基于阻尼減振技術的熱電廠減溫減壓器管道研究*

胡 朋，何立東，張震坤，呂成龍

(北京化工大學化工安全教育部工程研究中心，北京100029)

0 引 言

減溫減壓器是用來調節蒸汽壓力、溫度，以及降低高壓、高速蒸汽所產生劇烈振動與噪聲的重要裝置，廣泛應用于工業生產中，是蒸汽排放系統穩定運行的關鍵［1-2］。撫順某熱電廠的一機組投入運行3、4個月后，減溫減壓器的減溫水管道一直存在著嚴重的振動問題。強烈的振動曾導致減溫水管道維修不到1個月就疲勞開裂。另外，振動還致使主蒸汽管線一次閥門前、后法蘭螺栓松動以及高溫、高壓蒸汽泄漏等危險事故。

高速高壓蒸汽經減壓閥降壓節流之后，蒸汽壓差很大，很容易產生較大的壓力波動。向高溫、高壓蒸汽中噴入水霧降溫屬于湍流氣液兩相流問題，會使減溫減壓器內部流場不穩定，故減溫減壓器系統常常會產生強烈的振動和尖銳的噪聲，以及汽蝕、閃蒸、可調比低等有害現象。目前管道系統的減振可以通過以下兩個途徑解決:①改造管道系統原有結構，但調整工作量大，管道空間結構調整不允許，一般不采用該方式解決管道振動;②改善管系振動固有特性，主要方法是增減管道約束，改變管系剛度和阻尼。然而對管道增加剛性約束不會耗散振動產生的能量，會傳遞給系統的其他儀器設備，故選擇改變阻尼的方法來治理振動［3-4］。

本研究依據該熱電廠減溫減壓器中減溫水管道的設計資料和振動測量數據，分析管道強烈振動產生的原因及危害，研究和運用阻尼減振技術，通過增加管道系統的阻尼，顯著地降低管道振動的速度，保證管道系統的安全運行。

1 減溫水管道振動狀況及危害

減溫水管道的外徑為 Φ57 mm，厚度為3.5 mm。減溫水由高壓給水泵通過該管道輸送減溫水，經過節流裝置由噴嘴呈霧狀噴出，與新蒸汽直接混合來實現調節溫度。管道在額定工況下振動非常嚴重，最大振幅超出測振儀器量程，即最大振動速度超過200 mm/s，大大超過了火力發電廠汽水管道振動控制導則規定的最大峰值振動速度值不能超過21.06 mm/s的要求。強烈的振動對管道已產生嚴重的損壞，在減溫水管彎頭區域出現多次開裂泄漏現象(管道疲勞開裂圖如圖1所示)。

圖1 管道疲勞開裂圖示

該廠對開裂管道進行了多次改造，一是在開裂位置設計加固裝置(管道彎頭處加固裝置如圖2所示)，通過向其灌注金屬密封膠，將其與管道粘結成一個整體，起到提高管道強度的作用，但運行一段時間后再次出現疲勞開裂(金屬密封膠加固裝置與管道焊縫振裂如圖3所示);二是將失效的加固裝置去除掉，重新焊接一段管道，并對其焊接剛性支架進行加固(如圖1所示)，提高了管道系統的剛度。管道的振動稍有降低，但剛性支架不能耗散掉管道振動產生的能量，經歷一段時間后管道由于局部應力過大又一次出現疲勞開裂。

圖2 管道彎頭處加固裝置

圖3 金屬密封膠加固裝置與管道焊縫振裂

強烈振動導致的破壞致使該廠不得不將工作負荷下調，蒸汽流量從200 t/h一直降到80 t/h，造成了嚴重的經濟損失。在低負荷生產條件下，管道振動雖有所降低，但遠不能滿足工業生產的供熱需求，導致了生產量下降，儀器儀表等設備凍壞現象。且工作負荷較低(流量低于100 t/h)時，鍋爐車間不能用煤粉作為燃料，為防止其發生煤粉爆炸，不得不改用噴射柴油的方式維持生產，由于消耗量很大，成本大幅度提高。

2 減溫水管道振動原因分析

通過有限元軟件模擬計算和綜合分析可知，導致噴水管道振動的原因主要有以下幾點:

(1)管道共振是其強烈振動發生的主要原因。本研究采用Sap2000有限元軟件對管道結構進行建模和模態分析，得出管道結構的第1階固有頻率為11.895 Hz。現場測得的管道振動頻率為 12.4 Hz，通常取共振區域為0.8～1.2倍，計算得到共振頻率為9.92 Hz～14.88 Hz。可知管道的第1階固有頻率處于共振區范圍之內，管道結構發生共振。

(2)減溫水由高壓給水泵供給，較大的壓力和流速遇到彎頭和閥門時就產生隨時間變化的脈動，從而導致管線產生強烈振動。

(3)減溫水管道非常細，外徑僅為Φ57 mm，整體的剛度和強度都比較小。

3 管道阻尼器耗能減振原理

3.1 阻尼減振原理分析

本研究在管系振幅較大的位置安裝粘滯阻尼器，將管道振動的機械能傳遞到阻尼器的阻尼液中，通過阻尼液的運動摩擦發熱來耗散管道振動能量，最終達到減振的目的。下面通過計算得出粘性阻尼每周期消耗的能量［5-8］:

設簡諧強迫振動的穩態響應為:

振動速度為:

粘性阻尼力為:

粘性阻尼力在一個周期內耗散的能量為:

式中:c—阻尼系數，ω—固有頻率，B—最大振動位移。

由上面計算可知，通過對振動系統增加額外的阻尼能夠耗散機械振動能量，可以有效地抑制振動系統的位移和速度，最終實現阻尼減振的目的。

3.2 阻尼減振模擬仿真

該項目中，將部分管道系統簡化為不計阻尼的質量塊，該質量塊同時受到外界激勵力、彈簧力和阻尼力的共同作用，其簡化模型如圖4所示。

圖4 受激勵的管道振動系統

以管道系統某個方向的振動分析，按照牛頓運動定理可以得到安裝阻尼器后管道系統振動微分方程為:

式中:m—系統質量，c—阻尼系數，k—剛度。

公式(5)中，第1項為整個系統的慣性力;第2項為阻尼力;第3項為彈性力;第4項為外界激勵力。

本研究運用有限元軟件Sap2000依據管道系統的實際參數進行一比一建模，并劃分網格，在有限元模型上施加約束條件和簡諧激振力，最后進行阻尼減振計算。通過對比模型中未設置阻尼器和設置阻尼器兩種工況計算結果，可得出阻尼對振動的抑制效果。未設置阻尼器模型和設置阻尼器模型分別如圖5、圖6所示，在節點3 152和3 678之間每隔16 mm選取一個節點，共33個(如圖5所示)，從而計算出兩種工況下管道模型中選取節點的振動速度對比圖如圖7所示。其中該項目中使用的是普通液體粘滯阻尼器(非線性粘滯阻尼器)，阻尼系數為137 kN·s/m，阻尼指數為0.3，剛度取值為137 000 kN/m。

圖5 管道系統無阻尼模型

圖6 管道系統有阻尼模型

圖7 管道模型設置阻尼器前、后振動速度對比圖

管道模型設置阻尼器前、后振動速度對比圖如圖7所示，通過對管道系統設置額外的阻尼能夠大幅度降低管道的振動。其中，未設置阻尼時管道最大振動速度為219.14 mm/s，設置阻尼后最大振動速度降到了15.84 mm/s，減振幅度達到了92.77%，阻尼對振動系統的減振效果非常顯著。

4 管道阻尼減振方案及效果

管道系統的振動控制比較復雜，在確定減振改造方案時要綜合考慮各種因素，處理好各類矛盾。例如加固或增設管系的支撐點就能顯著提高系統的剛度，從而改變振動特性。振動雖有降低但強固支承會導致管道系統局部應力過大出現再次振裂現象［9］。考慮到該機組必須在不停機且保證連續生產的情況下進行改造，故本研究運用管道阻尼減振技術，在適當位置安裝粘滯阻尼器，降低管道系統的振動，消除了管道振動產生的安全隱患。同時阻尼器為柔性支撐，不改變原有系統的剛度，沒有運動空程，其對低頻振動減振效果非常顯著［10］。

根據最終優化方案，本研究在管道振裂處的下面一段管道安裝兩個管道阻尼器，設計施工圖如圖8所示。上方阻尼器能夠有效控制激振源彎頭處的振動，下方阻尼器不僅能降低其附近彎頭產生的振動，而且能夠阻止振動能量向管道系統的其他薄弱區域傳遞，從而達到降低管道系統振動、保護管道結構的目的。

圖8 減溫水管道阻尼器安裝設計圖

阻尼器安裝完成之后，減溫水管道的振動大幅度降低。改造之前機組在較低工作負荷(蒸汽流量為80 t/h)時，振動速度已經超過了200 mm/s，改造后在額定工作負荷(蒸汽流量為200 t/h)下，各測點最大振動速度均不超過18.8 mm/s，完全達到了火力發電廠汽水管道振動控制導則規定的要求，同時滿足了生產和生活供熱的要求。項目改造完成至今已近一年時間，蒸汽流量基本達到額定負荷200 t/h，從未出現振動開裂現象，完全保證了機組連續安全、穩定地運行。

5 結束語

減溫減壓器減溫水管道直徑小且長度大，剛度較小。較大的氣流沖擊遇到彎頭、閥門等附件時會激起管道振動，從而引起管道系統共振。本研究通過運用Sap2000軟件對管道進行模態分析，計算管道的固有頻率，從而判斷是否發生系統共振。筆者從能量耗散的理論角度分析阻尼減振技術，并運用Sap2000軟件進行模擬仿真，說明阻尼對振動的抑制效果明顯，也為阻尼器的安裝提供可靠的依據。

本研究在不停機和不改變管道結構的情況下選擇最佳位置安裝管道阻尼器，改造完成后，管道的振動速度大幅度減小，蒸汽流量基本達到額定負荷200 t/h，最大速度由減振前的超量程(大于199 mm/s)降低到18.8 mm/s，完全達到了火力發電廠汽水管道振動控制導則規定的“最大峰值振動速度值不能超過21.06 mm/s”的要求。

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