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凝结水再循环管道布置优化

摘要：本文介绍了凝结水再循环系统及凝结水再循环管道经常产生的振动和汽蚀问题。为保证机组的运行安全，解决凝结水再循环管道的振动和汽蚀，本文提供了合理设置支吊架，管道、管件选择及调节阀和节流孔板的布置，合理分配选择调节阀及节流孔板的压力降这三种解决方案来优化凝结水再循环管道布置。
关键词：凝结水再循环管道；振动；汽蚀；运行安全；解决方案
1前言
凝结水系统是电厂内重要的水系统，本系统的运行情况关系着机组的正常启动和安全运行。凝结水再循环管道是凝结水系统中重要的一个环节，在现场的运行中经常发生凝结水再循环管道的振动，严重的可能导致管道支吊架失效甚至凝汽器上管嘴撕裂等问题。另外凝结水再循环管道调节阀后还有可能发生汽蚀问题，缩短管道的寿命，也加剧了管道的振动。
2凝结水再循环系统概述
电厂汽水系统中，凝结水作为能量传递的一种介质，从凝汽器出口经过凝结水泵的输送，依次经过轴封加热器、各级低压加热器，经过与换热器的换热后进入到除氧器内[1]。
轴封加热器为表面式加热器，用于凝结轴封漏汽和门杆漏汽。轴封加热器以及与之相连的汽轮机轴封汽室依靠轴封风机维持微负压状态，以防止蒸汽漏入环境、汽轮机润滑油系统并阻止空气从低压缸部分漏入。为维持其汽侧微负压，降低轴封风机的功率，必须有足够的凝结水量流过轴封加热器，保证上述漏汽完全凝结。
另外，在机组启动或低负荷时，主凝结水的流量远小于额定值，但如果凝结水泵的流量小于允许的最小流量，水泵将有发生汽蚀的危险。从保护凝结水泵的角度，凝结水量也有一个最小值的要求。
考虑到以上两个问题，我们在凝结水系统中设置凝结水再循环管道，再循环的凝结水量取凝结水泵或轴封加热器最小流量的较大值。
凝结水再循环管道一般从轴封加热器出口的凝结水管道上引出，经过一个调节阀及其旁路、节流孔板，然后进入到凝汽器中。详见下图。
3凝结水再循环管道的问题
凝结水再循环管道经常产生的问题主要集中在两方面，一个是管道的振动，另一个就是管道汽蚀问题。
管道的振动是由作用在管系上的激振力引起的受迫振动，这种激振力是由内部流体激扰引起的，一般产生在弯管和阀门等元件处。当激振力频率等于或接近管道固有频率时，将引起共振。
管道的振动一方面产生噪声，更重要的是影响运行的安全。长期的振动将会使管道支吊架失效，从而引起更多的问题。
对于凝结水再循环管道来说，由于凝结水经过调节阀的减压和节流孔板的节流之后，内部流体压力降低至凝汽器背压，接近凝结水对应的饱和压力，部分凝结水汽化形成两相流，汽泡的生成和破裂除了容易产生汽蚀外，还将极大地增强激振力，从而使得管道更易振动。
4解决方案
4.1合理设置支吊架，增大管道固有频率
管道的振动一方面产生噪声，更重要的是影响运行的安全。长期的振动将会使管道支吊架失效从而引起更多的问题。
对于管道的振动问题，在管道设计中，除要求管道满足强度条件，还应满足一定的刚度条件。火力发电厂汽水管道设计技术规定中要求管道的固有频率大于3.5Hz。凝结水再循环管介质流速较低，激振频率较低[2]。所以现场经常出现凝结水再循环管道处于低幅高频振动的现象。
凝结水再循环管道是一个复杂的连续弹性体，其振动问题可视为具有有限多个质点的多自由度振动系统。对于n质量无阻尼系统，其频率方程如下:
式中:K为刚度矩阵;M为质量矩阵;ω为各阶固有频率。
由上式可得，多自由度系统的固有频率与其质量矩阵和刚度矩阵有关。凝结水再循环管道在布置已定的情况下，管道质量无法改变。因此，在保证管道应力合格的前提下，可通过支吊架的合理布置，增设限位装置以增加管道刚度，使管道具有较高的一阶固有频率，避开相对低阶激振力的响应，从而减小管道的振动[3]。
目前模态分析是分析计算管系固有频率和动力学特性的重要工具。通过CaesarII软件可以计算管道的各阶固有频率。设计人员可以通过调整支吊架的位置和形式，选择一阶固有频率高的支吊方案，从而避开管道的振动。
在设计过程中，刚性吊架、导向支架、拉撑杆以及固定支吊都是有效的增强管道的固有频率的方法，因此，在合适的位置布置以上形式的支吊架就可以有效的避开管道的低频振动频率区域。这种振动解决方案施工简单，没有额外的投入，而且效果明显。
4.2管道管件选择及调节阀和节流孔板的布置
凝结水再循环管道最终要接入到凝汽器，为了防止直接接入到凝汽器引起压力变化剧变，影响凝汽器的安全稳定运行，需要在进入凝汽器之前对管道内的凝结水先减压，减压主要采用的是调节阀的形式节流减压。
当然调节阀的布置也要尽可能的布置在靠近凝汽器的位置，但考虑到操作方便，调节阀一般支撑于0m的地面上，而节流孔板则可以布置在靠近凝汽器入口附近。
除了减少汽蚀段的长度外，设计单位还可以通过选择更好的汽蚀段管道的材质和更厚的管道来抵抗这种风险。一般汽蚀段管道采用合金钢来代替普通碳钢，另外管道的规格也需要增大一档，可以一定程度上适用流体的膨胀，同时管道的壁厚也要适当增加2mm左右的腐蚀余量。
在管件的选择上，常用热压三通来代替热压弯头，是因为流体的流动特性决定了热压弯头是汽蚀最易发生的地方，改为热压三通能改善流体的流动，从而减轻汽蚀的程度。
4.3合理分配选择调节阀及节流孔板的压力降
除了合理布置调节阀和节流孔板的位置外，合理的选择调节阀和节流孔板也是解决汽蚀问题的有效方法。
上面已经讲过，调节阀不宜降压过大，否则会造成阀后产生汽蚀问题，当阀前后压力差达到一定程度时，调节阀出口部分流体汽化，管道流量不再随压差增加而增加，即形成所谓的阻塞现象。阻塞现场除了导致严重的汽蚀外，也是激振的重要来源，极易引发振动。
所以合理选用调节阀和节流孔板联合运行关系着机组的安全运行，根据经验，调节阀后压力宜选择1.0~1.5Mpa之间，节流孔板后压力宜选在0.4~0.6Mpa[4]。
具体的压力选择最好基于工程的设计数据，在计算的基础上确定。
5结论
本文分析了凝结水再循环管道经常出现的振动和汽蚀问题发生的原因，并由此出发，分别提出具体的解决方案。在凝结水再循环管道设计中要注意管道的布置不能太柔，支吊架设计中尽可能增加固定，限位等形式的支吊架，以提高管系的一阶固有频率，以减小管道的振动；另外调节阀后的管道宜采用合金钢，管道规格宜加大一两档，考虑不少于2mm的腐蚀余量，调节阀后的弯头需改用热压三通来代替，调节阀和节流孔板尽量靠近凝汽器布置；合理分配各段压力降，调节阀后压力宜选择1.0~1.5MPa之间，节流孔板后压力宜选在0.4~0.6MPa。
参考文献
[1]GB50660-2011,大中型火力发电厂设计规程[S].北京:中国计划出版社,2011.
[2]DL/T5054-1996,火力发电厂汽水管道设计技术规定[S].北京:中国电力出版社,1996.

-全文完-