王樹帥，唐璐

（1.神華國華浙江浙能發(fā)電有限公司，浙江寧波315612；2.蘇州熱工研究院有限公司，江蘇蘇州215004）

發(fā)電技術(shù)

1 000 MW汽輪發(fā)電機(jī)組凝結(jié)水管道振動(dòng)原因分析與處理

王樹帥1，唐璐2

（1.神華國華浙江浙能發(fā)電有限公司，浙江寧波315612；2.蘇州熱工研究院有限公司，江蘇蘇州215004）

分析了神華國華寧海發(fā)電有限公司1 000 MW汽輪機(jī)組投產(chǎn)后存在的凝結(jié)水管道振動(dòng)大的原因，通過對(duì)凝結(jié)水主調(diào)節(jié)閥閥芯結(jié)構(gòu)的改造及凝結(jié)水管道支吊架的修復(fù)、加固等技術(shù)措施，有效解決了凝結(jié)水管道振動(dòng)問題，消除了凝結(jié)水系統(tǒng)運(yùn)行中的安全隱患。

凝結(jié)水管道；振動(dòng)；閥芯；支吊架

0 引言

凝結(jié)水系統(tǒng)是火力發(fā)電廠中一個(gè)重要的系統(tǒng)，通過凝結(jié)水泵將凝汽器熱井中的凝結(jié)水升壓，進(jìn)入化學(xué)精處理，再通過除氧器水位調(diào)節(jié)閥減壓及流量調(diào)節(jié)后進(jìn)入低壓加熱器（簡(jiǎn)稱低加），經(jīng)過加熱后的凝結(jié)水最終流入除氧器，成為給水的來源。其簡(jiǎn)要流程見圖1。

神華國華寧海發(fā)電廠二期1 000 MW機(jī)組凝結(jié)水系統(tǒng)主要由3臺(tái)50%額定容量的凝結(jié)水泵、化學(xué)精處理系統(tǒng)、軸封加熱器、4臺(tái)低加、除氧器水位調(diào)節(jié)閥等設(shè)備構(gòu)成，每個(gè)設(shè)備之間通過凝結(jié)水管道相連。凝結(jié)水系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)緊湊、管道密集、分布范圍廣的特點(diǎn)，分布范圍從汽機(jī)房0 m延伸到除氧器層的33 m。在凝結(jié)水管道受到應(yīng)力較大的位置及管道剛性較差的位置加裝了支吊架以防止凝結(jié)水管道振動(dòng)，運(yùn)行中通過調(diào)整除氧器水位調(diào)節(jié)閥的開度控制凝結(jié)水流量。

機(jī)組自投產(chǎn)以來就存在凝結(jié)水管系振動(dòng)劇烈的問題，導(dǎo)致凝結(jié)水至低旁減溫水管道支管連接焊縫多次開裂泄漏，現(xiàn)場(chǎng)多次進(jìn)行帶壓堵漏，嚴(yán)重影響了機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。因此，有必要對(duì)凝結(jié)水管道振動(dòng)的原因進(jìn)行分析并提出切實(shí)有效的處理措施。

圖1 凝結(jié)水系統(tǒng)

1 凝結(jié)水管道的振動(dòng)原因分析

1.1 凝結(jié)水管道的振動(dòng)

凝結(jié)水管道布置如圖2所示，振動(dòng)的總體特征是低頻率大幅度。振動(dòng)劇烈的管道主要有精處理出口至軸封加熱器管道，疏水冷卻器出口至8號(hào)低加進(jìn)口管道，凝結(jié)水疏水冷卻器旁路（即圖2中15號(hào)至24號(hào)支吊架所在管道），6號(hào)低加入口管道。管道擺動(dòng)最大處位于18號(hào)和19號(hào)支吊架之間的彎頭處，擺動(dòng)幅度近80 mm。圖3顯示現(xiàn)場(chǎng)為了減小管道劇烈擺動(dòng)，利用倒鏈和繩索對(duì)管道進(jìn)行的臨時(shí)加固處理。

