火電廠汽水管道振動治理

張書浩

（潤電能源科學(xué)技術(shù)有限公司，河南鄭州 450052）

0 引言

火電廠汽水管道系統(tǒng)是熱力系統(tǒng)各個設(shè)備之間的聯(lián)絡(luò)管路，承擔(dān)著重要的汽水循環(huán)任務(wù)。而隨著機(jī)組參數(shù)的提高，汽水管道在瞬態(tài)激勵和穩(wěn)態(tài)激勵作用下更易產(chǎn)生振動。管道振動產(chǎn)生的諸多問題，如焊縫開裂、管道變形、支吊架損壞、疲勞失效等就成為影響發(fā)電機(jī)組長周期運行的安全隱患。

1 振動機(jī)理

振動實質(zhì)上是系統(tǒng)在激勵后產(chǎn)生的響應(yīng)。激勵（輸入）、系統(tǒng)特性、響應(yīng)（輸出）三者間的關(guān)系如圖1 所示。

圖1 激勵、響應(yīng)和系統(tǒng)特性關(guān)系

振動系統(tǒng)往往是具有連續(xù)分布參量（如質(zhì)量、彈性、阻尼）的連續(xù)系統(tǒng)。但在實際應(yīng)用中，為便于理論分析，通常將連續(xù)系統(tǒng)簡化為具有集中參量的離散系統(tǒng)。對于多自由度離散系統(tǒng)，其運動微分方程如公式（1）所示：

式中

M——質(zhì)量矩陣

C——阻尼矩陣

K——剛度矩陣

F——激勵

X——節(jié)點位移

該微分方程給出了振動系統(tǒng)質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣、剛度矩陣之間的基本關(guān)系。

2 汽水管道振動分析

火電廠汽水管道及其相連的設(shè)備與支吊架構(gòu)成了一個復(fù)雜的力學(xué)系統(tǒng)，在激勵作用下所產(chǎn)生的振動也極為復(fù)雜。特別是當(dāng)管系固有頻率與激勵耦合較好時，更容易發(fā)生共振，引起管道的大幅劇烈振動。

引起管道振動的激勵可分為系統(tǒng)外和系統(tǒng)自身兩大類。來自系統(tǒng)外的激勵主要有風(fēng)載荷、地震等因素；來自系統(tǒng)自身的激勵主要有機(jī)械激勵和流體激勵兩大類。后者是火電廠汽水管道振動的主要原因，所導(dǎo)致的機(jī)械振動與流致振動也是管道振動分析時需要重點關(guān)注的對象。

2.1 機(jī)械振動

當(dāng)與汽水管道相連的動設(shè)備，如泵和壓縮機(jī)等平衡力過大時，自身產(chǎn)生的動態(tài)力會直接傳遞到管道上形成激勵，特別是當(dāng)設(shè)備動力平衡性差、基礎(chǔ)設(shè)計不合理、機(jī)械振動產(chǎn)生的激勵頻率在管系固有頻率±20%之間時，會引起管道較為明顯的振動。

2.2 流致振動

流致振動為浸沒于流體之中或包容流體的結(jié)構(gòu)表面被流體流動產(chǎn)生的交替變化的激勵所誘發(fā)的結(jié)構(gòu)振動。按激振機(jī)理可以分為如下4 類。

2.2.1 湍流

湍流作為一種非穩(wěn)定的不規(guī)則流動現(xiàn)象，在火電廠汽水管道中廣泛存在，如三通接管、彎頭、異徑管位置處都會產(chǎn)生劇烈變化的湍流。而湍流區(qū)域由于壓差的存在也會產(chǎn)生寬頻分布的激勵，嚴(yán)重時會導(dǎo)致管系和支吊架的低頻振動。

2.2.2 壓力脈動

火電廠汽水管道內(nèi)的壓力并不是一成不變的，而是在某一壓力值周圍呈現(xiàn)出上下的波動，這種形似脈搏的壓力波動稱之為壓力脈動。壓力脈動形成的壓差脈動力作用在管系內(nèi)的彎頭、閥門、異徑管等元器件時會產(chǎn)生激勵，當(dāng)管系固有頻率與激勵的頻率一致時，就會產(chǎn)生共振，造成管道的強(qiáng)烈振動。

