CC50雙抽凝汽式機(jī)組高加疏水管道振動分析與處置

柳永平

摘要：在燃煤電廠系統(tǒng)中，汽輪機(jī)回?zé)嵯到y(tǒng)中的高、低壓加熱器的投運(yùn)，提高了汽輪機(jī)組整體運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，尤其是高壓加熱器，單臺高加正常投運(yùn)能提高給水溫度近30℃，在系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性上意義重大。約每提高1℃給水溫度，將為企業(yè)每年節(jié)約至少百萬費(fèi)用。高壓加熱器的安全長周期運(yùn)行成為了關(guān)鍵，影響高加的投運(yùn)的主要因素有高加疏水管道振動、泄漏以及高加內(nèi)部泄漏導(dǎo)致被迫停運(yùn)，本文重點(diǎn)研究高加疏水管道振動的振動原因，制定解決辦法，以此來降低高加疏水管道振動，延長管道壽命，提升高加系統(tǒng)的安全長周期運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：高加疏水;管道振動;振動分析;處置

引言

某電廠使用上海汽輪機(jī)有限公司生產(chǎn)的CC50-8.83/4.12/1.27 型高壓雙抽凝汽式供熱汽輪機(jī)，熱力系統(tǒng)中的回?zé)嵯到y(tǒng)設(shè)有二臺高壓加熱器，三臺低壓加熱器。機(jī)組抽汽系統(tǒng)中的二段抽汽供2號高加加熱，三段抽汽供1號高加加熱。

高壓加熱器采用大旁路系統(tǒng)，設(shè)有自動旁路路閥，當(dāng)高壓加熱器發(fā)生故障時(shí)，給水可直接打入鍋爐。高加為順置立式布置，傳熱管為U形管，雙流程，水室為大開口并具有自密封結(jié)構(gòu)。在蒸汽入口裝有不銹鋼擋汽板，防止蒸汽沖刷管束。

高加設(shè)有過熱蒸汽冷卻段和蒸汽凝結(jié)段兩個(gè)傳熱區(qū)段，來自汽機(jī)輪機(jī)的抽汽，先經(jīng)過過熱蒸汽冷卻段冷卻，然后進(jìn)入蒸汽凝結(jié)段凝結(jié)成疏水，疏水經(jīng)過調(diào)整閥控制，由壓力較高的高加排入壓力較低的高加，而壓力較低的高加疏水，經(jīng)過疏水調(diào)整閥排至除氧器。

1 現(xiàn)狀

該廠高加系統(tǒng)簡圖如下圖1

2號高加疏水進(jìn)入1號高加后，經(jīng)過換熱后與1號高加疏水混合進(jìn)入疏水母管，最終進(jìn)入除氧器。

高加運(yùn)行參數(shù)如下表1

2 存在的問題

該機(jī)型的高加系統(tǒng)，在運(yùn)行中主要存在以下問題。

1）1號高加疏水管道自高加底部拐彎處、旁路調(diào)整門處、二級直角彎處存在連續(xù)、明顯的振動，易造成疲勞破壞、疲勞斷裂，影響管道壽命與長周期運(yùn)行。

2）高加疏水管道至除氧器高加疏水母管均存在振動。

3）高加彎頭處出現(xiàn)過泄漏，導(dǎo)致被動停運(yùn)高加

3 振動原因分析

1）高加進(jìn)汽參數(shù)為1.2MPa，溫度為320℃的低壓蒸汽，經(jīng)過加熱156℃的給水后，蒸汽凝結(jié)為疏水，疏水壓力約為1.0MPa，溫度180℃，疏水沿著疏水管道從負(fù)0.5米的基坑起始，通過3道不在同一平面的直角彎后，進(jìn)入位于正0.3米左右的調(diào)整閥，再通過4道不對稱的直角彎進(jìn)入豎直的疏水母管，經(jīng)過位于8米高度的手動門后，繼續(xù)豎直方向進(jìn)入15米層的除氧器層，匯入高加疏水母管。

參數(shù)為1.0MPa的水對應(yīng)的飽和溫度為179.9℃，相比于溫度為180℃的高加疏水基本處于飽和狀態(tài)。當(dāng)疏水繼續(xù)沿著管道、閥門等從低于水平面得位置向位置于15米高的除氧器方向流動，克服管道阻力和高度差后，壓力降至約為0.8MPa，此時(shí)對應(yīng)的飽和溫度為，170℃，因管道保溫相對完善，溫度下降較少，導(dǎo)致高加疏水在管道內(nèi)部出現(xiàn)汽化，產(chǎn)生了蒸汽，在高加疏水管道中形成汽水混合物，以濕蒸汽狀態(tài)在管道中流動，導(dǎo)致管道振動。

在日常運(yùn)行中，除了高加疏水本體的溫度較高、壓降引發(fā)的疏水在局部定壓擴(kuò)容汽化外，還存在高加水位低，無水位運(yùn)行的情況，導(dǎo)致蒸汽進(jìn)入高加疏水，更加誘發(fā)了振動的形成。

2）此高加疏水系統(tǒng)，從高加底部開始計(jì)算，至15米層除氧器母管總共出現(xiàn)13道直角彎頭，尤其在1高加出口20米范圍內(nèi)的距離內(nèi)出現(xiàn)了近7道直角彎。高加疏水流速高，經(jīng)過直角彎頭時(shí)，產(chǎn)生的反作用使得疏水管道非對稱受力，增加對管道支吊架的力，因管道支吊架不能抵消這部分力，導(dǎo)致出現(xiàn)了管道的振動。

