凝結(jié)水再循環(huán)系統(tǒng)振動試驗及研究

趙國欽

(廣東粵電靖海發(fā)電有限公司，廣東 揭陽 515223)

在發(fā)電廠凝結(jié)水系統(tǒng)中，為減弱凝結(jié)水泵運行低流量時的汽蝕，系統(tǒng)設(shè)置再循環(huán)調(diào)節(jié)閥，以增加凝結(jié)水泵的流量。在凝結(jié)水泵再循環(huán)調(diào)節(jié)閥開啟時，調(diào)節(jié)閥及閥后部位的管道內(nèi)會有強烈的振動和噪音?，F(xiàn)場處理時多通過管道加固、加裝節(jié)流孔等不同的方式，振動問題仍然沒有從根本上解決[1-4]。結(jié)合凝結(jié)水再循環(huán)系統(tǒng)的多種試驗和流動特性分析，提出解決凝結(jié)水再循環(huán)系統(tǒng)振動和噪音簡便、有效的方法。

1 設(shè)備概況

以某臺超超臨界1000 MW機組為例。凝結(jié)水工作溫度為37 ℃、飽和壓力為6.274 kPa，再循環(huán)調(diào)節(jié)閥的安裝位置比再循環(huán)管與凝汽器接口低3.5 m。再循環(huán)調(diào)節(jié)閥的型式為單閥座、3級減壓籠罩式結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)的主要參數(shù)見表1。

在凝汽器內(nèi)常壓、負壓時，再循環(huán)調(diào)節(jié)閥打開均會出現(xiàn)強烈的振動和噪音，振源和音源的位置在調(diào)節(jié)閥及調(diào)節(jié)閥后的管路上，且以調(diào)節(jié)閥后擴壓管部位的振幅和噪音最大。調(diào)節(jié)閥的開度越大，振動的振幅和噪聲強度越大，與調(diào)節(jié)閥后凝汽器內(nèi)的壓力狀況無系。在調(diào)節(jié)閥達到全開時，現(xiàn)場測量距離調(diào)節(jié)閥1 m以內(nèi)的噪音達到102 dB以上，閥門本體振動的通頻振動振幅>0.30 mm、閥后管道通頻振動振幅>0.57 mm。

表1 凝結(jié)水再循環(huán)系統(tǒng)主要設(shè)計參數(shù)

2 振動和噪音分析

在凝結(jié)水再循環(huán)系統(tǒng)中，再循環(huán)調(diào)節(jié)閥及其前后流體的流動狀態(tài)多變，按照區(qū)域可以分為調(diào)節(jié)閥前、調(diào)節(jié)閥內(nèi)、調(diào)節(jié)閥后3個區(qū)域，凝結(jié)水在每個區(qū)域的流動狀態(tài)差別很大，需要對各個階段的流動狀態(tài)進行分析。

2.1 調(diào)節(jié)閥前

在再循環(huán)調(diào)節(jié)閥前，凝結(jié)水在管道內(nèi)的流動平穩(wěn)，管道的內(nèi)徑較大，流速較低。再循環(huán)調(diào)節(jié)閥的口徑小于管道內(nèi)徑，其前與管道連接部位設(shè)置漸縮短管與調(diào)節(jié)閥相連。

在此過程，凝結(jié)水的流通通徑由350 mm減至200 mm，在漸縮短管內(nèi)凝結(jié)水形成一個加速過程，流速由1.38 m/s增至4.25 m/s，相應(yīng)的凝結(jié)水動壓力由2.5 MPa降至2.492 MPa。此時凝結(jié)水的流動狀態(tài)穩(wěn)定，動壓力高于汽化壓力，在漸縮短管內(nèi)不會發(fā)生汽蝕、渦流等問題，也不會產(chǎn)生較大的振動問題。

2.2 調(diào)節(jié)閥內(nèi)

再循環(huán)調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)為單閥座、三級減壓籠罩式，流動方向為低進高出式。凝結(jié)水經(jīng)過調(diào)節(jié)閥內(nèi)各組件流出時需要經(jīng)過幾個階段的流體狀態(tài)變化如下。

a.調(diào)節(jié)閥前過程

調(diào)節(jié)閥前有一段漸縮短管，直管段進入漸縮短管的流動是流速增加的過程，凝結(jié)水在短管內(nèi)靜壓降低、動壓升高，但由于壓力很高，此狀態(tài)靜壓遠遠高于汽化壓力，不會發(fā)生閃蒸。漸縮短管后與閥座的口徑相同，在該階段水不會發(fā)生流動狀態(tài)突變，狀態(tài)比較穩(wěn)定，無兩相流存在。

b.自閥芯、閥座流經(jīng)減壓閥籠過程

凝結(jié)水自調(diào)節(jié)閥閥座向閥籠流動時，流通直徑由200 mm突減至100 mm；在調(diào)節(jié)閥閥籠第1級減壓籠罩內(nèi)，由于減壓籠罩前后壓差增大，凝結(jié)水的流速由4.25 m/s突增至16.98 m/s，水在減壓籠罩內(nèi)的壓力由2.5 MPa降至2.356 MPa。在總壓不變的情況下，流體的靜壓降低。

