1 000 MW汽輪發電機組凝結水管道振動原因分析與處理

王樹帥，唐璐

（1.神華國華浙江浙能發電有限公司，浙江寧波315612；2.蘇州熱工研究院有限公司，江蘇蘇州215004）

發電技術

1 000 MW汽輪發電機組凝結水管道振動原因分析與處理

王樹帥1，唐璐2

（1.神華國華浙江浙能發電有限公司，浙江寧波315612；2.蘇州熱工研究院有限公司，江蘇蘇州215004）

分析了神華國華寧海發電有限公司1 000 MW汽輪機組投產后存在的凝結水管道振動大的原因，通過對凝結水主調節閥閥芯結構的改造及凝結水管道支吊架的修復、加固等技術措施，有效解決了凝結水管道振動問題，消除了凝結水系統運行中的安全隱患。

凝結水管道；振動；閥芯；支吊架

0 引言

凝結水系統是火力發電廠中一個重要的系統，通過凝結水泵將凝汽器熱井中的凝結水升壓，進入化學精處理，再通過除氧器水位調節閥減壓及流量調節后進入低壓加熱器（簡稱低加），經過加熱后的凝結水最終流入除氧器，成為給水的來源。其簡要流程見圖1。

神華國華寧海發電廠二期1 000 MW機組凝結水系統主要由3臺50%額定容量的凝結水泵、化學精處理系統、軸封加熱器、4臺低加、除氧器水位調節閥等設備構成，每個設備之間通過凝結水管道相連。凝結水系統具有結構緊湊、管道密集、分布范圍廣的特點，分布范圍從汽機房0 m延伸到除氧器層的33 m。在凝結水管道受到應力較大的位置及管道剛性較差的位置加裝了支吊架以防止凝結水管道振動，運行中通過調整除氧器水位調節閥的開度控制凝結水流量。

機組自投產以來就存在凝結水管系振動劇烈的問題，導致凝結水至低旁減溫水管道支管連接焊縫多次開裂泄漏，現場多次進行帶壓堵漏，嚴重影響了機組安全穩定運行。因此，有必要對凝結水管道振動的原因進行分析并提出切實有效的處理措施。

圖1 凝結水系統

1 凝結水管道的振動原因分析

1.1 凝結水管道的振動

凝結水管道布置如圖2所示，振動的總體特征是低頻率大幅度。振動劇烈的管道主要有精處理出口至軸封加熱器管道，疏水冷卻器出口至8號低加進口管道，凝結水疏水冷卻器旁路（即圖2中15號至24號支吊架所在管道），6號低加入口管道。管道擺動最大處位于18號和19號支吊架之間的彎頭處，擺動幅度近80 mm。圖3顯示現場為了減小管道劇烈擺動，利用倒鏈和繩索對管道進行的臨時加固處理。

圖2 凝結水振動管道所在關系位置

圖3 利用倒鏈和繩索對管道臨時加固

1.2 凝結水管道振動原因分析

通過現場觀察凝結水管道振動的現象，并結合凝結水系統各運行參數變化曲線及特點進行分析，認為凝結水管道劇烈振動主要有兩個方面的原因。

（1）機組凝結水系統中凝結水流量及壓力調節通過除氧器水位調節實現，除氧器水位調節閥由美國C-V公司設計生產，采用普通單級窗口式閥籠，結構簡單，并不具備能夠有效節流降噪的功能。機組剛投產時，除氧器水位調節閥閥位劇烈波動，引起凝結水流量及壓力變化，對凝結水管道沖擊力較大且管道受力變化較大，凝結水管道劇烈振動。經過現場觀察與分析，凝結水管道振動的振動源來自調節閥的節流組件上，若振動源不消除，工質對凝結水管道的沖擊將持續存在，長此以往將加劇凝結水管道的振動，形成較大的安全隱患。同時由于凝結水對管道的沖擊作用，使汽機房內噪音水平嚴重超標，不利于現場檢修作業及設備巡檢工作。通過以上分析可以判斷除氧器水位調節閥閥芯結構不夠合理是引起凝結水管道振動的主要原因。

