600 WM機(jī)組高壓加熱器至除氧器疏水管道振動(dòng)治理

陳 銳 ， 潘曉磊

(1.華電電力科學(xué)研究院有限公司，杭州 310030； 2.上海奉賢燃機(jī)發(fā)電有限公司，上海 201499 )

0 引 言

某發(fā)電廠2號(hào)機(jī)組汽輪機(jī)為上海汽輪機(jī)有限公司生產(chǎn)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(jī)，該裝置是超臨界、單軸、三缸、四排汽、中間再熱、凝汽式汽輪機(jī)，機(jī)組3號(hào)高加至除氧器疏水管道自投產(chǎn)后一直存在管道振動(dòng)現(xiàn)象。高壓加熱器是發(fā)電廠給水加熱系統(tǒng)中不可或缺的重要組成部分，利用抽汽管道輸送的蒸汽對(duì)給水進(jìn)行加熱，有效提高了電廠的熱經(jīng)濟(jì)性。疏水管道的振動(dòng)會(huì)影響高加的正常工作，對(duì)管道焊縫、閥門均有不同程度的影響，解決疏水管道振動(dòng)刻不容緩。采取對(duì)管道進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試、應(yīng)力計(jì)算、模態(tài)分析、加裝阻尼器等技術(shù)，以解決振動(dòng)故障[1]。

1 管道布置和振動(dòng)狀況

2號(hào)機(jī)組汽機(jī)房共布置3臺(tái)高加，其中3號(hào)高加至除氧器疏水管道在運(yùn)行時(shí)存在明顯振動(dòng)現(xiàn)象，振動(dòng)主要出現(xiàn)在標(biāo)高32.4 m除氧器平臺(tái)，進(jìn)除氧器前水平管段。該管道布置圖見圖1，3號(hào)高加至除氧器疏水管道規(guī)格為Ф325×10(氣動(dòng)閥前)和Ф377×13(氣動(dòng)閥后)。管系共布置有6組支吊架，在機(jī)組啟停機(jī)時(shí)，分別對(duì)6組吊架進(jìn)行了冷態(tài)、熱態(tài)檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)16號(hào)彈簧支架由于管系長(zhǎng)期振動(dòng)，彈簧筒體上側(cè)已開裂(見圖2)，其他支吊架狀態(tài)正常。16號(hào)支架附近管道振動(dòng)幅度最大，于是采用振動(dòng)測(cè)試設(shè)備對(duì)16號(hào)支架附件管道振動(dòng)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試發(fā)現(xiàn)16號(hào)吊架處管道Z方向最大峰值振動(dòng)速度達(dá)52.5 mm/s，遠(yuǎn)超過DL/T292—2011《火力發(fā)電廠汽水管道振動(dòng)控制導(dǎo)則》[2]規(guī)定的最大峰值振動(dòng)速度值(20.0 mm/s)。管系振動(dòng)的原因是復(fù)雜的，具體振動(dòng)原因須對(duì)管系應(yīng)力、剛度、阻尼等進(jìn)行具體分析。

圖1 管系布置圖Fig.1 The layout of piping

圖2 16號(hào)彈簧支架Fig.2 No.16 spring support

2 振動(dòng)原因分析

管道振動(dòng)原因往往是復(fù)雜的，機(jī)組運(yùn)行參數(shù)變化會(huì)引起管道振動(dòng)，管道及附件布置不合理會(huì)引起管道振動(dòng)，閥門狀態(tài)異常也會(huì)引起管道振動(dòng)。

疏水管道振動(dòng)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(fā)生振動(dòng)。

2)管道支吊架數(shù)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(fā)生振動(dòng)[3]。

3)由于管道中壓力差的原因，疏水管道內(nèi)出現(xiàn)氣液兩相流，從而產(chǎn)生振動(dòng)[4]。

4)高加內(nèi)部疏水管道出現(xiàn)裂紋，蒸汽進(jìn)入疏水管道，造成管道振動(dòng)[5]。

針對(duì)上述可能原因進(jìn)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(duì)疏水管道振動(dòng)問題，在機(jī)組大修期間特地對(duì)高加內(nèi)部管道進(jìn)行查漏，確認(rèn)內(nèi)部疏水管道無漏點(diǎn)，所以可以排除原因4；原因2和原因3暫時(shí)無法排除，因此需對(duì)管系應(yīng)力、模態(tài)進(jìn)行分析。

