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1、2012年第 10期 东北电力技术 41 某电厂高加疏水管道振动控制 田成川，张超群，陈凯 (辽宁省电力有限公司电力科学研宄院，辽宁沈阳 110006) 摘要：某电厂高加疏水管道运行时存在剧烈振动。通过对该管道系统进行应力分析与模态分析，结合对该管道系统的振动 状态检测，确定了采取增加管道系统刚度与结构阻尼相结合的方法来控制高加疏水管道振动。改造后高加疏水管道系统特 征频率由低频段向高频段偏移，有效避免了共振的发生。 关键词：振动；管道支吊架；应力分析；阻尼；模态分析；特征频率 中图分类号 TM621.7+2; TK264. 1 献标志码 A $：章编号 1004 -7913 (2012) 1
2、0 -0041 -03 The Vibration Control for Drainage Water Piping of High Pressure Heater in Given Power Plant TIAN Cheng-chuan? ZHANG Chao-qun? CHEN Kai (Electric Power Research Instiute of Liaoning Electric Power Co. Ltd. Shenyang, Liaoning 110006， China) Abstract: Serious vibration exists in the draina
3、ge water piping of high pressure heater in an electric power plant during operation. Through pipe system stress analysis and model analysis combining with condition detection, it is determined to increase pipe system ri- gidity associated with structural damping to control the vibration. Key words:
4、Vibration； Pipe4ianger； Stress analysis； Damping； Model analysis； Characteristic frequency 高加疏水系统管道普遍存在低频高幅振动，造 成高压加热器不能正常投运，直接影响到发电机组 的安全及回热效率。关于高加疏水管道振动的原因 分析及治理工作，崔社利用 TQC因果分析方法确 定引起高加疏水管道振动的原因 1，文立斌系统 分析了高加疏水器工作原理，提出气液两相流是引 起高加疏水管道振动的主因 2，前两者均通过调 整调节阀位置对振动情况进行治理。贺苏军根据设 备系统异常情况分析，确认高加疏水密封盒有裂纹 是产生
5、振动的主因，并对高加进行了更换 3。 笔者针对某电厂高加疏水管道振动问题，对管 道系统进行了应力分析、模态分析，同时利用振动 检测设备对管道系统的振动状态进行了测量，结合 计算和测量的结果对比分析，确定通过增加管道系 统刚度与结构阻尼相结合的方法，达到消除流体介 质激励引起的管道振动问题。 1管道的振动状态 某电厂 350 MW机组 1号高加至 2号高加疏水 管道运行时，存在低频高幅振动，该管道及支吊架 布置如图 1所示。首先对管道支吊架状态进行了检 查，支吊架的状态直接影响管道的应力状态 4， 原设计共 8组刚性吊架、 1组弹簧吊架、 1组滑动 支架各支吊架状态正常。管道振动状态剧烈，最大
6、的位置为 S210至 S208之间的管道，其次是 S202 至 S203号吊架之间的管道，管道振动的摆幅最大达 到 20 1111。利用振动测量仪器对管道的 3203、 3208 号吊架处的管道振动速度及频谱进行了测量，其中 S208号吊架处东西方向最大振动速度达到 61.87 mm/S,超过火力发电厂汽水管道振动控制导则 (DL/T 292 2011)要求的允许峰值速度 3倍之多。 该高加疏水管道主要参数如下：规格 D273 X 42 东北电力技术 2012年第 10期 8 mm;材质 20号钢；运行温度 265. 1丈；运行压 力4. 82 MPa;运行介质为水。 2振动原因及对策 上一级
7、高加疏水经过调节阀通过疏水管道进入 下一级高加，下一级高加相对于上一级高加存在一 定的压力差，对应饱和蒸汽压力疏水发生部分汽 化，形成的气液两相流对管道产生脉动激扰，引起 管道系统振动。 管道振动分析（动力分析）的任务在于根据 确定的激扰条件和管系结构，分析其系统的振动特 性和振动响应，验算其是否在允许范围内。而管道 的振动设计（动力设计）的任务则是设计或研宄 改变管系结构的振动特性，使其在一定的激扰条件 下系统的动响应满足规定条件。这也是管线的布置 及支吊架的选型和设计的任务。 管系的运动微分方程可以表示为 M (Z(f) + C X(t) + R X(t) = F(t) (1) 式中， M
8、、 C、 A分别为管系的质量矩阵、阻 尼矩阵和刚度矩阵，通常为阶实对称矩阵 ; 文 （ f)、 ir W、 Z W分别为管系结构质 点的加速度、速度和位移的阶列向量； FU) 为管系结构所承受的激扰力列向量，激扰力包括机 械振动、流体振动和地震的激扰力。 由式 （ 1)可知：消除和控制振动的对策有消 减管系的激扰力和改善管系的振动特性 2个方 面5。消减激扰力，也就是消减振源，这是管道 减振的首要任务。然而，振源不可能根绝，管系振 动难以完全避免。因此，需要采取措施尽量减缓所 发生的振动，使其响应控制在允 许的范围内，这就 要研宄改变管系的结构特性。从式 （ 1)可知表征 管系结构的特征是管系