（2）凝結水管道支吊架設計安裝存在缺陷，由于管道支吊架設計時只進行了靜力計算，沒有考慮管道動態特性，部分位置支撐力不夠。凝結水管道設計中除要求滿足強度條件，還應滿足一定的剛度條件?；鹆Πl電廠汽水管道設計技術規定[1]中要求管道的固有頻率大于3.5 Hz。雖然凝結水管道介質流速較低，引起的激振頻率較低，但凝結水管道較長、彎頭較多、柔性較大，管道內的水流容易在彎頭處產生交變的激振力，從而誘發管道振動。綜上所述，支吊架設計不合理或管道剛度不夠導致管道自振頻率較低時，管道容易產生共振。

凝結水管道大多采用剛性吊架懸吊方式，這種支吊架約束管道垂直方向的運動，對管道水平方向運動幾乎無約束作用。管道設計時整個管系中無限位裝置和約束裝置，管道剛度小。如果管道的固有頻率過低，管道柔性過大，即使不在激振頻率區域，管道在激振力的作用下仍有可能產生劇烈振動。

現場支吊架檢查發現，有個別支吊架未安裝，或者已失效：精處理出口2號固定支架未安裝，導致凝結水精處理出口管道穩定性不夠；軸封加熱器進口管道8號、9號和11號滑動支架脫空，未承載；17號生根于柱側的滑動支架根部斷裂，支架失效；疏水冷卻器進口管道14a號剛性吊架斷裂失載。以上管道支吊架的缺失和失效，降低了管道的穩定性，加劇了管道振動。

2 管道振動處理方案

通過分析凝結水管道振動的原因，將凝結水管道振動治理的過程分為2個步驟，即對除氧器水位調節閥的改造和凝結水管道支吊架的補充及進一步完善。

2.1 除氧器水位調節閥的改造

在凝結水系統中，調節系統流量的除氧器水位調節閥工況最為惡劣，入口壓力為3.0～3.5 MPa，出口壓力為1.0～1.8 MPa，在調節閥閥內及閥后均容易發生嚴重氣蝕情況?？刂茪馕g的方法主要有控制壓力降（使局部壓力不低于蒸汽壓力，可避免形成汽泡和產生汽蝕）、限制閥內流速、增強閥內件表面硬度等。

在閥門結構中，單級壓降容易使閥內壓力低于飽和溫度對應的飽和壓力，也就是發生汽蝕的臨界壓力，低于這個壓力就會發生汽蝕，而多級壓降能更好控制閥內壓力并使閥內壓力高于飽和壓力，有效地避免閥體內部產生汽蝕。在閥芯結構改造過程中根據閥體空間的大小，決定采用兩級結構，使水通過兩層減壓籠套能夠有效地解決閃蒸問題，減少閥門閥位的擺動及流量波動，最終消除管道振動，降低噪音。改造后的閥芯結構見圖4。

圖4 改造后的除氧器上水調節閥閥芯結構

介質由箭頭處流入，流向是上進下出。閥門打開時，介質通過閥籠外層小孔，這是第1級節流降壓；經過1個擴容孔及籠罩第2層，這是第2級節流降壓；然后再經過消音罩流出，這樣就會顯著降低噪音。根據經驗直徑為Φ3 mm的小孔消音效果最好，但是這么小的孔在運行過程中非常容易堵塞。所以均衡考慮選擇Φ5 mm的小孔，小孔總面積大于閥座流通面積的1.3倍，這樣消音罩就不會引起節流降壓，而只是起到消音降噪的作用，同時，這個消音罩也防止介質對閥體的沖蝕，起到保護閥體的作用。