圖2 凝結(jié)水振動(dòng)管道所在關(guān)系位置

圖3 利用倒鏈和繩索對(duì)管道臨時(shí)加固

1.2 凝結(jié)水管道振動(dòng)原因分析

通過現(xiàn)場(chǎng)觀察凝結(jié)水管道振動(dòng)的現(xiàn)象，并結(jié)合凝結(jié)水系統(tǒng)各運(yùn)行參數(shù)變化曲線及特點(diǎn)進(jìn)行分析，認(rèn)為凝結(jié)水管道劇烈振動(dòng)主要有兩個(gè)方面的原因。

（1）機(jī)組凝結(jié)水系統(tǒng)中凝結(jié)水流量及壓力調(diào)節(jié)通過除氧器水位調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)，除氧器水位調(diào)節(jié)閥由美國C-V公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)，采用普通單級(jí)窗口式閥籠，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，并不具備能夠有效節(jié)流降噪的功能。機(jī)組剛投產(chǎn)時(shí)，除氧器水位調(diào)節(jié)閥閥位劇烈波動(dòng)，引起凝結(jié)水流量及壓力變化，對(duì)凝結(jié)水管道沖擊力較大且管道受力變化較大，凝結(jié)水管道劇烈振動(dòng)。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)觀察與分析，凝結(jié)水管道振動(dòng)的振動(dòng)源來自調(diào)節(jié)閥的節(jié)流組件上，若振動(dòng)源不消除，工質(zhì)對(duì)凝結(jié)水管道的沖擊將持續(xù)存在，長(zhǎng)此以往將加劇凝結(jié)水管道的振動(dòng)，形成較大的安全隱患。同時(shí)由于凝結(jié)水對(duì)管道的沖擊作用，使汽機(jī)房?jī)?nèi)噪音水平嚴(yán)重超標(biāo)，不利于現(xiàn)場(chǎng)檢修作業(yè)及設(shè)備巡檢工作。通過以上分析可以判斷除氧器水位調(diào)節(jié)閥閥芯結(jié)構(gòu)不夠合理是引起凝結(jié)水管道振動(dòng)的主要原因。

（2）凝結(jié)水管道支吊架設(shè)計(jì)安裝存在缺陷，由于管道支吊架設(shè)計(jì)時(shí)只進(jìn)行了靜力計(jì)算，沒有考慮管道動(dòng)態(tài)特性，部分位置支撐力不夠。凝結(jié)水管道設(shè)計(jì)中除要求滿足強(qiáng)度條件，還應(yīng)滿足一定的剛度條件?；鹆Πl(fā)電廠汽水管道設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定[1]中要求管道的固有頻率大于3.5 Hz。雖然凝結(jié)水管道介質(zhì)流速較低，引起的激振頻率較低，但凝結(jié)水管道較長(zhǎng)、彎頭較多、柔性較大，管道內(nèi)的水流容易在彎頭處產(chǎn)生交變的激振力，從而誘發(fā)管道振動(dòng)。綜上所述，支吊架設(shè)計(jì)不合理或管道剛度不夠?qū)е鹿艿雷哉耦l率較低時(shí)，管道容易產(chǎn)生共振。

凝結(jié)水管道大多采用剛性吊架懸吊方式，這種支吊架約束管道垂直方向的運(yùn)動(dòng)，對(duì)管道水平方向運(yùn)動(dòng)幾乎無約束作用。管道設(shè)計(jì)時(shí)整個(gè)管系中無限位裝置和約束裝置，管道剛度小。如果管道的固有頻率過低，管道柔性過大，即使不在激振頻率區(qū)域，管道在激振力的作用下仍有可能產(chǎn)生劇烈振動(dòng)。

現(xiàn)場(chǎng)支吊架檢查發(fā)現(xiàn)，有個(gè)別支吊架未安裝，或者已失效：精處理出口2號(hào)固定支架未安裝，導(dǎo)致凝結(jié)水精處理出口管道穩(wěn)定性不夠；軸封加熱器進(jìn)口管道8號(hào)、9號(hào)和11號(hào)滑動(dòng)支架脫空，未承載；17號(hào)生根于柱側(cè)的滑動(dòng)支架根部斷裂，支架失效；疏水冷卻器進(jìn)口管道14a號(hào)剛性吊架斷裂失載。以上管道支吊架的缺失和失效，降低了管道的穩(wěn)定性，加劇了管道振動(dòng)。

