300MW機(jī)組主蒸汽管道振動原因分析及處理

任文斌，許金輝，唐 璐

（1.國電蓬萊發(fā)電有限公司，山東 蓬萊 265601；2.蘇州熱工研究院有限公司，江蘇 蘇州 215004）

300MW機(jī)組主蒸汽管道振動原因分析及處理

任文斌1，許金輝1，唐 璐2

（1.國電蓬萊發(fā)電有限公司，山東 蓬萊 265601；2.蘇州熱工研究院有限公司，江蘇 蘇州 215004）

某300MW機(jī)組在主蒸汽管道單閥切順序閥運(yùn)行后，主蒸汽管道振動幅度明顯增加。通過現(xiàn)場勘察和測量，結(jié)合模態(tài)分析得出主蒸汽管道振動原因是激振力頻率與管道固有頻率一致引起管道共振。提出相應(yīng)的振動處理方案，新增相應(yīng)阻尼器，設(shè)計了間隙可調(diào)節(jié)性限位支架，有效地減小了主蒸汽管道的振動。

主蒸汽管道；振動；模態(tài)分析；振動治理

0 引言

某發(fā)電有限公司1號機(jī)組鍋爐系哈爾濱鍋爐廠有限公司的HG-1025／17.5-YM15型亞臨界參數(shù)、一次中間再熱、單爐膛、固態(tài)排渣、全鋼架懸吊結(jié)構(gòu)、露天布置、控制循環(huán)燃煤汽包爐，采用平衡通風(fēng)、直流式燃燒器、四角切圓燃燒方式。汽機(jī)系哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司引進(jìn)美國WH公司的技術(shù)制造的型號為N330－16.7／538／538，反動式、單軸、雙缸雙排汽，高中壓合缸、低壓缸分流、亞臨界中間一次再熱凝汽式汽輪機(jī)。機(jī)組于2006年4月投產(chǎn)運(yùn)行。

機(jī)組高調(diào)閥曾經(jīng)發(fā)生閥芯內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷裂，造成管道劇烈振動。過后雖對閥門進(jìn)行修復(fù)，但是一次調(diào)頻動作較大時，管道會發(fā)生較為明顯的振動，最大振幅達(dá)到20.1 mm，尤其是單閥切換至順序閥運(yùn)行后，振動明顯加劇，嚴(yán)重威脅到機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1 現(xiàn)場管道振動情況

主蒸汽管道規(guī)格：Φ448.3 mm×40 mm和Φ333mm×30mm，材質(zhì)為A335P91，設(shè)計溫度為546℃、設(shè)計壓力為17.6MPa。主蒸汽管道及支吊架布置圖如圖1所示。

機(jī)組在調(diào)頻變負(fù)荷過程中，標(biāo)高8.8m水平段，圖中14號和15號吊架所在水平管道軸向存在劇烈振動；鍋爐側(cè)標(biāo)高63m水平段，5號吊架所在水平管道軸向存在劇烈振動大，圖中2號和6號吊架所在立管管道存在劇烈振動，相應(yīng)振幅和主振頻率如表1所示。

圖1 主蒸汽管道及支吊架布置

表1 主蒸汽管道振動特征

2 振動原因分析

主蒸汽管道的振動是由作用在管系上的激振力引起的受迫振動，這種激振力是由內(nèi)部流體激擾引起的，尤其是在變負(fù)荷過程中，管道內(nèi)部流體流動速度的大小發(fā)生改變［1］。

1號主蒸汽管道原設(shè)計均采用懸吊方式支吊，管系水平方向上缺少約束裝置，整個管系只有21號，22號限位支架經(jīng)現(xiàn)場檢查已失效，Y向沒有任何限位約束裝置；主蒸汽管系柔性較好，剛度小，固有頻率較低，管道極易在流體的激振力作用下發(fā)生振動。當(dāng)激振力頻率等于或接近管道固有頻率時，將引起共振，管道振動顯著加劇。

采用CAESARII管道計算軟件對主蒸汽進(jìn)行模態(tài)分析及應(yīng)力校核計算［2］。管道固有頻率計算結(jié)果見表2。

表2 主蒸汽管道固有頻率計算結(jié)果

模態(tài)分析結(jié)果表明，計算的主蒸汽管道前4階固有頻率均低于1Hz，管道固有頻率較低，在低頻激振條件下，管道很容易產(chǎn)生振動。其中，第3階頻率振型以軸向振動為主，如圖2所示，其振型與現(xiàn)場標(biāo)高63m管段主振動特征相吻合；第6階頻率振型以軸向振動為主，如圖3所示，其振型與現(xiàn)場標(biāo)高8.8m管段主振型特征相吻合。由此可見，從順序閥切換后，主蒸汽管道振動是激振力的頻率與第3階和第6階管道固有頻率一致，從而產(chǎn)生了共振，導(dǎo)致管道振動顯著增加。

