600 WM機組高壓加熱器至除氧器疏水管道振動治理

陳 銳 ， 潘曉磊

(1.華電電力科學研究院有限公司，杭州 310030； 2.上海奉賢燃機發電有限公司，上海 201499 )

0 引 言

某發電廠2號機組汽輪機為上海汽輪機有限公司生產的N600(660)/24.2/566(538)/566型超臨界600(660)MW中間再熱凝汽式汽輪機，該裝置是超臨界、單軸、三缸、四排汽、中間再熱、凝汽式汽輪機，機組3號高加至除氧器疏水管道自投產后一直存在管道振動現象。高壓加熱器是發電廠給水加熱系統中不可或缺的重要組成部分，利用抽汽管道輸送的蒸汽對給水進行加熱，有效提高了電廠的熱經濟性。疏水管道的振動會影響高加的正常工作，對管道焊縫、閥門均有不同程度的影響，解決疏水管道振動刻不容緩。采取對管道進行振動測試、應力計算、模態分析、加裝阻尼器等技術，以解決振動故障[1]。

1 管道布置和振動狀況

2號機組汽機房共布置3臺高加，其中3號高加至除氧器疏水管道在運行時存在明顯振動現象，振動主要出現在標高32.4 m除氧器平臺，進除氧器前水平管段。該管道布置圖見圖1，3號高加至除氧器疏水管道規格為Ф325×10(氣動閥前)和Ф377×13(氣動閥后)。管系共布置有6組支吊架，在機組啟停機時，分別對6組吊架進行了冷態、熱態檢驗，發現16號彈簧支架由于管系長期振動，彈簧筒體上側已開裂(見圖2)，其他支吊架狀態正常。16號支架附近管道振動幅度最大，于是采用振動測試設備對16號支架附件管道振動進行測試，測試發現16號吊架處管道Z方向最大峰值振動速度達52.5 mm/s，遠超過DL/T292—2011《火力發電廠汽水管道振動控制導則》[2]規定的最大峰值振動速度值(20.0 mm/s)。管系振動的原因是復雜的，具體振動原因須對管系應力、剛度、阻尼等進行具體分析。

圖1 管系布置圖Fig.1 The layout of piping

圖2 16號彈簧支架Fig.2 No.16 spring support

2 振動原因分析

管道振動原因往往是復雜的，機組運行參數變化會引起管道振動，管道及附件布置不合理會引起管道振動，閥門狀態異常也會引起管道振動。

疏水管道振動原因一般有以下幾種：

1)管道固定支架或限位裝置松脫或失效，起不到固定管道的作用，管道剛度降低，在載荷作用下管道發生振動。

2)管道支吊架數量不足或彎頭過多，限位或剛性支架少，管系剛度低，在激振力作用下很容易發生振動[3]。

3)由于管道中壓力差的原因，疏水管道內出現氣液兩相流，從而產生振動[4]。

4)高加內部疏水管道出現裂紋，蒸汽進入疏水管道，造成管道振動[5]。

針對上述可能原因進行逐一排查。

由于管系為限位支吊架，并沒有布置固定支架和限位裝置，所以原因1可以排除；針對疏水管道振動問題，在機組大修期間特地對高加內部管道進行查漏，確認內部疏水管道無漏點，所以可以排除原因4；原因2和原因3暫時無法排除，因此需對管系應力、模態進行分析。

3 管系應力及模態分析

分析管系應力和模態可以了解管系應力狀態及管系剛度情況，利用CAESARⅡ軟件對疏水管道應力和模態進行分析，分析結果顯示管系一次、二次應力均合格，管系一次應力和二次應力合格說明現有支吊架布置能滿足承載要求，計算結果見圖3、圖4。對管系進行模態分析，管系模態頻率：一階為1.28 Hz，二階為2.24 Hz，三階為2.62 Hz。管系一階頻率較低，低于火力發電廠汽水管道設計技術規定的要求[6]。現場振動測試的振動特征頻率為2.48 Hz，略低于管系三階模態頻率2.62 Hz。通過查閱參考文獻[7]，發現如果疏水管道中存在汽相，管道的模態頻率會較單一的液相提高。所以管系測試振動特征頻率與計算分析三階振型基本吻合。根據管系應力、模態計算結果和振動測試結果可以判斷,管系振動主要由于管系剛度低且管系中存在氣液兩相流介質擾動引起[8]。

圖3 一次應力云圖Fig.3 Primary stress nephogram

圖4 二次應力云圖Fig.4 Secondary stress nephogram

4 振動治理措施

對疏水管道振動分析主要根據確定的管系結構和激擾條件，分析管道系統振動特征和響應特征，驗算振動結果是否在規定范圍內。

管系的運動微分方程可以表示為：

(1)

其中質量矩陣在不改變管道布置的情況下是固定不變的，因此要降低管系振幅，只能通過提高管系剛度或提高管道阻尼來解決[9-10]。

為了解決機組疏水管道振動故障，由于16號支架殼體已開裂。首先，將16號彈簧支架進行更換，并將13號導向支架調整為固定支架，來提高管系剛度；然后，在15號吊架前側加裝1組Z向液壓阻尼器14a，并在16吊架前側安裝2組粘滯性阻尼器15a、16a(見圖6)，來提高管系結構阻尼。改造后對管系一次、二次應力進行重新核算，發現管系一次、二次應力均未超標。重新對管系模態進行分析，經過改造管系阻尼得到顯著提高，改造前后管系模態頻率如圖5所示，可以看到改造后管系固有頻率得到顯著提高。

圖5 改造前后管系模態頻率Fig.5 Modal frequency of piping before and after modification

圖6 改造后管道布置圖Fig.6 Piping layout after modification

管道改造完成，機組啟動后對3號高加至除氧器疏水管道狀態進行了觀察，發現管道振動得到了有效控制，未見異常振動。對管系所有支吊架也進行了檢查，所有支吊架狀態均正常，表明對管系的改造是有效的。

5 結 語

1)疏水管道振動會損壞管道附件、支吊架、管道焊縫以及接口設備，對機組安全及穩定運行有較大威脅。

2)在不改變管道現有布置的情況下，管道質量矩陣已確定，想要治理管道振動，只有通過提高管系剛度和管系阻尼來解決。

3)通過將限位支架改變為固定支架提高管系剛度，給管系安裝阻尼器提高管系阻尼，管系振動得到有效治理。

4)在機組日常運行中，應加強對管道狀態的監督，機組出現管道振動、支吊架狀態異常時，應及時聯系專業技術人員進行檢驗及處理。