水從第1級減壓籠罩內(nèi)流出進入第2、3級減壓籠罩內(nèi)，由于減壓籠罩內(nèi)減壓孔徑增大，較高壓力的凝結(jié)水經(jīng)過各級減壓節(jié)流孔時其動壓力會出現(xiàn)逐級降低。第3級減壓籠罩減壓孔通流面積為第1級減壓籠罩減壓孔通流面積的4倍，理論上相同流量的水經(jīng)過第3級減壓籠罩時在閥籠出口的流速降至4.25 m/s。此時第3級減壓籠罩減壓孔后水動壓力會略低于設(shè)計壓力0.2 MPa，達到0.191 MPa。

圖1 調(diào)節(jié)閥減壓孔內(nèi)流動示意圖

實際上由于減壓閥籠屬于3級套裝重疊布置，減壓孔之間采用孔中心錯位布置，見圖1。出口的核心區(qū)域(A區(qū)域)流速為16.98 m/s，形成射流狀態(tài)，流速沿射流中心向周邊區(qū)域快速遞減，在減壓閥籠的出口部位產(chǎn)生劇烈的靜壓恢復，被汽化的汽泡在靜壓回升后破裂，產(chǎn)生強烈的汽蝕。

2.3 調(diào)節(jié)閥后

凝結(jié)水自調(diào)節(jié)閥籠罩流出后，其流速為4.25 m/s、動壓力為0.191 MPa，經(jīng)過與調(diào)節(jié)閥相連的DN200×350 mm漸擴短管后進入主管道內(nèi)。凝結(jié)水自調(diào)節(jié)閥后進入漸擴短管的過程中，仍然存在局部高速水流降速的過程，在漸擴短管中繼續(xù)發(fā)生降壓汽化、壓力恢復，漸擴短管中依然存在汽蝕。

凝結(jié)水流經(jīng)漸擴短管過程中，由于短管長度小，調(diào)節(jié)閥后的管路元件結(jié)構(gòu)與突擴管相同，在主管內(nèi)的中心區(qū)域形成一股射流區(qū)域，射流區(qū)域的周圍至短管內(nèi)壁區(qū)域會出現(xiàn)流體分離現(xiàn)象，紊流的邊界層分離而產(chǎn)生渦流，渦流的周期性釋放，在管道內(nèi)壁上產(chǎn)生周期性擾動，見圖2。調(diào)節(jié)閥后的漸擴短管中汽蝕與渦流同時存在，表現(xiàn)為在漸擴短管周邊設(shè)備中發(fā)出類似于高頻金屬撞擊聲。距離漸擴短管越遠則振動振幅和噪聲越小。

圖2 漸擴短管及其后流動示意圖

3 解決振動和噪音試驗

3.1 增加再循環(huán)流量

再循環(huán)調(diào)節(jié)閥前、后設(shè)置閘閥，閘閥通徑與管道內(nèi)徑相同。當利用再循環(huán)調(diào)節(jié)閥旁路運行來增加再循環(huán)流量，旁路的振動振幅和噪音會略小于調(diào)節(jié)閥后的振幅和噪音，但整體的振動和噪音沒有改善。

3.2 增加調(diào)節(jié)閥后漸擴噴管長度

調(diào)節(jié)閥后漸擴噴管的尺寸為DN350×200 mm、長度為330 mm，試驗時將漸擴短管長度改為500 mm。運行凝結(jié)水再循環(huán)系統(tǒng)時調(diào)節(jié)閥后漸擴噴管的振動振幅由原的0.57 mm降至0.40 mm，但噪聲沒有明顯改善。而此時可明顯發(fā)現(xiàn)，在調(diào)節(jié)閥及出口漸擴噴管區(qū)域的振動和噪音最為明顯，尤其在噴管的入口區(qū)域。試驗充分驗證了凝結(jié)水再循環(huán)系統(tǒng)的振動和噪音源主要集中在調(diào)節(jié)閥及閥后緊鄰的噴管上。

3.3 調(diào)節(jié)閥后加裝節(jié)流孔板[5-7]

