火电厂高压给水管道振动的诊断与治理.pdf

第 3 8卷 第 1 O期 2 0 1 6年 l 0月 华 电 技 术 Hu a d i a n T e c h n o l o g y Vo l _ 3 8 No 1 0 0c t 2 01 6 火电厂高压给水管道振动的诊断与治理 胡鑫 ， 刘 明 ( 华电电力科学研究院， 杭州3 1 0 0 3 0 ) 摘要： 结合某电厂高压给水管道的振动问题， 从机械系统的振动方程入手， 综合宏观检查、 振动测试、 仿真分析等研究 手段， 应用刚性限位、 液压阻尼器、 黏滞液阻尼器等减振装置， 建立了一套理论严谨、 现实可操作性强、 实用效果明显的管 道控制研究方法， 为火电厂管道振动治理问题提供了可供参考的经验。 关键词： 高压给水管道； 振动； 测试 ； 阻尼器 中图分类号： T M 6 2 1 4 文献标志码： B 文章编号： 1 6 7 41 9 5 1 ( 2 0 1 6 ) 1 00 0 3 7 0 3 0 引言 随着火电厂机组容量和参数的不断提高， 汽水 管道振动的危害越来越 明显 ， 发生振动 的管道 系统 也越来越普遍 ， 管道振动已成为影响 电厂安全运行 的重大隐患之一。因此， 开展火电厂管道振动诊断 与控制技术研究 ， 有着广泛的实 际需求和重要 的安 全价值。 火 电厂高压给水管道作为四大管道之一 ， 是电 厂汽水系统循环连通的重要组成， 其主要特点是管 径粗、 管内流体介质压力大 、 温度高 ， 因而高压 给水 管道一旦发生振动， 其危害及处理难度都高于一般 小管道的振动。 1 管道振动控制方法 管道系统的振动一般是作用在管系上的周期性 激振力引起的受迫振动， 按照经典 的振动理论 ， 一个 机械系统 的振动方程可以表述为 ： M 4 - c + K = F( f ) ， ( 1 ) 式 中： 为质量矩 阵； c 为 阻尼矩 阵； 为 刚 度矩阵； 为位移向量； F ( t ) 为广义载荷向量。 引起管道振动的原 因主要有管 内介质脉动 、 紊 流引起的振动、 设备缺陷引起 的振动 、 水锤引起的振 动等 J 。能够找 到管 系振 动 的根本原 因并 顺利解 决为最优方案， 但是很多情况下的管系振动是多重 因素影响下的综合结果 ， 很难 明确确认振动原因， 或 是由于主设备的固有特性无法更改， 使得期望从根 本上消除或减小激振力来消除或缓解管道振动的方 法无法实现 ， 在这种状态下 只能从管系结构本身人 手 ， 找到解决问题的办法 。 由式 ( 1 ) 所示的振动方程可知 ， 从管系 自身结 收稿 日期： 2 0 1 6 0 91 2 ； 修回日期： 2 0 1 6 0 9 2 6 构特性来看 ， 影响管系振动特性的就是系统质量 、 系 统阻尼以及系统刚度 。现役 电厂 中管道型号 、 走 向 等都已确定， 重新改变管道质量分布的工作量较大、 经济性较差 ， 因此对 于现役管道的减振一般不从质 量矩阵方面考虑， 可供选择的振动控制思路主要有 以下 2个方面。 ( 1 ) 改变系统的阻尼。通过在适当位置加装阻 尼器的方式 ， 耗散管系结构振动的能量 ， 降低振动量 值 ， 减少结构的动力响应 ， 从而达到缓解管道振动的 目的 。 ( 2 ) 改变系统的刚度。系统 的固有频率与振动 特性息息相关 ， 当外在激振频率 与系统 固有频率相 接近时 ， 容易 产生 共振。此 外如 果管 系基频 过低 ( 管系柔性过大) ， 可能即使避开了激振频率， 受到 激振力作用后仍会导致管系振动 j 。因而 D L T 5 0 5 4 -1 9 9 6 ( 火力发电厂汽水管道设计技术规定 中明确规定管道一阶固有频率应大于 3 5 H z _ 5 j 。