綜合考慮管道振動(dòng)頻率、振幅、振動(dòng)方向、管道運(yùn)行參數(shù)及現(xiàn)場的空間條件等因素，確定使用減振裝置消除管道振動(dòng)?？刹捎玫臏p振裝置主要是彈簧減振器（滑動(dòng)或固定支架）、液壓阻尼器和黏滯阻尼器，對(duì)該3 種減振器對(duì)比分析如下。

①本工程的中低壓連通管道原設(shè)計(jì)安裝有6 臺(tái)彈簧減振器（滑動(dòng)或固定支架），其對(duì)消除管道系統(tǒng)振動(dòng)效果不明顯，故不使用該型減振器。

②本工程使用常規(guī)抗振動(dòng)液壓阻尼器會(huì)遇到以下問題：管道為多方向振動(dòng)形式，如果控制多向振動(dòng)，必須在管道控振點(diǎn)的Z 向（垂直方向）安裝2 臺(tái)液壓阻尼器、在X 向、Y 向（水平方向）各安裝1 臺(tái)液壓阻尼器，相對(duì)經(jīng)濟(jì)成本要高；中低壓連通管道管徑達(dá)Φ1420 mm，現(xiàn)場安裝空間有限，對(duì)設(shè)計(jì)及施工帶來很多不便；液壓阻尼器在額定載荷下閉鎖速度（12～125）mm/min，管道或設(shè)備的熱脹冷縮的緩慢移動(dòng)幾乎沒有阻尼，而且對(duì)低幅、高頻振動(dòng)也不起作用。

③黏滯阻尼器是三維全方位的減振裝置，體積小，設(shè)計(jì)和施工也很方便，正好彌補(bǔ)了常規(guī)抗振液壓阻尼器的不足。

（3）本工程根據(jù)現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)、運(yùn)行參數(shù)、管道的空間位置等條件，并核算原管系應(yīng)力、荷載及熱位移等數(shù)據(jù)，最終確定管道振動(dòng)治理采用加裝黏滯阻尼器的技術(shù)方案。

6 結(jié)論

汽輪機(jī)中低壓連通管道出現(xiàn)振動(dòng)的異常情況，依據(jù)理論上的研究分析，通過該管系上加裝黏性阻尼器來控制治理管道振動(dòng)。項(xiàng)目實(shí)施后，在機(jī)組負(fù)荷和流量不同階段時(shí)各個(gè)測點(diǎn)測量管道振動(dòng)峰值為（3.5～9.8）mm/s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于行業(yè)規(guī)范要求的“碳鋼及低合金管道最大峰值振動(dòng)速度≤12.4 mm/s”標(biāo)準(zhǔn)，管道振動(dòng)得到有效控制，按照相關(guān)規(guī)范針對(duì)該管道系統(tǒng)振動(dòng)等級(jí)評(píng)估結(jié)果為優(yōu)秀。