在距離調(diào)節(jié)閥1.5 m位置的管道上加裝孔徑為150 mm節(jié)流孔，節(jié)流孔前后壓差為0.08 MPa。此時調(diào)節(jié)閥后流體的壓力P2高于節(jié)流孔后管道內(nèi)壓力，且高于凝結(jié)水汽化壓力Pv，調(diào)節(jié)閥的空化系數(shù)Ci增大，空化系數(shù)Ci越大，減壓閥籠出口部位發(fā)生汽蝕的劇烈程度越小，見式(1)。

(1)

式中：Ci為空化系數(shù)；P2為流體的恢復壓力，Pa；Pv為流體的汽化壓力，Pa；ρ為流體的密度，kg/ m3；v0為限流區(qū)域的平均流速,m/s。

從現(xiàn)場實際試驗驗證：調(diào)節(jié)閥后加裝節(jié)流孔后，調(diào)節(jié)閥、閥后漸擴短管、節(jié)流孔前管道的振動振幅明顯降低，噪音基本消失，調(diào)節(jié)閥前后部位振動振幅由原來的0.57 mm降至0.06～0.08 mm。但節(jié)流孔后的管道振動明顯增加，達到0.40 mm，噪音也集中在此處。

3.4 調(diào)節(jié)閥更換為平衡式多級減壓結(jié)構(gòu)

試驗時選擇具有多級(13級)盤片減壓結(jié)構(gòu)平衡式調(diào)節(jié)閥，該結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)閥能夠?qū)崿F(xiàn)凝結(jié)水的充分減壓、出口梳流作用。調(diào)節(jié)閥改型后，漸擴短管和調(diào)節(jié)閥本體的振動振幅和噪音得到極大改善，振幅降至0.10 mm以內(nèi)，噪音降至85 dB以內(nèi)。

3.5 調(diào)節(jié)閥后加裝孔網(wǎng)式流動整直裝置

參考多級盤片迷宮式減壓結(jié)構(gòu)平衡式調(diào)節(jié)閥的梳流方式，試驗時設(shè)計一種孔板、絲網(wǎng)結(jié)合的簡易流動整直裝置，提高調(diào)節(jié)閥后壓力，減少調(diào)節(jié)閥后的渦流。流動整直裝置由1個多孔節(jié)流孔板、2層20目絲網(wǎng)、1層5目絲網(wǎng)、1個均布多孔固定板疊加壓裝在一起，見圖3。安裝在距離調(diào)節(jié)閥出口1.5 mm的管道上。

圖3 孔網(wǎng)式流動整直裝置元件示意圖

現(xiàn)場加裝流動整直裝置后，調(diào)節(jié)閥、漸擴噴管及其后管道的振動振幅降至0.06 mm以下；流動整直裝置及其后管道的振動振幅<0.08 mm，噪音降至85 dB以內(nèi)。

4 孔網(wǎng)式流動整直裝置工作機理

孔網(wǎng)式流動整直裝置相對于價格高昂的調(diào)節(jié)閥而言，是一種低成本、簡易、有效的處理方式。凝結(jié)水經(jīng)過該裝置時依次經(jīng)過節(jié)流多孔板、多層絲網(wǎng)、固定多孔板，凝結(jié)水每經(jīng)過一個組件時均被降壓、整直，最終形成相對穩(wěn)定的流動狀態(tài)[8]?？拙W(wǎng)式流動整直裝置前流體狀態(tài)的改變主要包括調(diào)節(jié)閥閥后部分和流動整直裝置后直管段部分。

4.1 調(diào)節(jié)閥閥后部分

調(diào)節(jié)閥閥后的變化主要為閥后凝結(jié)水恢復壓力提高。調(diào)節(jié)閥閥后安裝的流動整直裝置包括節(jié)流多孔板、絲網(wǎng)、固定多孔板，三者組合后的當量孔徑為DN150 mm，與節(jié)流孔的原理完全相同。將裝置前的壓力提高0.08 MPa，即將調(diào)節(jié)閥后的流體壓力提高0.08 MPa，高于凝結(jié)水的汽化壓力，調(diào)節(jié)閥后的空化系數(shù)提高，降低汽蝕劇烈程度。

此時調(diào)節(jié)閥后的突擴管結(jié)構(gòu)未發(fā)生變化，突擴管和直管段中的渦流體仍然存在。雖然該部分渦流體在區(qū)域壓力有所提高導致壓力梯度有所降低，由于凝結(jié)水的不可壓縮性，凝結(jié)水渦旋強度并未發(fā)生變化。單獨由管內(nèi)渦流產(chǎn)生的周期性擾動不足以引起管道共振。