3 管系應(yīng)力及模態(tài)分析

分析管系應(yīng)力和模態(tài)可以了解管系應(yīng)力狀態(tài)及管系剛度情況，利用CAESARⅡ軟件對(duì)疏水管道應(yīng)力和模態(tài)進(jìn)行分析，分析結(jié)果顯示管系一次、二次應(yīng)力均合格，管系一次應(yīng)力和二次應(yīng)力合格說明現(xiàn)有支吊架布置能滿足承載要求，計(jì)算結(jié)果見圖3、圖4。對(duì)管系進(jìn)行模態(tài)分析，管系模態(tài)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(fā)電廠汽水管道設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定的要求[6]?，F(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)測(cè)試的振動(dòng)特征頻率為2.48 Hz，略低于管系三階模態(tài)頻率2.62 Hz。通過查閱參考文獻(xiàn)[7]，發(fā)現(xiàn)如果疏水管道中存在汽相，管道的模態(tài)頻率會(huì)較單一的液相提高。所以管系測(cè)試振動(dòng)特征頻率與計(jì)算分析三階振型基本吻合。根據(jù)管系應(yīng)力、模態(tài)計(jì)算結(jié)果和振動(dòng)測(cè)試結(jié)果可以判斷,管系振動(dòng)主要由于管系剛度低且管系中存在氣液兩相流介質(zhì)擾動(dòng)引起[8]。

圖3 一次應(yīng)力云圖Fig.3 Primary stress nephogram

圖4 二次應(yīng)力云圖Fig.4 Secondary stress nephogram

4 振動(dòng)治理措施

對(duì)疏水管道振動(dòng)分析主要根據(jù)確定的管系結(jié)構(gòu)和激擾條件，分析管道系統(tǒng)振動(dòng)特征和響應(yīng)特征，驗(yàn)算振動(dòng)結(jié)果是否在規(guī)定范圍內(nèi)。

管系的運(yùn)動(dòng)微分方程可以表示為：

(1)

其中質(zhì)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(jī)組疏水管道振動(dòng)故障，由于16號(hào)支架殼體已開裂。首先，將16號(hào)彈簧支架進(jìn)行更換，并將13號(hào)導(dǎo)向支架調(diào)整為固定支架，來提高管系剛度；然后，在15號(hào)吊架前側(cè)加裝1組Z向液壓阻尼器14a，并在16吊架前側(cè)安裝2組粘滯性阻尼器15a、16a(見圖6)，來提高管系結(jié)構(gòu)阻尼。改造后對(duì)管系一次、二次應(yīng)力進(jìn)行重新核算，發(fā)現(xiàn)管系一次、二次應(yīng)力均未超標(biāo)。重新對(duì)管系模態(tài)進(jìn)行分析，經(jīng)過改造管系阻尼得到顯著提高，改造前后管系模態(tài)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(tài)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(jī)組啟動(dòng)后對(duì)3號(hào)高加至除氧器疏水管道狀態(tài)進(jìn)行了觀察，發(fā)現(xiàn)管道振動(dòng)得到了有效控制，未見異常振動(dòng)。對(duì)管系所有支吊架也進(jìn)行了檢查，所有支吊架狀態(tài)均正常，表明對(duì)管系的改造是有效的。

5 結(jié) 語

1)疏水管道振動(dòng)會(huì)損壞管道附件、支吊架、管道焊縫以及接口設(shè)備，對(duì)機(jī)組安全及穩(wěn)定運(yùn)行有較大威脅。

2)在不改變管道現(xiàn)有布置的情況下，管道質(zhì)量矩陣已確定，想要治理管道振動(dòng)，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?yōu)楣潭ㄖЪ芴岣吖芟祫偠?，給管系安裝阻尼器提高管系阻尼，管系振動(dòng)得到有效治理。

4)在機(jī)組日常運(yùn)行中，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)管道狀態(tài)的監(jiān)督，機(jī)組出現(xiàn)管道振動(dòng)、支吊架狀態(tài)異常時(shí)，應(yīng)及時(shí)聯(lián)系專業(yè)技術(shù)人員進(jìn)行檢驗(yàn)及處理。