某電廠高壓加熱器至除氧器疏水管道振動原因分析及治理

馬培君

（國能（肇慶）熱電有限公司，廣東 肇慶 526238）

高壓加熱器作為一種熱量轉(zhuǎn)換裝置，是電廠給水加熱系統(tǒng)中不可或缺的重要組成部分，其性能的優(yōu)劣將直接影響機(jī)組運(yùn)行的安全性及經(jīng)濟(jì)性。疏水管道振動對高壓加熱器的傳熱性能會產(chǎn)生影響，因此為保障機(jī)組安全運(yùn)行及提高機(jī)組回?zé)嵝?，該文對高壓加熱器至除氧器疏水管道振動原因和治理進(jìn)行了研究[1]。

某電廠1號機(jī)組為東方汽輪機(jī)廠引進(jìn)日立技術(shù)生產(chǎn)制造的C350-24.2/1.35/566/566型號汽輪機(jī)，為超臨界、一次中間再熱、單軸、高中壓分缸、三缸雙排汽抽汽凝汽式汽輪機(jī)，額定功率為350MW。機(jī)組自投運(yùn)以來，一直都是正常運(yùn)行。然而近期運(yùn)行人員發(fā)現(xiàn)機(jī)組在運(yùn)行中，疏水管道出現(xiàn)劇烈振動現(xiàn)象，影響了高壓加熱器的性能，對機(jī)組運(yùn)行的安全性及經(jīng)濟(jì)性造成很大影響。為此，該文對電廠高壓加熱器至除氧器疏水管道振動原因及治理進(jìn)行分析。

1 疏水管道布置及振動狀態(tài)

某電廠將3臺臥式高壓加熱器布置于1號機(jī)組汽機(jī)房內(nèi)，高壓加熱器中放熱后的疏水方式采用逐級自流的形式，即由1號高加疏水借壓力差自流入2號高加，再由2號高加的疏水自流入3號高加，最后由3號高加的疏水流向除氧器。然而，在高壓加熱器運(yùn)行過程中疏水管道出現(xiàn)劇烈振動現(xiàn)象，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，振動位置主要出現(xiàn)在3號高加至除氧器的疏水管道上，疏水管道及支吊架布置如圖1所示。氣動閥前的疏水管道規(guī)格為Ф325mm×10mm，氣動閥后的疏水管道規(guī)格為377mm×13mm。為進(jìn)一步確定振動位置，對管道支吊架進(jìn)行冷態(tài)、熱態(tài)檢驗(yàn)，疏水管道設(shè)計(jì)的12號～17號6組支吊架中，只有16號支吊架位置管道振動狀態(tài)劇烈，其余支吊架狀態(tài)均屬正常。檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在疏水管道劇烈振動影響下，16號支吊架上的彈簧筒體上側(cè)已開裂，振動主要位置位于除氧器平臺至進(jìn)除氧器前的水平管段。為確定16號支吊架處管道的振動狀態(tài)，采用振動測量儀器對該處管道的振動速度及頻譜進(jìn)行了測量。根據(jù)測量結(jié)果顯示，該處Z方向最大振動速度峰值較大，已達(dá)到58.57mm/s，差不多是《火力發(fā)電廠汽水管道振動控制導(dǎo)則》（DL/T 292—2011）中要求峰值20.0mm/s的3倍[2]。

圖1 3號高加至除氧器疏水管道及支吊架布置圖

2 振動原因分析

引起疏水管道振動的原因是有很多種的，如機(jī)組運(yùn)行參數(shù)變化、固定支架松脫或限位裝置失效、管道及附件布置不合理、氣/液兩相流、閥門狀態(tài)異常以及疏水管道材質(zhì)問題等。為此，該文將引起疏水管道振動的主要原因概括如下。1）如果疏水管道的固定支架或限位裝置隨著機(jī)組運(yùn)行出現(xiàn)松脫、失效等現(xiàn)象，未能發(fā)揮固定支架或限位裝置的固定作用，就會降低疏水管道的剛度，因此管道在高壓加熱器運(yùn)行的載荷作用下發(fā)生振動。2）疏水管道的支吊架數(shù)量較少或彎頭較多，限位裝置和剛性管夾較少，導(dǎo)致管系剛度較低，隨著高壓加熱器的運(yùn)行，出現(xiàn)激振現(xiàn)象，進(jìn)而引發(fā)管道振動。3）在機(jī)組運(yùn)行過程中，1號高加疏水借壓力差自流入2號高加，再由2號高加的疏水自流入3號高加，最后由3號高加的疏水流向除氧器，因此疏水管道中存在一定的壓力差，對應(yīng)飽和蒸汽壓力疏水發(fā)生部分汽化，在高壓加熱器至除氧器疏水管道中形成氣、液兩相流，因此產(chǎn)生的脈動激擾就會引起管道發(fā)生振動[3]。4）高加內(nèi)部疏水管道因管材質(zhì)量問題或長時(shí)間處在氣、液兩相流動的沖蝕下出現(xiàn)裂紋，蒸汽就會隨著縫隙進(jìn)入管道內(nèi)，進(jìn)而引起管道振動。