4.2 流動整直裝置后直管段部分

凝結(jié)水經(jīng)過調(diào)節(jié)閥進入直管段后，進入流動整直裝置，凝結(jié)水的流動狀態(tài)發(fā)生了多種變化。

a.局部出現(xiàn)層流

水在調(diào)節(jié)閥后直管段內(nèi)平均雷諾數(shù)為6.83×105，低于調(diào)節(jié)閥出口部位平均雷諾數(shù)1.19×106，2種流動狀態(tài)均為紊流，但有較多渦流區(qū)。水流經(jīng)絲網(wǎng)時，絲網(wǎng)的絲徑0.4 mm、孔徑0.83 mm×0.83 mm，絲網(wǎng)每個網(wǎng)孔的前后壓差為0.08 MPa。通過絲網(wǎng)網(wǎng)孔的水流速由1.386 m/s升至7.54 m/s，網(wǎng)孔中的平均雷諾數(shù)接近2.196×103，基本達到臨界雷諾數(shù)2300，水在管道內(nèi)部的局部區(qū)域出現(xiàn)層流。水流出絲網(wǎng)后，整體流動狀態(tài)再次變?yōu)槲闪鳌?/p>

b.漩渦破碎

絲網(wǎng)絲線直徑為0.4 mm，相鄰2條絲線中心間距為1.23 mm，絲線邊緣最小間距為0.83 mm。調(diào)節(jié)閥后管道中并不是穩(wěn)態(tài)的紊流流動，而是從調(diào)節(jié)閥后流出的水呈現(xiàn)為整體沿管道中心線夾雜著大量不規(guī)則的漩渦流動。在水流經(jīng)絲網(wǎng)時，絲網(wǎng)網(wǎng)孔很小，固體邊界的阻擋使漩渦的切向速度減小，網(wǎng)孔將較大的漩渦進行切割，分解為更小的漩渦。多層分布的絲網(wǎng)將流體中的漩渦進行多次分割、變小，絲網(wǎng)后的流動就趨近于穩(wěn)態(tài)流動。

絲線截面為圓柱形，靠近絲線的凝結(jié)水在流經(jīng)絲線的表層時，凝結(jié)水發(fā)生繞圓柱流動，在絲線B、B′后發(fā)生流體分離，其后方開始出現(xiàn)漩渦、回流，對絲線產(chǎn)生周期性擾動，見圖4。由于絲線的韌性良好，振動傳遞至裝置支撐部位時已經(jīng)減弱；絲網(wǎng)的絲線垂直交叉編制將絲線分割為多個小段，不同方向的擾動呈現(xiàn)不規(guī)則性，絲網(wǎng)內(nèi)部相鄰網(wǎng)孔的擾動互相干涉、抵消，傳遞到支撐部位的擾動會更小。

圖4 凝結(jié)水流經(jīng)網(wǎng)孔流線示意圖

c.汽蝕減弱降至1.386 m/s。流體的壓力在經(jīng)過降壓后，在絲線側(cè)面發(fā)生汽蝕。由于網(wǎng)孔出口平均流速低于調(diào)節(jié)閥出口平均流速，凝結(jié)水此時的壓力比調(diào)節(jié)閥后的壓力高，則流體壓力和汽化壓力之差升高。此時空化系數(shù)Ci增大，發(fā)生在該部位的汽蝕劇烈程度也就有所降低。

在凝結(jié)水由D、D′流經(jīng)A、A′時流速逐漸增加，在A—A′達到最大，靜壓降低至最??；向后流速逐漸降低，在分離點B、B′流速達到最小，靜壓達到最大；在B、B′以后由于流體分離，出現(xiàn)渦流。凝結(jié)水在A—B、A′—B′區(qū)域平均流速由7.54 m/s降至5.09 m/s，在流出絲網(wǎng)后的管道內(nèi)平均流速

當汽蝕發(fā)生在絲網(wǎng)的絲線上時，對絲線金屬表面產(chǎn)生沖擊，造成絲線表面汽蝕沖擊和振動，絲線需要選擇表面強度好的材質(zhì)，避免對其表面產(chǎn)生較大破壞。

5 結(jié)束語

在發(fā)電廠凝結(jié)水泵再循環(huán)調(diào)節(jié)閥的振動處理上，采用簡易的在調(diào)節(jié)閥后安裝孔網(wǎng)式流動整直裝置的方式，充分利用孔網(wǎng)式結(jié)構(gòu)中絲網(wǎng)的多孔梳流、絲線韌性良好的特性，解決調(diào)節(jié)閥后由于汽蝕、渦流等問題引起的振動及噪音問題。