2 管道振動(dòng)處理方案

通過分析凝結(jié)水管道振動(dòng)的原因，將凝結(jié)水管道振動(dòng)治理的過程分為2個(gè)步驟，即對(duì)除氧器水位調(diào)節(jié)閥的改造和凝結(jié)水管道支吊架的補(bǔ)充及進(jìn)一步完善。

2.1 除氧器水位調(diào)節(jié)閥的改造

在凝結(jié)水系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)系統(tǒng)流量的除氧器水位調(diào)節(jié)閥工況最為惡劣，入口壓力為3.0～3.5 MPa，出口壓力為1.0～1.8 MPa，在調(diào)節(jié)閥閥內(nèi)及閥后均容易發(fā)生嚴(yán)重氣蝕情況?？刂茪馕g的方法主要有控制壓力降（使局部壓力不低于蒸汽壓力，可避免形成汽泡和產(chǎn)生汽蝕）、限制閥內(nèi)流速、增強(qiáng)閥內(nèi)件表面硬度等。

在閥門結(jié)構(gòu)中，單級(jí)壓降容易使閥內(nèi)壓力低于飽和溫度對(duì)應(yīng)的飽和壓力，也就是發(fā)生汽蝕的臨界壓力，低于這個(gè)壓力就會(huì)發(fā)生汽蝕，而多級(jí)壓降能更好控制閥內(nèi)壓力并使閥內(nèi)壓力高于飽和壓力，有效地避免閥體內(nèi)部產(chǎn)生汽蝕。在閥芯結(jié)構(gòu)改造過程中根據(jù)閥體空間的大小，決定采用兩級(jí)結(jié)構(gòu)，使水通過兩層減壓籠套能夠有效地解決閃蒸問題，減少閥門閥位的擺動(dòng)及流量波動(dòng)，最終消除管道振動(dòng)，降低噪音。改造后的閥芯結(jié)構(gòu)見圖4。

圖4 改造后的除氧器上水調(diào)節(jié)閥閥芯結(jié)構(gòu)

介質(zhì)由箭頭處流入，流向是上進(jìn)下出。閥門打開時(shí)，介質(zhì)通過閥籠外層小孔，這是第1級(jí)節(jié)流降壓；經(jīng)過1個(gè)擴(kuò)容孔及籠罩第2層，這是第2級(jí)節(jié)流降壓；然后再經(jīng)過消音罩流出，這樣就會(huì)顯著降低噪音。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)直徑為Φ3 mm的小孔消音效果最好，但是這么小的孔在運(yùn)行過程中非常容易堵塞。所以均衡考慮選擇Φ5 mm的小孔，小孔總面積大于閥座流通面積的1.3倍，這樣消音罩就不會(huì)引起節(jié)流降壓，而只是起到消音降噪的作用，同時(shí)，這個(gè)消音罩也防止介質(zhì)對(duì)閥體的沖蝕，起到保護(hù)閥體的作用。

由于此次改造不更換氣動(dòng)執(zhí)行器，所以閥芯尺寸不變，這樣改造前后閥門開啟和關(guān)閉所需的力保持不變，保證改造后閥門能和原有的氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)相匹配，在工作狀態(tài)下可以開關(guān)自如。更換新的閥門閥芯后，閥門開度100%時(shí)，通過調(diào)節(jié)閥的流量為2 982 t/h，能滿足機(jī)組運(yùn)行的特殊工況（如鍋爐最大出力工況時(shí)發(fā)生機(jī)組負(fù)荷快速切回）下的設(shè)計(jì)流量要求。

2.2 凝結(jié)水管道支吊架的改造及補(bǔ)充

凝結(jié)水管道是一個(gè)復(fù)雜的連續(xù)彈性體，其振動(dòng)問題可視為具有有限多個(gè)質(zhì)點(diǎn)的多自由度振動(dòng)系統(tǒng)[1]。對(duì)于n質(zhì)量無阻尼系統(tǒng)，其頻率方程為：