9、结构的质量矩阵 M、 阻 尼矩阵 C 和刚度矩阵 Aa其中质量矩阵 M在管子尺寸和管线形状确定以后 ，一 般不可 能有明显的改变。因此，管系的抗震设计的着眼点 在于提高管系结构的刚度和增加管系结构的阻尼。 3计算分析及治理措施 对该管道系统进行应力分析与模态分析，原管 道系统应力均小于许用应力，原管道系统模态频率 为：一阶 0.51 Hz、 二阶 0.81 Hz,三阶 1.58 Hz。 通过对管道系统的振动测量，振动特征频率为 1.75 Hz。 由于高加疏水管道中介质存在气相，管 道的模态频率会较单一的液相提高 K。计算模态 时，介质是按单一液相计算的，所以该管道实际三 阶模态频率应略高于 1
10、.58 Hz， 与测量结果的1.75 Hz基本吻合。同时，计算所得三阶振型与管道实 际振动状态吻合，可见该管道振动原因是管道中气 液两相流介质的激扰频率与该管道的三阶模态频率 耦合产生的共振现象。 首先，选择管道系统的热位移较小点增加 1组 固定支架，固定支架限制了该点管道的 6个方向的 自由度，可使管道系统刚 度有很大程度提高，配合 固定支架相邻位置增加 1组导向支架，但增加固定 支架会使管道系统的二次应力増加，必须建立在严 格的应力分析基础之上 7。其次，在管道系统振 动较大位置增加阻尼器，提高管道系统结构阻尼， 耗散和吸收振动能量而减轻结构的动力反应 8。 因此，在如图 1所示的 206
11、号位置増加 1组固定支 架、 205号位置增加 1组导向支架， J1 -J4位置増 加 5组阻尼器。改造后，管道系统的模态频率有很 大提高，一阶模态频率即达到 2. 88 Hz， 避开原发 生共振的 1.75 Hz， 可以有效消除高加疏水管道振 动现象。改造前后的管道系统应力状态及模态频率 分别如表 1、表 2所示。 4 振 动 测 量 对该管道改造后，高加疏水管道正常投运，未 见明显振动。再次对管道的 S203、 S208号吊架处 的管道振动速度及频谱进行了测量，管道振动速度 大幅下降，将管道东西方向振动的最大峰值速度由 61. 87 mm/s降低到 12. 06 mm/s， 改造前后管道振
12、 表 1改造前后的最大应力状态 状态 一次应力 /MPa 二次应力 /MPa -次应力 /许用应力 二次应力 /许用应力 改造前 51.23 45.44 1 1 42 ( ).24 改造后 51. 13 82. 79 I 1 42 ( ).43 表 2 改造前后的模态频率 Hz 状态 一阶 二阶 三阶 四阶 五阶 六阶 七阶 八阶 改造前 0.51 0.81 1.58 2. 23 2. 58 2. 80 4.44 5. 10 改造后 2.88 2.98 6.00 6.67 7. 10 8.67 9. 26 11. 88 2012年第 10期 东北电力技术 43 图 2改造前频谱图 (a) -
13、%方向频谱； （ b) - J方向频谱； (c) z方向频谱 5 结论 a.固定支架可使管道刚度有较大提高，但固 定支架会使管道系统的二次应力明显增大，需对管 道系统进行应力分析，选择管道热位移较小点増加。 h-阻尼器能够较好地消耗掉管道系统受激扰 产生振动的能量，提高管道系统各阶模态频率，在 图 3改造后频谱图 (a) - %方向频谱； （ b) - y方向频谱； (c) z方向频谱 管道振动控制中起到重要作用。 C.固定支架与阻尼器组合使用，可使管道系 统受激扰产生共振的特征频率向高频段偏移，对于 控制管道振动起到了很好的效果。 参考文献： 1 崔社 .解决高加疏水管道振动的研宄 D.山西
14、电力技 术， 1998, 79 (2) : 19 -21. 2 文立斌 .卧式高加疏水管道大幅振动的分析和处理 LJ. 广西电力， 2011， 34 (1): 24-25. 3 贺苏军 .高加疏水管道振动产生的原因及处理 LJ.电力 安全技术， 2010， 12 (11): 60-61. 4 张超群 .火力发电厂汽水管道支架检验、改造与调整 D. 东北电力技术， 2005, 26 (4) : 1-4. 5 曹树谦，张 文德，萧龙翔 .振动结构模态分析 理论、 实验与应用 M， 天津：天津大学出版社， 2001. 6 李兵，谢里阳，郭星辉，等 .流体对薄壁圆柱管振动频 率的影响D.振动与冲击，
15、2010, 29 (7): 193 -196. 7 田成川，闵玲春，徐云启 .某电厂 350 MW机组再热（热段 ） 蒸汽 管道下沉治理 D.东北电力技术， 2011,32(8) :30 -32. 8 李爱群，翟伟廉 .工程结构减振控制 M， 北京：机械工 业出版社， 2007. 作者简介： 田成川 （ 1983 ），硕士，工程师，主要从事管道应力分析、 管道支吊架调整改造与管道振动治理工作。 (收稿日期 2012 -07 -23) 动速度对比见表 3,按照火力发电厂汽水管道振 动控制导则 DL/T292 2011评级，达到了优秀 级。管道改造前后的特征频谱图分别见图 2、图 3, 每幅图中由
16、上向下依次是 Z (南 ） 、 r (上 ） 、 Z (东）三个方向的特征频谱图，纵坐标为振动速度 峰值（ mm/S)，横坐标为振动峰值对应的特征频率 (Hz)，可知高加疏水管道系统特征频率由低频段 向高频段偏移， X、 F方向特征频率由 1.75 Hz增 大到14 Hz， Z方向振动的特征频率甚至増大到 44.25 Hz， 远远避开了改造后的高加疏水管道系统 一至八阶模态频率，有效避免了共振的发生。 表 3管 道 改造 后 S203号吊架处速度测量 mm/S 序号 南北 上下 东西 S203号处理前 41.01 6.53 14.97 S203号处理后 4.755 7. 141 6. 223 S208号处理前 40.50 39.66 61. 87 S208号处理后 5. 13 10.33 12. 06