圖2 第3階模態(tài)f3=0.67Hz振型

圖3 第6階模態(tài)f6=1.42Hz振型

3 振動處理方案

主蒸汽管道是一個復(fù)雜的連續(xù)彈性體，其振動問題可視為具有有限多個質(zhì)點的多自由度振動系統(tǒng)。對于無阻尼系統(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（1）式可得，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)。主蒸汽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)限位裝置或阻尼器以增加管道剛度，使管道具有較高的一階固有頻率，避開相對低階激振力的響應(yīng)，從而減小管道的振動［3］。

針對現(xiàn)場管道振動情況，采取以下幾種處理措施：對失效的22號限位支架進(jìn)行修復(fù)，加固其生根部位，增強(qiáng)支架的穩(wěn)定性；新增6 A，15 A，16 A，19 A 4個阻尼器，限制所在各自水平管道軸向振動，新增阻尼器所在位置如圖1所示；設(shè)計如圖4的新增14 A帶間隙的限位支架，冷態(tài)安裝時預(yù)留出熱態(tài)膨脹間隙，熱態(tài)貼合結(jié)構(gòu)面，有效限制軸向和徑向振動［4］。

減振措施實施后，主蒸汽管道最大應(yīng)力值如表3所示，管道應(yīng)力計算值均小于許用值，管道一次應(yīng)力和二次應(yīng)力校核合格。

圖4 新增14A帶間隙的限位支架安裝

表3 減振后主蒸汽管道最大應(yīng)力值

該減振方案是安全的，不會造成管道應(yīng)力超標(biāo)。

減振方案實施后主蒸汽管道剛度增大，第一階固有頻率由0.22 Hz提高到2.11Hz，有效地避開了低階激振共振頻率區(qū)。

4 結(jié)語

主蒸汽管道缺少有效的限位裝置，僅有的限位支架失效導(dǎo)致管道剛度較小，固有頻率較低。當(dāng)運(yùn)行中轉(zhuǎn)為順序閥后，作用在管系上的激振力引起管道的受迫振動，當(dāng)激振頻率與管道固有頻率接近時產(chǎn)生共振，管道振動顯著增加。

在激振力無法消除的情況下，可以增加管系的剛度，增大管道的阻尼來改善主蒸汽管道振動固有特性。新增阻尼器和帶間隙的限位支架大大增加了管道的剛度，從而有效地控制了管道振動［5］。

減振方案實施后，有效地消除了主蒸汽管道的振動，消除了機(jī)組運(yùn)行中的安全隱患，同時對于解決國內(nèi)其他電廠出現(xiàn)的高溫高壓蒸汽管道振動問題具有較好的參考價值和借鑒意義。

［1］劉習(xí)軍，賈啟芬.工程振動理論與測試技術(shù)［M］.北京：高等教育出版社，2006.

［2］方立.用CAESARII軟件進(jìn)行管道應(yīng)力計算的幾個問題探討［J］.化工設(shè)備與管道，2001，41（6）：40－43.

［3］唐璐，李英，仇云林，等.1 000MW超超臨界機(jī)組凝結(jié)水再循環(huán)管道振動原因分析及治理［J］.電力科學(xué)與工程.2011，27（2）：72-74.

［4］唐璐.國電蓬萊電廠1號機(jī)組管道支吊架調(diào)整及主蒸汽管道振動治理報告［R］.蘇州熱工研究院有限公司，2016.

［5］李英，唐璐.600MW機(jī)組鍋爐高壓給水管道振動測試分析及治理［J］.浙江電力，2014，33（9）：45-48.

Cause Analysis and Elim ination of 300MW Unit M ain Steam Piping Vibration

REN W enbin1，XU Jinhui1，TANG Lu2
（1.Guo Dian Peng Lai Power Plant，Penglai，265601，China 2.Su Zhou Nuclear Power Institute，Suzhou，215004，China）

The vibration of amain steam pipe in one of a 300MW gnerator unit was found increasing after single-valve-tosequential-valve operation.The investigation on the reason of the pipe vibration was carried out in combination with modal analysis.It is find out that the frequency of exciting force is coherentwith the natural frequency of pipe，resulting in resonance vibration of the pipe.Necessary treatmentmeasures were conducted：four snubbers were added in and one customized limiting support is designed to restrict the pipe’s expansion displacement.The vibration treatment is proved effective，which eliminated the vibrations and ensured the unit safety running.

main steam piping；vibration；modal analysis；vibration elimination

TK222

A

1007－9904（2017）06－0057－03

2017-02-01

任文斌（1967），男，工程師，從事電廠生產(chǎn)檢修、設(shè)備及技術(shù)管理工作。