某9F燃機(jī)電廠凝結(jié)水管道振動(dòng)治理

朱偉雄　潘小豐　劉明

摘? 要：針對(duì)某燃機(jī)電廠凝結(jié)水管道的振動(dòng)問題，從機(jī)械系統(tǒng)的振動(dòng)方程入手，通過增加管道剛度和減小激振力兩種方法，制定了相應(yīng)的處理方案，有效解決了該管道的振動(dòng)故障，為同類型的管道振動(dòng)治理問題提供了可供參考的經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：凝結(jié)水管道;振動(dòng);S109FA燃機(jī);固有頻率

中圖分類號(hào)：TM621.4? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2019）31-0120-02

Abstract： Aiming at the vibration problem of condensate pipeline in a gas turbine power plant， starting with the vibration equation of mechanical system， the corresponding treatment scheme is formulated by increasing the stiffness of pipeline and reducing the exciting force， which effectively solves the vibration fault of the pipeline and provides reference experience for the vibration control of the same type of pipeline.

Keywords： condensate pipe; vibration; S109FA Gas Turbine; natural frequency

引言

管道振動(dòng)往往會(huì)引起一系列嚴(yán)重后果，如引起管道過度疲勞損傷，尤其會(huì)使得與其連接的小管道斷裂;管件自身損壞，焊縫出現(xiàn)裂紋;將振動(dòng)傳遞到管道連接設(shè)備或者其他靜止設(shè)備上，危及熱力系統(tǒng)的安全運(yùn)行;同時(shí)管道振動(dòng)還容易導(dǎo)致管道上的測(cè)量?jī)x表出現(xiàn)數(shù)據(jù)偏差甚至錯(cuò)誤。凝結(jié)水管道由于其本身工作特點(diǎn)，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)較大的振動(dòng)情況[1-2]，成為影響電廠安全運(yùn)行的隱患之一。

某燃機(jī)一期擁有三套STAG 109FA單軸聯(lián)合循環(huán)機(jī)組，是區(qū)域內(nèi)重要統(tǒng)調(diào)電廠和主要保安電源，燃機(jī)運(yùn)行方式為日開夜停，機(jī)組投軸封前凝結(jié)水系統(tǒng)由輔助凝泵切至凝泵運(yùn)行。凝結(jié)水系統(tǒng)配備兩臺(tái)多級(jí)立式雙層殼體離心水泵，同時(shí)為了在日開夜停時(shí)節(jié)能，配備一臺(tái)輔助凝泵，每次凝泵啟動(dòng)時(shí)，凝結(jié)水管道都會(huì)發(fā)生劇烈振動(dòng)并伴隨一聲巨響，振動(dòng)幅度最大達(dá)到0.3米左右。

1 管道振動(dòng)控制方法

管道系統(tǒng)的振動(dòng)一般是作用在管系上的周期性激振力引起的受迫振動(dòng)，按照經(jīng)典的振動(dòng)理論，一個(gè)機(jī)械系統(tǒng)的振動(dòng)方程可以表述為[3]：

式中：[M]為質(zhì)量矩陣，[c]為阻尼矩陣，[K]為剛度矩陣，{x}為位移向量，{F（t）}為廣義載荷向量。

引起管道振動(dòng)的原因主要有管內(nèi)介質(zhì)脈動(dòng)、紊流引起的振動(dòng)、設(shè)備缺陷引起的振動(dòng)、水錘引起的振動(dòng)等[4]。能夠找到管系振動(dòng)的根本原因并順利解決為最優(yōu)方案，即從根本上消除或減小激振力{F}，從而消除或緩解管道振動(dòng)。另外就是從管系自身結(jié)構(gòu)特性出發(fā)進(jìn)行處理，由式（1）所示的振動(dòng)方程可知，影響管系振動(dòng)特性的就是系統(tǒng)質(zhì)量[M]、系統(tǒng)阻尼[c]以及系統(tǒng)剛度[K]?，F(xiàn)役電廠中管道型號(hào)、走向等都已確定，從新改變管道質(zhì)量分布的工作量較大、經(jīng)濟(jì)性較差，因此對(duì)于現(xiàn)役管道的減振一般不從質(zhì)量矩陣方面考慮，那么可供選擇的振動(dòng)控制思路主要有以下兩個(gè)方面：

（1）改變系統(tǒng)的阻尼[c]。通過在適當(dāng)位置加裝阻尼器的方式，耗散管系結(jié)構(gòu)振動(dòng)的能量，降低振動(dòng)量值，減少結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)，從而達(dá)到緩解管道振動(dòng)的目的。

（2）改變系統(tǒng)的剛度[K]。系統(tǒng)的固有頻率與振動(dòng)特性息息相關(guān)，當(dāng)外在激振頻率與系統(tǒng)固有頻率相接近時(shí)，容易產(chǎn)生共振。此外如果管系基頻過低（管系柔性過大），可能即使避開了激振頻率，受到激振力作用后仍會(huì)導(dǎo)致管系振動(dòng)[5]。管道系統(tǒng)的固有頻率與其剛度特性有直接關(guān)系，一般剛度越大，其對(duì)應(yīng)的固有頻率越高，因而可通過加裝限位裝置的方式改變管系剛度來調(diào)節(jié)系統(tǒng)固有頻率，以避開激振頻率或提高管系基頻。

2 機(jī)組、管道信息

該燃機(jī)電廠為STAG 109FA單軸聯(lián)合循環(huán)機(jī)組，額定功率為390MW。凝結(jié)水管道系統(tǒng)布置如圖1所示。

