660 MW 直接空冷機組凝結(jié)水回水管道振動原因分析及處理

張法科

（晉控電力同華發(fā)電有限公司，山西忻州 034114）

0 引言

火電廠凝結(jié)水管道、給水管道、蒸汽管道等汽水管道是連接主輔設(shè)備的重要承壓部件，對機組的安全穩(wěn)定運行至關(guān)重要。在運行過程中，如果汽水管道發(fā)生異常振動，將可能導致管道和設(shè)備的連接部位疲勞損傷，嚴重時造成斷裂泄漏，嚴重威脅機組的安全運行和人員的生命安全。某2×660 MW 直接空冷機組空冷島凝結(jié)水回水管道系統(tǒng)，周期性大幅度振動，對機組穩(wěn)定運行產(chǎn)生了很大的安全隱患。本文通過數(shù)學建模計算分析，與現(xiàn)場實地勘察情況相結(jié)合，給出了消除管道系統(tǒng)振動的治理方案，為同類型機組汽水管道消除振動故障提供參考。

1 設(shè)備概況

某2×660 MW 直接空冷燃煤機組，汽輪機為哈爾濱汽輪機有限公司生產(chǎn)的超臨界、一次中間再熱、兩缸兩排汽、直接空冷凝汽式汽輪機，型號為CLNZK660/24.2/566/566。每臺機組的直接空冷散熱單元按照7 排×7 列的方式布置，汽輪機排汽設(shè)置1根主排汽管道，通過分支管道將蒸汽送入空冷散熱凝汽器，冷凝后的凝結(jié)水靠重力自流輸送至汽輪機的排汽裝置。汽機側(cè)設(shè)凝結(jié)水收集母管，第1、2、6、7排裝設(shè)蝶閥的空冷凝汽器設(shè)有各自單獨的凝結(jié)水管道，這些凝結(jié)水管道在接入母管前通過水封相互隔離，第3、4、5 排空冷凝汽器的凝結(jié)水管道將在空冷平臺范圍內(nèi)先合并成1 根匯集總管然后接入母管，所有凝結(jié)水管道上均不設(shè)閥門。

空冷凝結(jié)水系統(tǒng)的布置方式為每臺機組由4 根d273 mm 和1 根d530 mm 的回水管道從空冷島引至布置在汽機房運行層13.7 m 標高的回水聯(lián)箱，該聯(lián)箱由直徑d820 mm 的筒體組成起到水封作用。再通過2 根d529 mm 管道將聯(lián)箱與排汽裝置相連，使空冷島上的凝結(jié)水順利排至排汽裝置底部的凝結(jié)水箱。凝結(jié)水管道系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 空冷凝結(jié)水回水管道系統(tǒng)圖（mm）

2 空冷凝結(jié)水回水管道振動現(xiàn)象及原因分析

機組正常運行期間，位于汽機房內(nèi)的回水聯(lián)箱至排汽裝置的2 根DN500 mm 空冷凝結(jié)水回水管道存在明顯的周期性振動，特別是從9.4 m 標高至4.6 m 標高之間的管道振動最為明顯，肉眼可觀察到管道的最大振動幅值約20 mm，且振動幅值隨著機組負荷的增加而加劇，管道的持續(xù)性振動對機組的穩(wěn)定運行造成極大的安全隱患。

根據(jù)管道振動理論分析，管道、支吊架以及管路上的各種設(shè)備構(gòu)成一個復雜的機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，汽水管道內(nèi)部介質(zhì)流動通過轉(zhuǎn)彎或截面變形處壓力脈動產(chǎn)生的不平衡激振力造成管道系統(tǒng)的機械振動現(xiàn)象[1]。管道系統(tǒng)的固有頻率低、輸送介質(zhì)的壓力脈動、兩相介質(zhì)紊流、流動過程中相變等多種因素均會引發(fā)汽水管道的穩(wěn)態(tài)振動和瞬態(tài)振動[2]。

經(jīng)分析，位于汽機房內(nèi)的2 根DN500 mm 的空冷凝結(jié)水回水管道，從最高標高16 m 至最低標高1.1 m 的總落差14.9 m 的范圍內(nèi)，每根管道在標高13.70 m 平臺處設(shè)置滑動支架1 個，然后經(jīng)過多處變彎逐步下降的過程中設(shè)置單拉桿剛性吊架6 個。整個管道系統(tǒng)采用多吊架的柔性設(shè)計，雖能保證管道具有良好的熱脹補償性能，但造成整個管道系統(tǒng)的一階固有頻率較低，抗振性能下降。另外，空冷凝結(jié)水的回水流量具有不穩(wěn)定的特點，并隨著機組負荷的增減而顯著變化，管道下降過程中經(jīng)過多處變彎，進而引發(fā)整個管道系統(tǒng)的周期性振動。

3 建模計算分析及改造方案

管道振動處理的目的是對管道系統(tǒng)施加較合適的約束以調(diào)整其機械機構(gòu)的固有頻率，使之不與激振力頻率重合。通常的做法是將管道系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)固有頻率改變遠離激發(fā)主頻率若干倍以上，以控制管道振幅和動應(yīng)力在合理范圍內(nèi)。