根據(jù)上述疏水管道振動主要原因，對電廠3號高加至除氧器疏水管道振動的原因進(jìn)行逐一排查。

從電廠的疏水管道管系情況來看，采用的是限位支吊架，疏水管道并未布置固定支架或限位裝置，因此電廠不存在因無法發(fā)揮固定支架和限位裝置的固定作用而引起疏水管振動問題，排除原因（1）引起的管道振動。在機(jī)組大修期間，針對疏水管振動問題，對高加內(nèi)部疏水管道進(jìn)行全面檢查，并未發(fā)現(xiàn)管道裂紋問題，因此原因（4）引起的管道振動也可以排除。而原因（2）和原因（3）引起的管道振動無法通過上述方法進(jìn)行排除，需要通過管系應(yīng)力、模態(tài)具體分析。

3 疏水管道應(yīng)力和模態(tài)分析

疏水管道應(yīng)力和模態(tài)分析的主要目的在于了解管道應(yīng)力狀態(tài)及管系剛度。基于此先對疏水管道進(jìn)行應(yīng)力分析，借助CAESARⅡ軟件進(jìn)行分析。由分析結(jié)果可知，管系一次應(yīng)力均在level1和level2水平，管系二次應(yīng)力均在level1水平，管道系統(tǒng)應(yīng)力均小于許用應(yīng)力，均為合格，由此可見，現(xiàn)有支吊架布置均能滿足承載要求。對疏水管道進(jìn)行模態(tài)分析，模態(tài)頻率是按單一液相計(jì)算的，管系模態(tài)頻率如圖2所示。從圖2管系模態(tài)頻率中可知，管系一階的模態(tài)頻率較低，為1.16Hz，低于《火力發(fā)電廠汽水管道設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》（DL/T 5054—2016）中的要求[4]。同時(shí)，采用振動測量儀器測得的疏水管道振動頻率為2.59Hz，略高于管系三階模態(tài)頻率2.52Hz。查閱相關(guān)文獻(xiàn)可知，如果疏水管道中存在汽相，那么氣、液兩相流的管系模態(tài)頻率就會高于單一的液相管系模態(tài)頻率，因此該段管道的實(shí)際管系三階模態(tài)頻率應(yīng)高于2.52Hz，與測得的疏水管道振動頻率基本吻合，因此容易引起管道振動。

圖2 管系模態(tài)頻率

由上述疏水管道應(yīng)力、模態(tài)分析以及疏水管道振動頻率測量結(jié)果可以判斷出，電廠3號高加至除氧器疏水管道振動是由管系剛度低且管道中氣、液兩相流介質(zhì)產(chǎn)生脈動激擾與管系三階模態(tài)頻率耦合引起的。

4 疏水管道振動治理

在疏水管道振動治理過程中，可以根據(jù)上述應(yīng)力和模態(tài)分析確定管道振動的激擾條件及管系結(jié)構(gòu)，進(jìn)而對管系的振動特性和振動響應(yīng)進(jìn)行分析，確定最終振動驗(yàn)算結(jié)果是否符合要求。

管系的運(yùn)動微分方程如公式（1）所示。

式中：P（t）為管系激振力；[M]為管道質(zhì)量矩陣；{}為管系結(jié)構(gòu)質(zhì)量點(diǎn)加速度的n階列向量；[C]為阻尼矩陣；{}為管系結(jié)構(gòu)質(zhì)量點(diǎn)速度的n階列向量；{K}為剛度矩陣；{u}為管系結(jié)構(gòu)質(zhì)量點(diǎn)位移的n階列向量。

由公式（1）可知，電廠要想消除和控制疏水管道振動，只能從消減管系激擾力和改善管系結(jié)構(gòu)特性2個(gè)方面入手。管系的激擾力不可能根絕，只能采取相關(guān)措施盡量將振動響應(yīng)控制在允許范圍內(nèi)。因此在疏水管道治理過程中，需要通過改變管系結(jié)構(gòu)特性來消除和控制疏水管道振動。管系結(jié)構(gòu)特性與管道質(zhì)量矩陣[M]和剛度矩陣{K}相關(guān)，但是在不改變管道布置的情況下，管道質(zhì)量矩陣[M]是保持不變的。因此，為了改善管系的結(jié)構(gòu)特性，只能采取增加管道剛度或加裝阻尼器的方法。具體做法如下。

