趙國欽

(廣東粵電靖海發電有限公司，廣東 揭陽 515223)

在發電廠凝結水系統中，為減弱凝結水泵運行低流量時的汽蝕，系統設置再循環調節閥，以增加凝結水泵的流量。在凝結水泵再循環調節閥開啟時，調節閥及閥后部位的管道內會有強烈的振動和噪音。現場處理時多通過管道加固、加裝節流孔等不同的方式，振動問題仍然沒有從根本上解決[1-4]。結合凝結水再循環系統的多種試驗和流動特性分析，提出解決凝結水再循環系統振動和噪音簡便、有效的方法。

1 設備概況

以某臺超超臨界1000 MW機組為例。凝結水工作溫度為37 ℃、飽和壓力為6.274 kPa，再循環調節閥的安裝位置比再循環管與凝汽器接口低3.5 m。再循環調節閥的型式為單閥座、3級減壓籠罩式結構，系統的主要參數見表1。

在凝汽器內常壓、負壓時，再循環調節閥打開均會出現強烈的振動和噪音，振源和音源的位置在調節閥及調節閥后的管路上，且以調節閥后擴壓管部位的振幅和噪音最大。調節閥的開度越大，振動的振幅和噪聲強度越大，與調節閥后凝汽器內的壓力狀況無系。在調節閥達到全開時，現場測量距離調節閥1 m以內的噪音達到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 凝結水再循環系統主要設計參數

2 振動和噪音分析

在凝結水再循環系統中，再循環調節閥及其前后流體的流動狀態多變，按照區域可以分為調節閥前、調節閥內、調節閥后3個區域，凝結水在每個區域的流動狀態差別很大，需要對各個階段的流動狀態進行分析。

2.1 調節閥前

在再循環調節閥前，凝結水在管道內的流動平穩，管道的內徑較大，流速較低。再循環調節閥的口徑小于管道內徑，其前與管道連接部位設置漸縮短管與調節閥相連。

在此過程，凝結水的流通通徑由350 mm減至200 mm，在漸縮短管內凝結水形成一個加速過程，流速由1.38 m/s增至4.25 m/s，相應的凝結水動壓力由2.5 MPa降至2.492 MPa。此時凝結水的流動狀態穩定，動壓力高于汽化壓力，在漸縮短管內不會發生汽蝕、渦流等問題，也不會產生較大的振動問題。

2.2 調節閥內

再循環調節閥的結構為單閥座、三級減壓籠罩式，流動方向為低進高出式。凝結水經過調節閥內各組件流出時需要經過幾個階段的流體狀態變化如下。

a.調節閥前過程

調節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，凝結水在短管內靜壓降低、動壓升高，但由于壓力很高，此狀態靜壓遠遠高于汽化壓力，不會發生閃蒸。漸縮短管后與閥座的口徑相同，在該階段水不會發生流動狀態突變，狀態比較穩定，無兩相流存在。

b.自閥芯、閥座流經減壓閥籠過程

凝結水自調節閥閥座向閥籠流動時，流通直徑由200 mm突減至100 mm；在調節閥閥籠第1級減壓籠罩內，由于減壓籠罩前后壓差增大，凝結水的流速由4.25 m/s突增至16.98 m/s，水在減壓籠罩內的壓力由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級減壓籠罩內流出進入第2、3級減壓籠罩內，由于減壓籠罩內減壓孔徑增大，較高壓力的凝結水經過各級減壓節流孔時其動壓力會出現逐級降低。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計壓力0.2 MPa，達到0.191 MPa。

圖1 調節閥減壓孔內流動示意圖

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。出口的核心區域(A區域)流速為16.98 m/s，形成射流狀態，流速沿射流中心向周邊區域快速遞減，在減壓閥籠的出口部位產生劇烈的靜壓恢復，被汽化的汽泡在靜壓回升后破裂，產生強烈的汽蝕。

2.3 調節閥后

凝結水自調節閥籠罩流出后，其流速為4.25 m/s、動壓力為0.191 MPa，經過與調節閥相連的DN200×350 mm漸擴短管后進入主管道內。凝結水自調節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，在漸擴短管中繼續發生降壓汽化、壓力恢復，漸擴短管中依然存在汽蝕。