式中：K為剛度矩陣；M為質(zhì)量矩陣；ω為各階固有頻率。

由式（1）可得，多自由度系統(tǒng)的固有頻率與其質(zhì)量矩陣和剛度矩陣有關(guān)。凝結(jié)水管道已無法改變其布置，故管道質(zhì)量無法改變。因此，在保證管道應(yīng)力合格的前提下，可通過支吊架的合理布置，增設(shè)限位裝置以增加管道剛度，使管道具有較高的一階固有頻率，避開相對(duì)低階激振力的響應(yīng)，從而減小管道的振動(dòng)[2]。

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）在精處理出口管道上加裝遺漏的2號(hào)固定支架；

（2）待機(jī)組停機(jī)時(shí)，墊實(shí)軸封加熱器進(jìn)口管道8號(hào)、9號(hào)和11號(hào)脫空的滑動(dòng)支架；

（3）修復(fù)失效的17號(hào)滑動(dòng)支架和斷裂的14a剛性吊架，使之承載；

（4）設(shè)計(jì)如圖5所示的限位支架，有效地限制管道軸向和徑向的振動(dòng)。在圖2所示的15A，18A，19A，28A，33A，36A處加裝該類型的限位支架；

（5）在圖2所示的20A，22A，26A，38A，42A處加裝限位拉撐桿。

圖5 凝結(jié)水管道限位支架

凝結(jié)水管道支吊架改造和加固前后，主要管段一階固有頻率變化情況如表1所示。由表1數(shù)據(jù)可見，凝結(jié)水管道整改后的一階固有頻率有了顯著提高，從而避開了相對(duì)低階激振力的響應(yīng)，能有效地降低管道的振動(dòng)。

表1 凝結(jié)水管道加固前后一階固有頻率Hz

3 治理后的成效

機(jī)組除氧器水位調(diào)節(jié)閥更換新閥芯后，消除了閥門原來存在的閥位劇烈擺動(dòng)的缺陷，當(dāng)除氧器上水量恒定時(shí)，除氧器水位調(diào)節(jié)閥閥位基本保持穩(wěn)定，閥位反饋波動(dòng)值在2%范圍以內(nèi)。由于閥芯結(jié)構(gòu)中增加了二級(jí)節(jié)流小孔及具備降噪作用的消音罩，使凝結(jié)水對(duì)于管道的沖擊作用明顯降低，凝結(jié)水管道的振動(dòng)及汽機(jī)房?jī)?nèi)的噪音水平得到顯著改善，除部分支吊架不穩(wěn)固的區(qū)域外，凝結(jié)水管道整體振動(dòng)值較小，均在規(guī)定值范圍內(nèi)。

對(duì)凝結(jié)水管道多處支吊架進(jìn)行整改和加固后進(jìn)一步減小了凝結(jié)水管道的振動(dòng)，振動(dòng)幅度明顯減小，最大幅度小于2 mm，凝結(jié)水管系振動(dòng)的問題得到了根本的解決。

[1]DL/T 5054-1996火力發(fā)電廠汽水管道設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定[S].北京：中國電力出版社出版，1996.

[2]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（2）∶1131-1133.

（本文編輯：陸瑩）

Cause Analysis and Treatment on Vibration of Condensate Pipe of 1 000 MW Steam Turbine Generating Units

WANG Shushuai1，TANG Lu2
（1.Shenhua Guohua Zhejiang Energy Power Co.，Ltd.，Ningbo Zhejiang 315612，China；2.Suzhou Nuclear Power Research Institute Co.，Ltd.，Suzhou Jiangsu 215004，China）

The paper analyzes cause for excessive vibration of condensate pipe of 1 000 MW steam turbine generating units of Shenhua Guohua Ninghai Power Generating Co.，Ltd.，by reconstruction of valve core of main condensate regulating valve，restoration and reinforcement of hangers of condensate pipes,the vibration of condensate pipes is effectively solved and potential hazards in operation of condensate system are eliminated.

condensate pipe；vibration；valve core；hangers

TK264.1

：B

：1007-1881（2014）01-0030-04

2013-06-09

王樹帥（1984-），男，河北唐山人，助理工程師，從事汽輪機(jī)設(shè)備點(diǎn)檢工作。