大口徑管道振動治理優化研究及工程應用

薛新紅，史成宇，梁 超，焦 強

（華能太原東山燃機熱電有限責任公司，山西太原 030043）

1 研究背景

目前全國電網負荷增量減緩，火力發電設備利用小時大為減少。各火力發電企業為了提升企業的競爭力，進行了機組靈活性調峰、汽輪機節能、熱電聯產等技術改造，及機組運行調整優化。由于電廠設備結構和系統復雜、龐大，任何一個設備或參數的變化，如設備改型、機組負荷調整幅度、主汽參數、疏水溫度、抽汽壓力和溫度等等，都可能引起設備或管道的振動。這些復雜的變化引起管道振動將對管道及設備系統的安全和壽命造成不可預估的后果，所以消除或減輕管道振動不僅是生產安全的一個要求，還是一個很有經濟效益的課題。本文通過工程實踐應用，針對“二拖一”多軸燃氣—蒸汽聯合循環熱電聯產發電機組的汽輪機中低壓連通管道出現的振動，給出了管道振動治理優化成果，為管道振動治理提供了借鑒參考。

2 設備概況

某燃機熱電公司的機組為一套M701F4“二拖一”多軸燃氣—蒸汽聯合循環熱電聯產發電機組，在供熱高峰期以熱定電供熱運行，用電高峰期按調峰運行。汽輪機為三壓、雙缸（高中壓合缸）、再熱、直接空冷機組；高中壓模塊和低壓模塊采用SSS 離合器聯接，可通過SSS 離合器嚙合或脫開，實現供熱工況下蒸汽輪機抽凝或背壓運行，非供熱工況純凝運行。該公司汽輪機組在抽凝或背壓的運行工況下，中低壓連通管道（Φ1420×18 mm）出現明顯的振動，使用手持式VM-63a 測量，振速達（21.3～46）mm/s，已直接影響到管道和機組的安全性，故需亟待解決管道振動問題。

3 管道振動成因分析

發電廠機組的管道振動產生原因可能是設計、安裝、操作及運行工況等方面存在缺陷或出現變化，主要表現如下。

（1）管道內的液體或汽體的壓力脈動，管內流體處于脈動狀態會產生激振力，在這種激振力作用下引起管道和附屬設備振動。

（2）由控制閥門引起的振動。

（3）液體或汽體的高流速引發的紊流、激流而產生的振動。

（4）泵或壓縮機引起的，或管道所連接設備，或相連接管系所傳遞的機械振動。

（5）管道系統中出現壓降導致氣穴發生而引起管道振動。

（6）管道系統的組件結構、荷載支撐類型和管道走向位置等也會有一系列的固有頻率，當激發頻率與某階固有頻率相等或相近時，便發生管道的共振。

3.1 現場數據分析

（1）機組負荷和抽汽流量不同階段時中低壓連通管道振動數據記錄（表1）。

（2）中低壓連通管道和熱網抽汽管道支撐工作荷載和熱態位移記錄（表2）。

（3）管道運行參數與設計參數統計（表3）。根據單相流體管道計算公式其中，Di為管道內徑，mm；G 為介質質量流量，t/h；V 為介質比容，m3/kg；ω為介質流速，m/s。

根據上述公式核算，在設計工況下中低壓管道蒸汽流速為46 m/s，完全符合GB 50764—2012 電廠動力管道設計規范推薦（35～60）m/s 的要求。將實際運行參數代入公式計算蒸汽流速為（98～114）m/s，遠遠超出設計規范的要求。

（4）中低壓連通管道相連接設備即汽輪機振動測量，最大值為46 μm，達到規范要求的優秀值。

3.2 對該項目的設備、管道支撐、運行工況、設計參數等數據分析對比，確定蒸汽高流速而引發的管道振動是該項目中低壓連通管道（Φ1420×18 mm）振動的主要原因。

表1 機組負荷和抽汽流量不同階段時中低壓連通管道振動數據記錄

表2 中低壓連通管道和熱網抽汽管道支撐工作荷載和熱態位移記錄

表3 管道運行參數與設計參數統計

4 技術難點

（1）本項目汽輪機可以純凝、抽凝或背壓工況下切換運行方式，且中低壓連通管道和供熱抽汽管道相互連通屬同一管系，造成管道系統特性復雜，管道振動產生的原因分析和治理難度疊加。

（2）該工程汽輪機中低壓連通管道和供熱抽氣管道直徑為1420 mm，廠房內空間條件及管道安裝位置等因素直接影響管道振動治理的技術要求。

5 大口徑管道振動治理在工程上的應用

（1）經過詳細的管道動態分析、管系支吊架檢驗、運行工況數據對比，同時鑒于中低壓連通管道和供熱抽汽管道相互連通屬同一管系，故在制定技術方案時統一考慮2 根管道在12.6 m層和6.3 m 層布置，同時實施調整、治理工作。

（2）綜合考慮管道振動頻率、振幅、振動方向、管道運行參數及現場的空間條件等因素，確定使用減振裝置消除管道振動。可采用的減振裝置主要是彈簧減振器（滑動或固定支架）、液壓阻尼器和黏滯阻尼器，對該3 種減振器對比分析如下。

①本工程的中低壓連通管道原設計安裝有6 臺彈簧減振器（滑動或固定支架），其對消除管道系統振動效果不明顯，故不使用該型減振器。

②本工程使用常規抗振動液壓阻尼器會遇到以下問題：管道為多方向振動形式，如果控制多向振動，必須在管道控振點的Z 向（垂直方向）安裝2 臺液壓阻尼器、在X 向、Y 向（水平方向）各安裝1 臺液壓阻尼器，相對經濟成本要高；中低壓連通管道管徑達Φ1420 mm，現場安裝空間有限，對設計及施工帶來很多不便；液壓阻尼器在額定載荷下閉鎖速度（12～125）mm/min，管道或設備的熱脹冷縮的緩慢移動幾乎沒有阻尼，而且對低幅、高頻振動也不起作用。

③黏滯阻尼器是三維全方位的減振裝置，體積小，設計和施工也很方便，正好彌補了常規抗振液壓阻尼器的不足。

（3）本工程根據現場檢測數據、運行參數、管道的空間位置等條件，并核算原管系應力、荷載及熱位移等數據，最終確定管道振動治理采用加裝黏滯阻尼器的技術方案。

6 結論

汽輪機中低壓連通管道出現振動的異常情況，依據理論上的研究分析，通過該管系上加裝黏性阻尼器來控制治理管道振動。項目實施后，在機組負荷和流量不同階段時各個測點測量管道振動峰值為（3.5～9.8）mm/s，遠遠小于行業規范要求的“碳鋼及低合金管道最大峰值振動速度≤12.4 mm/s”標準，管道振動得到有效控制，按照相關規范針對該管道系統振動等級評估結果為優秀。