由于此次改造不更換氣動執行器，所以閥芯尺寸不變，這樣改造前后閥門開啟和關閉所需的力保持不變，保證改造后閥門能和原有的氣動執行機構相匹配，在工作狀態下可以開關自如。更換新的閥門閥芯后，閥門開度100%時，通過調節閥的流量為2 982 t/h，能滿足機組運行的特殊工況（如鍋爐最大出力工況時發生機組負荷快速切回）下的設計流量要求。

2.2 凝結水管道支吊架的改造及補充

凝結水管道是一個復雜的連續彈性體，其振動問題可視為具有有限多個質點的多自由度振動系統[1]。對于n質量無阻尼系統，其頻率方程為：

式中：K為剛度矩陣；M為質量矩陣；ω為各階固有頻率。

由式（1）可得，多自由度系統的固有頻率與其質量矩陣和剛度矩陣有關。凝結水管道已無法改變其布置，故管道質量無法改變。因此，在保證管道應力合格的前提下，可通過支吊架的合理布置，增設限位裝置以增加管道剛度，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，從而減小管道的振動[2]。

針對現場管道振動情況，采取以下幾種處理措施：

（1）在精處理出口管道上加裝遺漏的2號固定支架；

（2）待機組停機時，墊實軸封加熱器進口管道8號、9號和11號脫空的滑動支架；

（3）修復失效的17號滑動支架和斷裂的14a剛性吊架，使之承載；

（4）設計如圖5所示的限位支架，有效地限制管道軸向和徑向的振動。在圖2所示的15A，18A，19A，28A，33A，36A處加裝該類型的限位支架；

（5）在圖2所示的20A，22A，26A，38A，42A處加裝限位拉撐桿。

圖5 凝結水管道限位支架

凝結水管道支吊架改造和加固前后，主要管段一階固有頻率變化情況如表1所示。由表1數據可見，凝結水管道整改后的一階固有頻率有了顯著提高，從而避開了相對低階激振力的響應，能有效地降低管道的振動。

表1 凝結水管道加固前后一階固有頻率Hz

3 治理后的成效

機組除氧器水位調節閥更換新閥芯后，消除了閥門原來存在的閥位劇烈擺動的缺陷，當除氧器上水量恒定時，除氧器水位調節閥閥位基本保持穩定，閥位反饋波動值在2%范圍以內。由于閥芯結構中增加了二級節流小孔及具備降噪作用的消音罩，使凝結水對于管道的沖擊作用明顯降低，凝結水管道的振動及汽機房內的噪音水平得到顯著改善，除部分支吊架不穩固的區域外，凝結水管道整體振動值較小，均在規定值范圍內。

對凝結水管道多處支吊架進行整改和加固后進一步減小了凝結水管道的振動，振動幅度明顯減小，最大幅度小于2 mm，凝結水管系振動的問題得到了根本的解決。

[1]DL/T 5054-1996火力發電廠汽水管道設計技術規定[S].北京：中國電力出版社出版，1996.

[2]張廣成.電站高溫高壓蒸汽大管道振動治理[J].振動工程學報，2004，17（2）∶1131-1133.

（本文編輯：陸瑩）

Cause Analysis and Treatment on Vibration of Condensate Pipe of 1 000 MW Steam Turbine Generating Units

WANG Shushuai1，TANG Lu2
（1.Shenhua Guohua Zhejiang Energy Power Co.，Ltd.，Ningbo Zhejiang 315612，China；2.Suzhou Nuclear Power Research Institute Co.，Ltd.，Suzhou Jiangsu 215004，China）

The paper analyzes cause for excessive vibration of condensate pipe of 1 000 MW steam turbine generating units of Shenhua Guohua Ninghai Power Generating Co.，Ltd.，by reconstruction of valve core of main condensate regulating valve，restoration and reinforcement of hangers of condensate pipes,the vibration of condensate pipes is effectively solved and potential hazards in operation of condensate system are eliminated.

condensate pipe；vibration；valve core；hangers

TK264.1

：B

：1007-1881（2014）01-0030-04

2013-06-09

王樹帥（1984-），男，河北唐山人，助理工程師，從事汽輪機設備點檢工作。