凝結水流經漸擴短管過程中，由于短管長度小，調節閥后的管路元件結構與突擴管相同，在主管內的中心區域形成一股射流區域，射流區域的周圍至短管內壁區域會出現流體分離現象，紊流的邊界層分離而產生渦流，渦流的周期性釋放，在管道內壁上產生周期性擾動，見圖2。調節閥后的漸擴短管中汽蝕與渦流同時存在，表現為在漸擴短管周邊設備中發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 增加再循環流量

再循環調節閥前、后設置閘閥，閘閥通徑與管道內徑相同。當利用再循環調節閥旁路運行來增加再循環流量，旁路的振動振幅和噪音會略小于調節閥后的振幅和噪音，但整體的振動和噪音沒有改善。

3.2 增加調節閥后漸擴噴管長度

調節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。運行凝結水再循環系統時調節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。而此時可明顯發現，在調節閥及出口漸擴噴管區域的振動和噪音最為明顯，尤其在噴管的入口區域。試驗充分驗證了凝結水再循環系統的振動和噪音源主要集中在調節閥及閥后緊鄰的噴管上。

3.3 調節閥后加裝節流孔板[5-7]

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

(1)

式中：Ci為空化系數；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為限流區域的平均流速,m/s。

從現場實際試驗驗證：調節閥后加裝節流孔后，調節閥、閥后漸擴短管、節流孔前管道的振動振幅明顯降低，噪音基本消失，調節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 調節閥更換為平衡式多級減壓結構

試驗時選擇具有多級(13級)盤片減壓結構平衡式調節閥，該結構調節閥能夠實現凝結水的充分減壓、出口梳流作用。調節閥改型后，漸擴短管和調節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，噪音降至85 dB以內。

3.5 調節閥后加裝孔網式流動整直裝置

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

圖3 孔網式流動整直裝置元件示意圖

現場加裝流動整直裝置后，調節閥、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。

4 孔網式流動整直裝置工作機理

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

4.1 調節閥閥后部分

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

此時調節閥后的突擴管結構未發生變化，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域壓力有所提高導致壓力梯度有所降低，由于凝結水的不可壓縮性，凝結水渦旋強度并未發生變化。單獨由管內渦流產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

凝結水經過調節閥進入直管段后，進入流動整直裝置，凝結水的流動狀態發生了多種變化。

a.局部出現層流

水在調節閥后直管段內平均雷諾數為6.83×105，低于調節閥出口部位平均雷諾數1.19×106，2種流動狀態均為紊流，但有較多渦流區。水流經絲網時，絲網的絲徑0.4 mm、孔徑0.83 mm×0.83 mm，絲網每個網孔的前后壓差為0.08 MPa。通過絲網網孔的水流速由1.386 m/s升至7.54 m/s，網孔中的平均雷諾數接近2.196×103，基本達到臨界雷諾數2300，水在管道內部的局部區域出現層流。水流出絲網后，整體流動狀態再次變為紊流。

b.漩渦破碎

絲網絲線直徑為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。調節閥后管道中并不是穩態的紊流流動，而是從調節閥后流出的水呈現為整體沿管道中心線夾雜著大量不規則的漩渦流動。在水流經絲網時，絲網網孔很小，固體邊界的阻擋使漩渦的切向速度減小，網孔將較大的漩渦進行切割，分解為更小的漩渦。多層分布的絲網將流體中的漩渦進行多次分割、變小，絲網后的流動就趨近于穩態流動。

絲線截面為圓柱形，靠近絲線的凝結水在流經絲線的表層時，凝結水發生繞圓柱流動，在絲線B、B′后發生流體分離，其后方開始出現漩渦、回流，對絲線產生周期性擾動，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減弱；絲網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不規則性，絲網內部相鄰網孔的擾動互相干涉、抵消，傳遞到支撐部位的擾動會更小。

圖4 凝結水流經網孔流線示意圖

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

在凝結水由D、D′流經A、A′時流速逐漸增加，在A—A′達到最大，靜壓降低至最小；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，出現渦流。凝結水在A—B、A′—B′區域平均流速由7.54 m/s降至5.09 m/s，在流出絲網后的管道內平均流速

當汽蝕發生在絲網的絲線上時，對絲線金屬表面產生沖擊，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，避免對其表面產生較大破壞。

5 結束語

在發電廠凝結水泵再循環調節閥的振動處理上，采用簡易的在調節閥后安裝孔網式流動整直裝置的方式，充分利用孔網式結構中絲網的多孔梳流、絲線韌性良好的特性，解決調節閥后由于汽蝕、渦流等問題引起的振動及噪音問題。