凝泵啟動(dòng)時(shí)，管道會(huì)發(fā)生劇烈振動(dòng)并伴隨一聲巨響，而當(dāng)其中一臺(tái)凝泵運(yùn)行，啟備用凝泵時(shí)，并無強(qiáng)烈振動(dòng)和巨響，因而可以推測(cè)為凝泵在空管啟動(dòng)時(shí)，當(dāng)管中空氣不能及時(shí)排出而被壓縮時(shí)才會(huì)加劇水流壓力的變化。從系統(tǒng)圖中可以看出，凝結(jié)水管路上容易發(fā)生空氣壓縮的主要是兩個(gè)旁路：軸加旁路和凝結(jié)水再循環(huán)旁路。而從管路布置的結(jié)構(gòu)上，由于凝結(jié)水管路低點(diǎn)如果不放水，凝結(jié)水系統(tǒng)即使不投用，軸加旁路也是充滿水的，那么剩下只有凝結(jié)水再循環(huán)旁路，如圖2所示。

3 凝結(jié)水管道剛度分析

凝結(jié)水管道布置詳見圖3，主要管道規(guī)格：Φ273×8.5;材質(zhì)：Q235;設(shè)計(jì)溫度：52℃;設(shè)計(jì)壓力3.4MPa。在此采用CAESAR II軟件對(duì)凝結(jié)水管道進(jìn)行模態(tài)分析。計(jì)算得到該管道系統(tǒng)的前三階自振頻率僅分別為0.16Hz、0.42Hz、0.89Hz，顯示該管道的剛度很小，容易在外在激勵(lì)載荷作用下發(fā)生振動(dòng)。

4 處理方案

根據(jù)管道振動(dòng)控制方法，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)條件，準(zhǔn)備從減小激振力和增加管道剛度兩方面入手。

4.1 增加管道剛度

管道系統(tǒng)的固有頻率與其剛度特性有直接關(guān)系，一般剛度越大，其對(duì)應(yīng)的固有頻率越高，因而可通過加裝限位裝置的方式改變管系剛度來調(diào)節(jié)系統(tǒng)固有頻率，以避開激振頻率或提高管系基頻。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)安裝條件，主要加裝方案如下：（1）在#110、#111滑動(dòng)支架下側(cè)的立管上分別加裝XY 45°向抗振阻尼器和Y向抗振阻尼器;（2）在#112與#113剛性吊架之間、#116與#117剛性吊架之間、#119與#120剛性吊架之間的水平管道上加裝X向限位裝置;（3）在#118與#119剛性吊架之間的水平管道上，以及#120與#121吊架之間的豎直管道上分別加裝Y向限位裝置。

4.2 減小激振力

因該凝結(jié)水管道的激振力主要是由于啟泵過程中的空氣壓縮造成的，因而從避免空管啟動(dòng)和及時(shí)排除管中空氣兩方面入手。

（1）避免空管啟動(dòng)：開啟凝結(jié)水泵時(shí)，輔助凝泵出口電動(dòng)閥應(yīng)全關(guān)且輔助凝泵停運(yùn)，然后才能快速啟動(dòng)凝結(jié)水泵，為保證輔助凝泵出口電動(dòng)閥全關(guān)且輔助凝泵停運(yùn)兩個(gè)條件均滿足，特制定了以下啟泵方案：關(guān)輔助凝泵出口電動(dòng)閥→待凝結(jié)水母管壓力開始下降停輔助凝結(jié)水泵→輔助凝泵出口閥關(guān)死后立即啟動(dòng)凝結(jié)水泵→再循環(huán)設(shè)置在70%→啟動(dòng)成功。（2）及時(shí)排除管中空氣：凝泵運(yùn)行時(shí)，開啟再循環(huán)旁路電動(dòng)閥15%，再循環(huán)調(diào)節(jié)閥設(shè)置在50%，按正常順序啟動(dòng)凝泵。不過由于凝結(jié)水再循環(huán)旁路電動(dòng)閥閥門線性不好，閥門開度不好調(diào)節(jié)，容易造成凝結(jié)水流量低跳泵或者過流。為解決這一問題，特在凝結(jié)水再循環(huán)旁路電動(dòng)閥前后加裝小口徑管道和旁路電動(dòng)閥，用于排出空氣，避免凝泵啟動(dòng)時(shí)的水錘現(xiàn)象，如圖4所示。

5 結(jié)束語

通過上述處理措施，有效降低了該凝結(jié)水管道在啟泵階段的振動(dòng)幅度，消除了管道振動(dòng)危害?？梢詾槠渌麊挝活愃魄闆r提供參考，提高機(jī)組設(shè)備的安全和可靠性。

參考文獻(xiàn)：

[1]金紅偉，李超，劉學(xué)，等.330MW直接空冷系統(tǒng)凝結(jié)水管道的振動(dòng)分析[J].中國(guó)電力，2016，49（09）：99-103.

[2]李春偉，唐璐.600MW機(jī)組凝結(jié)水再循環(huán)管道振動(dòng)原因分析及處理[J].內(nèi)蒙古電力技術(shù)，2012，30（1）：117-119.

[3]劉延柱，陳立群，陳文良.振動(dòng)力學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2011.

[4]趙星海，翟松，彭龍飛，等.火電廠管系振動(dòng)原因分析及減振方法[J].鍋爐技術(shù)，2013，44（1）：67-71.

[5]唐永進(jìn).壓力管道應(yīng)力分析[M].北京：中國(guó)石化出版社，2009.