3）高加疏水采用DN100管道，兩臺高加疏水加熱蒸汽流量約為80t/h，計(jì)算流速約為2.8m/s。對比汽輪機(jī)技術(shù)手冊推薦的高加接管流速表中，飽和疏水推薦極限流速為1.2m/s。明顯在出口彎頭處的流速高，產(chǎn)生了紊流，從內(nèi)部更加促進(jìn)了振動的產(chǎn)生。

4）疏水管道支吊架存在缺陷。該機(jī)組的高加疏水系統(tǒng)管線，固定支架1個(gè)，其他均為吊架，不能約束管道的振動。

4 利用數(shù)值模擬原因分析

利用計(jì)算機(jī)軟件模擬分析。本次模擬采用CFD商業(yè)軟件ANSYS FLUENT進(jìn)行，將高加疏水自本體引出至8米層之間不足20米的管道建立模型，在數(shù)值模擬中，我們是對整個(gè)管道進(jìn)行全尺寸建模計(jì)算，同時(shí)為了簡化計(jì)算，管壁設(shè)置為無厚度的面。計(jì)算模型采用了76萬網(wǎng)格，圖 2展示了模型及網(wǎng)格劃分。

計(jì)算中進(jìn)口溫度為180℃，壓力為1.0MPa，工質(zhì)為水，在進(jìn)口邊界條件設(shè)置中，進(jìn)口設(shè)為壓力進(jìn)口;湍流模型采用的是RealizableΚ-ε模型。

分別對管道的壓力與溫度、各彎頭管道局部壓力與速度、分支管與進(jìn)口處的振動噪音大小、彎頭處的振動噪音進(jìn)行模擬計(jì)算。其結(jié)果分別如下圖3至圖6所示。

從圖中可以看出，在疏水管道的彎頭處的壓力變化和流速變化均比較大，顏色越接近藍(lán)色，壓力和速度越低，越接近紅色，壓力和速度越高。同時(shí)還對振動噪音因進(jìn)行了粗略估算，第四個(gè)彎頭出附近的振動最大位置的噪音為180DB（分貝）左右，管道整體振動較大，彎頭處的震動要明顯大于直管道中的振動。

5 消除振動方法

1）在設(shè)計(jì)疏水管道時(shí)，合理考慮疏水壓降，減少管道沿程損失，減少因壓力降低導(dǎo)致疏水在局部定壓擴(kuò)容產(chǎn)生蒸汽。

該疏水系統(tǒng)中，在滿足疏水正常流量的前提下，在零米區(qū)域疏水管道增設(shè)縮頸、在15米除氧器層再增設(shè)縮頸，使得速度能轉(zhuǎn)換為壓力能，以抵消疏水流動時(shí)產(chǎn)生的壓降而引發(fā)汽化，從而減小疏水系統(tǒng)的汽水混合物發(fā)生的可能性。

2）降低疏水的實(shí)際流速，減少超速引發(fā)的沖刷振動。

經(jīng)過核算該系統(tǒng)的加熱蒸汽與疏水流量，流速明細(xì)大于標(biāo)準(zhǔn)要求的流速，需要在設(shè)備更新時(shí)增加疏水管道的口徑，增加流通面積，在保證疏水正常流量的前提下，減小實(shí)際流速。

日常運(yùn)行中還會存在高加換熱管泄漏的情況導(dǎo)致疏水側(cè)管道振動異常，需要監(jiān)控好運(yùn)行參數(shù)，發(fā)現(xiàn)換熱管泄漏，及時(shí)停運(yùn)行消缺。

3）減少管道的彎頭，避免非對稱設(shè)置彎頭，加大管道彎頭的弧度，減小使用短小的直角彎頭。

在數(shù)值模擬運(yùn)算中表明，管道的彎頭的流速與振動明細(xì)大于直管，該系統(tǒng)的直角彎頭集中分布在零米區(qū)域，數(shù)量多，不但增加管道沿程損失，還使得疏水流動因拐彎變向產(chǎn)生的反作用力增加，最終使得管道受力傳遞至支吊架，通過支吊架來平衡受力。

4）增加支吊架，既能保證管道正常的膨脹與收縮，還能限制管道一定的自由度，減小管道振動。

該系統(tǒng)中，零米區(qū)域除基坑處得支持支架以外，其他均使用的吊架，不能充分的平衡管道在水平方向的受力。需要增設(shè)一定數(shù)量的固定支架，同時(shí)消除加固松動的支吊架，限制管道水平振動。

5）選用合理的汽液兩相流，保持高加有水位運(yùn)行。

在高加液位靈敏可靠的前提下，高加疏水系統(tǒng)除了設(shè)置疏水調(diào)整門調(diào)整高加水位，還設(shè)置汽液兩相流裝置。在小流量時(shí)，汽液兩相流可以平衡高加本體的水位，在大流量時(shí)，同時(shí)自動調(diào)整門實(shí)現(xiàn)高加水位的控制。

6 結(jié)束語

高加疏水系統(tǒng)管道振動的危害是巨大的，通過加速管材的疲勞破壞，容易造成管道焊口開裂，造成水汽泄漏，對安全生產(chǎn)非常不利。日常高加運(yùn)行中，應(yīng)嚴(yán)控工藝參數(shù)，及時(shí)尋求解決辦法，消除振動。

參考文獻(xiàn)：

[1]天津石化熱電部汽輪機(jī)技術(shù)規(guī)程

[2]汽輪機(jī)技術(shù)手冊 ?中國電力出版社 ?趙常興主編

[3]GB-10865-1989高壓加熱器技術(shù)條件