管 道系统的固有频率与其刚度特性有直接关系 ， 一般 刚度越大 ， 其对应的固有频率越高 ， 因而可通过加装 限位装置 的方式改变管系 刚度来调节 系统 固有频 率， 以避开激振频率或提高管系基频。 2 振动控制研究技术路线 建立管道振动诊断与治理研究技术路线如 图 1 所示 ， 主要研究 内容包括以下几个方面。 ( 1 ) 资料 收集 、 宏观检查 ： 包括管道系统布置、 管道材料与规格 、 支吊架布置与类型、 运行参数、 介 质类型与流速等相关资料收集 ， 以及现场管道运行 状态 、 支吊架性能状态的宏观检查。 ( 2 ) 振动测试 ： 在机组运行状态下采用便携式 振动测试仪测定振动管道的振动频率 、 振幅等参数 ， 初步了解管道振动形态 、 振动等级等。同时也为后 面的仿真分析提供对比参考数据。 3 8 华 电技 术 第 3 8卷 图 1技术路线 ( 3 ) 仿真分析： 采用管系应力分析软件进行管 系静态应力校核和动态仿真分析 。管系静态应力校 核目的是确保管系在实际工作状态下各部位应力在 允许范 围之 内， 以便判断管道系统布置与设计 的符 合性、 支吊架布置与设计的符合性等。管系动态仿 真分析主要用于分析管系振动模态及频率， 以确定 管系设计、 支 吊架布置与选型是否合理 。 实际动态仿真分析过程中需参照振动测试结果 不断修正分析模型， 直到仿真分析结果与实际测试 结果相吻合。并在此经修正正确后的计算模型基础 上 ， 考虑加设适当的减振装置 ， 验证 多种减振方案 ， 以便选择最佳的处理方法， 从而达到改变管系模态 及频率分布、 降低管道振幅、 消除管道振动危害的 目的 。 ( 4 ) 处理方案： 对于在役汽水管道系统而言， 管 道规格、 布置走向及支撑方式都 已确定。通过改变管 道走 向、 管径、 壁厚的方式不仅施工工作量大、 周期 长 、 经济性差 ， 而且也无必要。因而最合适 、 经济的减 振方法就是在保证管系应力合格的前提下 ， 不改变原 来支 吊架的位置 ， 仅在适 当位置加装适 当减振装置。 常用的减振装置主要包括刚性限位、 液压阻尼器和耗 能型阻尼器 ， 常用减振装置特点对比见表 1 。 ( 5 ) 方案实施： 在机组停机检修时， 按照处理方 案加装适当的减振装 置， 同时将管系 中工作性能异 常的支 吊架进行调整或更换 ， 确保施工质量满足方 案 中提 出的各项技术要求 。 ( 6 ) 效果评估测试： 机组重新启动后， 采用振动 测试仪对管道振动情况再 次进行测试 ， 与处理前 的 测试结果进行 对 比， 同时参 照 D L T 2 9 2 _2 0 1 1 火 力发电厂汽水管道振动控制导则 评价判断处理 后的管道振动情况是否满足要求。 3 工程实例 某电厂 2 X 3 3 0 M W亚临界机组高压给水管道 在机组运行时锅炉侧存在 明显振动现象 ， 发生振动 的管段主要位于省煤器进口端水平段与相邻的竖直 管段( 3 2吊架至 4 O吊架之间) ， 具体管道( 锅炉 侧) 布置如图 2所示。管道振动主要以水平方 向的 低频振动为主。随着机组负荷 的升高和运行时间的 增长 ， 管道振 动越来越显著 ， 严重影响机组 的安全 运行。 图2 高压给水管道( 锅炉侧) 布置 该高压 给水管道 ( 隔离 阀至省煤器入 口段 ) 规 格 ， 4 0 6 4 mm3 1 m m； 材质 ， 1 5 N i C u M o N b 5 6 4 ； 设计温度 ， 2 7 9 7 o C； 设计压力 ， 2 4 0 7 MP a 。对该 高压给水管系进行静力校核计算显示 ， 管道支 吊架 选型合理、 吊点荷载及热位移与原设计计算一致， 管 系应力合格。 