由上述論述可知，在疏水管道劇烈振動影響下，16號支吊架上的彈簧筒體上側(cè)出現(xiàn)開裂。因此，解決3號高加至除氧器疏水管道振動故障時(shí)，應(yīng)先更換16號彈簧支架，并在管道熱力位移較小點(diǎn)增加固定支架，即將13號支吊架由導(dǎo)向支架更換為固定支架，增加疏水管道剛度[5]。與此同時(shí)，在15號支吊架Y向加裝1組Z向液壓阻尼器（14a），并在16號支吊架的X反向加裝2組黏滯性阻尼器（依次為16a、15a），通過在疏水管道振動較大位置加裝阻尼器，提高管系結(jié)構(gòu)阻尼。經(jīng)改造后，3號高加至除氧器疏水管道及支吊架布置圖如圖3所示。

圖3 改造后3號高加至除氧器疏水管道及支吊架布置圖

5 治理效果分析

3號高加至除氧器疏水管道改造完成后，重新啟動機(jī)組，仔細(xì)觀察3號高加至除氧器疏水管道運(yùn)行狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)疏水管道正常投運(yùn)，未發(fā)生明顯振動，疏水管道振動得到了有效控制。同時(shí)，也檢查了管系12號～17號支吊架，所有支吊架狀態(tài)均屬正常。由此表明，該次更換16號彈簧支架、將13號支吊架更換為固定支架以及在疏水管道上加裝3組阻尼器的的改造行為對控制管道振動是有效的。

為了驗(yàn)證該結(jié)果，再次采用振動測量儀器對16號支吊架處的管道振動速度進(jìn)行測量，測量結(jié)果見表1。由表1測量結(jié)果可知，改造后的16號支吊架Z方向最大振動速度由58.57mm/s降至11.26mm/s，可滿足規(guī)范中最大峰值振動速度值要求。

表1 疏水管道改造后16號支吊架處速度測量結(jié)果（單位：mm/s）

根據(jù)表1測量數(shù)據(jù)，根據(jù)相關(guān)規(guī)范評級標(biāo)準(zhǔn)，改造后的16號支吊架可達(dá)優(yōu)秀級。

為了了解改造后疏水管道的應(yīng)力狀態(tài)及管系剛度是否滿足要求，對改造后的管系一次、二次應(yīng)力進(jìn)行重新核算。驗(yàn)算結(jié)果顯示，應(yīng)力均未超標(biāo)，滿足管道運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，重新對管系模態(tài)進(jìn)行分析，改造后管系模態(tài)如圖4所示。由圖4可以看出，管系三階模態(tài)頻率達(dá)到4.91 Hz，與改造前管系三階模態(tài)頻率相較，改造后的管系模態(tài)頻率有了很大提升[6]。由此說明，改造后管系的固有頻率明顯提高，有效避免了氣、液兩相流介質(zhì)產(chǎn)生脈動激擾，從而改善疏水管道振動故障。

圖4 改造后管系模態(tài)頻率

6 結(jié)論

該文通過對某電廠3號高加至除氧器疏水管道振動原因分析和治理，得出以下結(jié)論。

首先，機(jī)組在日常運(yùn)行中，經(jīng)常會出現(xiàn)疏水管道振動、支吊架狀態(tài)異常等故障，不僅影響高壓加熱器的性能，還會對機(jī)組運(yùn)行的安全性、經(jīng)濟(jì)性造成很大影響。因此，在機(jī)組日常運(yùn)行過程中，需要加強(qiáng)對管道運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)管，一旦發(fā)現(xiàn)故障問題，應(yīng)及時(shí)安排運(yùn)行人員進(jìn)行檢修并處理，防止發(fā)生更大的運(yùn)行安全事故。

其次，在不改變管道現(xiàn)有布置的情況下，只能采取增加管道剛度或加裝阻尼器的方法來改善管系的結(jié)構(gòu)特性，從而達(dá)到控制和消除管道振動的目的。

再次，固定支架能提高管道的剛度，將13號限位支架改變?yōu)楣潭ㄖЪ?，但為了降低固定支架對管系的?yīng)力作用，安裝固定支架時(shí)應(yīng)選擇在管道熱位移較小點(diǎn)。阻尼器能夠消耗氣、液兩相流介質(zhì)產(chǎn)生脈動激擾，提高管系各階模態(tài)頻率，能效治理管系振動故障。

最后，在疏水管道中，通過組合使用固定支架與阻尼器，可緩解管系中因脈動激擾而產(chǎn)生共振的特征頻率，能有效控制管道振動。