根據(jù)美國機械工程師學會壓力管道委員會制定的《ASME B31.1—2004 動力管道》規(guī)范對管道系統(tǒng)的應(yīng)力進行校核，利用國際通用的CAESARⅡ管道應(yīng)力分析軟件建模，對凝結(jié)水管道系統(tǒng)進行整體受力分析、詳細計算，驗證管道系統(tǒng)在地震、溫度、壓力、真空等荷載作用下管道系統(tǒng)是否都能滿足剛度、強度、位移以及接口允許推力、推力矩要求。計算基本參數(shù)如下：管道規(guī)格d529×10 mm；管道材質(zhì)為無縫鋼管（20 號）；支吊架材質(zhì)為Q235A；設(shè)計壓力為全真空/0.05 MPa；設(shè)計溫度為100 ℃；地震荷載為水平地震加速度0.20g，反映頻譜特征周期。

采用CAESARⅡ軟件，分別分析了以下3 種模型的情況：模型1——原管道系統(tǒng)；模型2——將2 根DN500 mm 凝結(jié)水管道13.7 m 處的立管滑動支架改為固定支架；模型3——在汽機房6.9 m 平臺處的凝結(jié)水立管上增加固定支架。

基于以上3 種方案模型對整個管道系統(tǒng)的應(yīng)力校核計算結(jié)果表明：管道系統(tǒng)最大一次應(yīng)力和二次最大應(yīng)力、接口推力和推力矩等，均能滿足管道安全運行的要求，管道系統(tǒng)靜態(tài)應(yīng)力合格。管道系統(tǒng)動態(tài)計算結(jié)果如表1 所示。

表1 管道系統(tǒng)動態(tài)計算結(jié)果

分析表1 動態(tài)計算結(jié)果可知：從頻率看，模型3的一階頻率最小，模型2 在二階和三階頻率最小。頻率的大小表征振動內(nèi)部自激振源產(chǎn)生速度的大小，頻率越小，則顯示內(nèi)部自激產(chǎn)生速度越小，對管道系統(tǒng)穩(wěn)定越有利。從3 個方案計算分析結(jié)果看，模型3頻率有低于另外2 個模型的趨勢。

依據(jù)《火力發(fā)電廠汽水管道設(shè)計規(guī)范》DL/T 5054—2016 的要求，管道的一階固有頻率應(yīng)大于3.5 Hz，即單跨管道按簡支梁計算，其最大撓度值不應(yīng)大于2.62 mm。模型3 分析計算結(jié)果一階頻率為3.64 Hz，大于設(shè)計規(guī)范規(guī)定的3.5 Hz 要求，即滿足設(shè)計規(guī)范要求。

從振幅和周期看，振幅反映的是振動的幅度大小，周期反映的是一次振動所經(jīng)歷的時間長短。由此可知，振幅越小，周期就越小，對管道系統(tǒng)就越有利。模型3 的方案振幅和周期均最小，對管道的穩(wěn)定性最有利。

根據(jù)建模計算結(jié)果，從受力的角度分析，模型3的改造方案對消除管道振動最為有利。進一步對模型3 新增的固定支點受力計算，計算結(jié)果如表2 所示，結(jié)合現(xiàn)場土建勘察結(jié)果，汽機房6.9 m 平臺土建結(jié)構(gòu)完全可以滿足新增固定支架的受力要求，即《火力發(fā)電廠汽水管道振動控制導則》DL/T 292—2011所規(guī)定的要求。

表2 模型3 方案新增的固定支點載荷計算結(jié)果

4 管道系統(tǒng)振動治理及效果

按照建模計算分析結(jié)果，對凝結(jié)水回水管道進行振動治理。具體方法如下：在汽機房6.9 m 平臺的空冷凝結(jié)水回水管道上新增設(shè)固定支座，每臺機組增設(shè)2 套DN500 mm 的耳式支座。耳式支座的管部生根在DN500 mm 的凝結(jié)水回水管道上，支座根部生根在汽機房的6.9 m 底板上，在汽機房6.9 m 平臺埋設(shè)地腳螺栓及增設(shè)支撐鋼板。經(jīng)過改造施工后，整個管道系統(tǒng)振動顯著降低，已無肉眼可觀察到的振幅，且在不同的機組負荷和變工況下振幅已無明顯變化，機組運行的可靠性和安全性得到大幅提升[3-4]。

5 結(jié)束語

通過CAERSRⅡ管道應(yīng)力分析軟件的靜態(tài)和動態(tài)計算結(jié)果，結(jié)合現(xiàn)場實地勘察情況，綜合分析得出空冷凝結(jié)水回水管道周期性振動的原因為整個管道系統(tǒng)的一階固有頻率較低，柔性過大，抗振性能較差，在管道內(nèi)介質(zhì)紊流的激振作用下最終引發(fā)管道系統(tǒng)周期性振動。根據(jù)分析結(jié)果，采取在6.9 m 平臺豎直管段上新增固定支點的消振措施，此措施改變了管道系統(tǒng)受力約束，徹底解決了凝結(jié)水回水管道的振動問題。