表 1 常用减振装置特点对比 第 1 0期 胡鑫 ， 等 ： 火电厂高压给水管道振动的诊断与治理 3 9 在静态分析模型的基础上将主要振动区域管道 单元细化， 对其进行模态分析， 详细分析结果如图3 所示 。 a一 r 振 型 b二 阶振 型 C三 阶 振 型 ( 频率0 9 1 H z ) ( 频率 1 0 6 H z ) ( 频率 1 2 4 H z ) 图3 高压给水管道模态分析结果 综上所述模态计算结果可知 ， 整个模型的前三 阶振型都位于高压给水管道的主要振动管段， 振型 形态都呈现为水平向振动， 且对应自振频率均较小。 对 比现场管道振动测试结果可知 ， 现场管道振动情 况与仿真分析所得到的前三阶振型与频率基本相 符。说明该高压给水管道的振动除了内部流体作用 影响外 ， 主要还 是管道 原设计 水平 向刚性不 足造 成的。 采用上述动态仿真分析模型， 针对管道原设计 水平向刚性不足原 因， 验证多种减振装置加装方案 ， 提高管系刚度 ， 避开对低阶激振力的响应 ， 以减小管 道的振动。最终结合现场安装条件 ， 选择综合加装 刚性限位、 液压阻尼器 、 黏滞液阻尼器这 3种减振装 置， 具体方案如下。加装后的管道支吊架布置如图 4所示 。 图4 高压给水管道布置( 更改后 ) ( 1 ) 在 3 8吊架与 3 9吊架之间管段上加装 Y 向限位。 ( 2 ) 在 3 7吊架与 3 8吊架之间水平管段上加 装黏滞液阻尼器。 ( 3 ) 在 3 6吊架与附近弯头之间的管段上加装 向液压阻尼器。 ( 4 ) 在 3 3吊架与附近弯头之间的管段上加装 Y向液压阻尼器。 考虑加装减振装置后 的管道模态分析结果如图 5所示 ， 计算结果显示加装减振装置后 ， 原振动管段 的自 振频率提高、 振型幅度减小， 管系刚度明显加强。 a 一 阶振型 b二阶振型 C三阶振型 ( 频率 1 5 2H z ) ( 频率 1 9 4Hz ) ( 频率 2 1 4Hz ) 图5 加装减振装置后高压给水管道模态分析结果 为准确地掌握管道减振效果 ， 在机组重启后采 用无线动态数据采集仪对管道振动情况进行了现场 测试 ， 并与处 理前 的管道振动 测试 结果进行对 比。 测试过程中为便于传感器的固定， 测点均布置在支 吊架 的管夹上 ( 测点编号即编为对应 的吊架编号 ) ， 为保证测试数据的真实可靠性， 1 个测点 1 个方向 测量 3 4组数据 ， 取其中振动特性具有代表性 的 1 组数据进行处理。主要振动区域的部分典型测点测 试对比结果见表 2 。 表2 处理前后管道振动测试结果对比 注 ： 2次测试对应 的机组负荷均为 3 2 0MW 左右 ； 测试振幅为 峰一 峰值振幅。 ( 下转第 4 3页) 第 1 0 期 潘丽娜： 提高1 0 5 0 M W机组汽水 S i O 2 质量浓度试验结果准确度的措施 4 3 三 避 血I 1j量 = Q 图 2 2机组主蒸汽 S i O ： 质量浓度 ( 2 0 1 4年 7月至2 0 1 5年2月) 表 1 0 2机组2次检修结垢及腐蚀情况对比 通过表 l 0和上述分析可知。 ( 1 ) 主蒸汽中S i O 质量浓度合格率不存在虚高 现象 ， 监测结果准确度大大提高。 ( 2 ) 水冷壁和汽轮机 的结垢 、 积盐 、 腐蚀情况 明 显减少， 提高了炉管传热效率， 保证了汽轮机中蒸汽 流道及表面的光洁度， 提高了机组效率， 降低了能耗 水平。 ( 上接第 3 9页) 由测试结果可知 ， 处理前该管道水平 向振动明 显 ， 管道最大振幅为 6 0 mm左右 ， 振动频率主要分 布在 1 2 H z 之间。