汽水管道內(nèi)壓力脈動的形成原因較為復(fù)雜，主要包括往復(fù)式或離心式泵及壓縮機(jī)由于加壓不連續(xù)或運行不穩(wěn)定造成的壓力脈動；管系結(jié)構(gòu)如盲端、管道內(nèi)伸物引起的管內(nèi)介質(zhì)壓力脈動，如內(nèi)伸物造成的卡門渦街以及盲端接管口造成的周期性旋渦。壓力脈動的頻率與管內(nèi)介質(zhì)流量有著較大關(guān)系，通常隨著流速的增加，壓力脈動也會隨之增大。

2.2.3 水錘

水錘又稱水擊，由于管道內(nèi)流體的流動狀態(tài)突然改變而產(chǎn)生。主要發(fā)生在管系閥門快速打開和關(guān)閉過程中，如閥門突然關(guān)閉時，產(chǎn)生的壓力波在液體中以聲速向遠(yuǎn)離閥門的方向傳播，在管道上產(chǎn)生較大的瞬態(tài)壓力。

水錘發(fā)生時通常伴有周期性變化的壓力驟增，這使得水錘極易導(dǎo)致管道及其支吊架和管道連接設(shè)備損壞，對電廠的安全、穩(wěn)定運行有極大的破壞。

2.2.4 汽液相變

根據(jù)伯努利方程，管道內(nèi)流速的增加會引起壓力的下降。這就導(dǎo)致流體在輸送過程中往往會存在壓力的變化，特別在閥門等節(jié)流元件處，流體速度大幅提高，壓力急劇下降。當(dāng)壓力高于或低于汽化壓力時，就會產(chǎn)生空化或閃蒸，前者通過節(jié)流元件后會出現(xiàn)氣泡的潰滅，后者通過節(jié)流元件后會出現(xiàn)液體汽化現(xiàn)象。此時也會產(chǎn)生相應(yīng)的激勵，嚴(yán)重時會破壞部件、引發(fā)振動并產(chǎn)生噪聲。

3 汽水管道振動治理

火電廠管道振動原因，多為火電廠汽水管道柔性過大，激振力與管系低階固有頻率重疊所導(dǎo)致。

對于火電廠汽水管道及其相連的設(shè)備與支吊架構(gòu)成的多自由度離散系統(tǒng)，通過汽水管道振動分析和管系運動微分方程可以得到如下3 種控制管道振動的方法。

3.1 提高管系剛度

提高管系剛度在減小管道振幅的同時，也可以提高管系的固有頻率，避免低頻共振的產(chǎn)生。常用的提高管系剛度的方法有：增加限位裝置、剛性支架等。

3.2 增加管系阻尼

在振動位置增加阻尼是另外一種提高管道固有頻率的方法。常用的增加管系阻尼的方法有增加阻尼器、減振器等。其中阻尼器對沖擊性振動的控制效果較佳；減振器主要用于控制持續(xù)性擾動且熱位移不大的管系振動。

3.3 減小管系激勵

激勵的產(chǎn)生多種多樣，根據(jù)激勵產(chǎn)生的原因，消除激振力的方法可以分為結(jié)構(gòu)優(yōu)化、操作優(yōu)化兩種。結(jié)構(gòu)優(yōu)化：如采用柔性接頭連接管道與機(jī)械設(shè)備，從而隔離設(shè)備的機(jī)械振動，減少泵及壓縮機(jī)振動對管道的影響；減少彎頭、大小頭數(shù)量以及增大轉(zhuǎn)彎角度可以有效的削減流致振動、壓力脈動等因素產(chǎn)生的激勵。操作優(yōu)化：如降低管道內(nèi)流體的流速及閥門開閉速度，抑制水錘的產(chǎn)生。

4 結(jié)語

管道振動會使管道及其附件產(chǎn)生疲勞破壞和微振磨損，影響機(jī)組的長周期安全穩(wěn)定運行。管道振動原因往往比較復(fù)雜，對于管道振動治理，首先應(yīng)通過儀器測定、模態(tài)分析等方法明確管道振動主因，而后根據(jù)振動主因選擇相應(yīng)的振動治理方法，進(jìn)而從根本上解決汽水管道振動問題，保證機(jī)組生產(chǎn)的安全性和經(jīng)濟(jì)性。