依据 D I r T 2 9 2 -2 0 1 1 火力发 电厂汽水管道振动控制导则 计算该管道的最大峰 值振动速度为 3 0 9 m m s 左右 ， 严重超过标准要求。 加装减振装置后 ， 减振效果 明显 ， 振 动幅度 明显减 小 ， 最大振幅仅为 0 5 mm左右 ， 计算所得最大峰值 振动速度为 3 6 mm s 左右 ， 符合标准 要求 。 4 结束语 综合应用多种减振装置 ， 对某 电厂 3 3 0 M W 机 组高压给水管道进行 了振动治理 ， 将其管道最大峰 值振动速度从 3 0 9 m m s左右降低到 3 6 mm s 左 右， 使之满足了相关规范要求， 消除了管道振动危 害。本文从机械系统的振动方程人手， 结合火电厂 管道工作特性， 通过宏观检查、 振动测试、 仿真分析 等研究手段建立了一套管道振动控制研究方法， 为 火电厂管道振动治理问题提供了可供参考的经验 。 目前设计规范 中规定 J ： 管道一阶固有频率应 大于3 5 H z ， 即单跨管道按简支梁计算， 其最大挠度 值不应大于 2 6 2 m m。该规定实际只对管道竖直方 2 0 1 5年上半 年供电煤耗 2 8 0 1 ( k W h ) ， 同 比降低 1 0 2 ( k W h ) 。 4 结束语 采用分光光度法测定 电厂汽水 中活性 S i O ， 质 量浓度 ， 除了注意反应温度 、 反应时间等一些试验条 件 ， 还要 注意药 品和无 s i 水的纯度 ， 尤其是酸性钼 酸铵对玻璃移液管的腐蚀性是试验人员常常忽略的 因素。通过采取一系列改进措施 ， 该公司 S i O 分析 结果的准确度明显提高。 参考文献 ： 1 中华人民共和国水利电力部 火力发电厂水、 汽试验方 法 M 北京： 水利电力出版社， 1 9 8 4 2 锅 炉用 水 和冷 却 水分 析 方 法 全 硅 的测 定： G B T 1 2 1 4 8 -2 0 0 6 S 3 火力发电机组及蒸汽动力设备水汽质量： G B T 1 2 1 4 5 2 0 0 8 S 4 火力发电厂机组大修化学检查则： D lffT 1 1 1 5 -2 0 0 9 S ( 本文责编 ： 刘炳锋 ) 作者简介： 潘丽娜( 1 9 7 5 一) ， 女， 山东威海人 ， 工程师， 从事大型火 力发电厂化学监督工作( E m a i l ： p a n r e n a 1 6 3 c o m) 。 向刚度有所要求 ， 并未考虑到管道水平方 向的刚度 问题 ， 因而造成 目前管道振动故障多发生在水平方 向， 建议以后在设计 阶段对管道三向刚度问题进行 全面的考虑。 参考文献 ： 1 刘延柱， 陈立群 ， 陈文良 振动力学 M 北京： 高等教育 出版社 ， 2 0 1 1 2 赵星海， 翟松 ， 彭龙飞， 等 火电厂管系振动原因分析及 减振方法 J 锅炉技术 ， 2 0 1 3 ， 4 4 ( 1 ) ： 6 7 7 1 3 刑景伟， 赵星海， 辛国华 电厂汽水管道振动原因分析及 解决对策 J 能源研究与信息 ， 2 0 1 2， 2 8 ( 1 ) ： 1 8 2 3 4 唐永进 压力管道应力分析 M 北京： 中国石化出版 社 ， 2 0 0 9 5 火力发电厂汽水管道设计技术规定： D I rT 5 0 5 4 -1 9 9 6 S 6 火力发电厂汽水管道振动控制导则 ： D L T 2 9 2 2 0 1 1 s ( 本文责编： 齐琳) 作者简介： 胡鑫( 1 9 8 4 一) ， 男， 浙江杭州人， 工程师 ， 从事管道检验 和应力计算分析、 管道振动分析与治理及支吊架优化调整等 方面的工作( E m a i l ： x i n h u c h d e r c o m) 。