電廠汽水系統(tǒng)管道振動(dòng)分析

1、火電廠汽水系統(tǒng)管道振動(dòng)分析高皓（大唐韓城第二發(fā)電有限責(zé)任公司 陜西省 韓城市 715400）摘要：本文主要是根據(jù)某600MW機(jī)組出現(xiàn)的幾起振動(dòng)，對(duì)火電廠汽水系統(tǒng)管系振動(dòng)從理論以及實(shí)際的處理進(jìn)行了分析，以解決生產(chǎn)中出現(xiàn)的振動(dòng)問題。關(guān)鍵詞：管系；振動(dòng)；兩相流；熱力管道Analysis of the Vibration of the Steam-Water System Piping of the Thermal Power PlantGAO HaoAbstract: This paper is based on several vibration appeared on a 600MW unit

2、,its analyzed the vibration of the steam-water system piping of the thermal power plant from theoretical and practical treatment, to solve the vibration problems that appear on production.Key words: piping;vibration; Two-phase flow; Thermal pipeline.振動(dòng)是火電廠汽水系統(tǒng)運(yùn)行中的一種多發(fā)現(xiàn)象，管道振動(dòng)的存在可能導(dǎo)致支吊架松動(dòng)失效。振動(dòng)產(chǎn)生的往復(fù)力可能

3、是管道局部發(fā)生疲勞破壞，并對(duì)連接的設(shè)備產(chǎn)生附加推力，造成設(shè)備的損害，影響電廠安全運(yùn)行。1 我廠出現(xiàn)的幾起振動(dòng)1號(hào)機(jī)啟動(dòng)過程中由于高旁管道有存水，導(dǎo)致投入高旁后管道振動(dòng)大，振動(dòng)造成6.9m平臺(tái)地面瓷磚部分揭起。1號(hào)機(jī)小修啟動(dòng)后加至300MW，由于凝泵入口濾網(wǎng)差壓高，CRT測(cè)點(diǎn)異常未及時(shí)發(fā)現(xiàn)，凝泵入口汽化，凝泵振動(dòng)，導(dǎo)致凝結(jié)水管路振動(dòng)，汽輪機(jī)后缸噴水管路由于長期未更換，彎頭振動(dòng)，機(jī)組非停。啟動(dòng)過程中投入高加，投入方式不當(dāng)，造成高加疏水管道振動(dòng)，導(dǎo)致部分管系支吊架移位、變形、斷裂。二期機(jī)組中壓缸啟動(dòng)，啟動(dòng)過程中投入高加由于二抽壓力不足導(dǎo)致3號(hào)高加蒸汽逆流，疏水管道振動(dòng)。能看出管道振動(dòng)的原因很多，但如

4、果能正確認(rèn)識(shí)每種振動(dòng)的原因就能用合理的方法避免。2 振動(dòng)的形成2.1 振動(dòng)形成的原因火力發(fā)電廠汽水系統(tǒng)承擔(dān)著重要的汽水循環(huán)任務(wù)。管道作為熱力個(gè)系統(tǒng)設(shè)備之間的聯(lián)絡(luò)管路，是發(fā)電廠熱力系統(tǒng)必不可少的重要組成部分。管道內(nèi)流動(dòng)的介質(zhì)性質(zhì)不同對(duì)管道的作用力也不同。如果管內(nèi)流體為不穩(wěn)定，流體就有可能成為管道的振源；汽液兩相流可能引起管道振動(dòng)，汽液兩相流當(dāng)存在與外界的熱交換時(shí)，流體吸熱或散熱，汽液比發(fā)生變化，在局部產(chǎn)生流體沖擊，尤其是存在向外散熱的情況時(shí)，流體中的介質(zhì)蒸汽可局部冷凝，其體積在瞬間產(chǎn)生很大的變化，附近液流高速移動(dòng)占據(jù)這個(gè)空間，形成沖擊引起振動(dòng)。氣液兩相流形態(tài)復(fù)雜，各處不完全相同，形成多種流型，這

5、樣各處的密度不完全相等，在流體流動(dòng)方向發(fā)生變化的地方會(huì)產(chǎn)生沖擊力而引起振動(dòng)。電廠龐大復(fù)雜的管道系統(tǒng)最重要承載部件是各種形式的支吊架。支吊架的性能好壞、承載合理與否直接影響到電廠管道乃至整個(gè)機(jī)組的安全運(yùn)行。汽水管道振動(dòng)的破壞力大部分作用在與之連接的支吊架上。支吊架發(fā)生故障而失去作用則會(huì)加劇管道的振動(dòng)。2.2 汽液兩相流由兩種態(tài)的物質(zhì)組成的兩相體系的流動(dòng)問題就稱為兩相流，與管道振動(dòng)關(guān)系密切的兩相流主要是氣態(tài)與液態(tài)的兩相流，尤其是伴有相變的兩相流，如處于飽和狀態(tài)的兩相流，像飽和蒸汽的輸送管道、管式加熱爐的爐管，管內(nèi)的流體在一定條件下處于兩相流狀態(tài)。在這種狀態(tài)下的流體存在熱量傳遞的時(shí)候就會(huì)出現(xiàn)相變，受

6、熱液態(tài)部分流體汽化，散熱則氣態(tài)部分流體液化。這樣，流體的體積發(fā)生突然的變化，流體的流動(dòng)狀態(tài)也受到擾動(dòng)，均可能對(duì)管道振動(dòng)起激發(fā)的作用。無相變兩相流的各相在流動(dòng)中均不發(fā)生相變，氣相和液相在流體中所占的比例不變，但兩相的分布情況并不都是均勻的。氣、液兩相在混合流體中占的比例不同，流動(dòng)的速度不同，流體的熱力學(xué)參數(shù)不同，會(huì)形成各種不同的相分界面的幾何圖形。介質(zhì)的表面張力使其產(chǎn)生曲面的趨勢(shì)，如空氣中的液滴和液體中的氣泡均呈曲面形狀，空氣中的液滴越小越接近球狀，液滴越大變形越厲害。反之液體中的小氣泡接近球形，大氣泡的形狀會(huì)改變。工程上為分析問題需要人為地將它們分成若干種型狀，即常說的流型。這種分類不是很確切

7、，因?yàn)榻缑鎴D形結(jié)構(gòu)不是固定不變的，事實(shí)上隨時(shí)發(fā)生變化，而且在一個(gè)管道中的兩相流在不同的位置、不同的時(shí)間所呈現(xiàn)的界面圖形有可能超出某種流型的界限。一般使用較多的流型分類分為層流、波狀流、霧狀流、液節(jié)流、氣泡流等。在水平管道內(nèi)汽液兩相流可分為以下幾種，如圖一。圖一 水平管道兩相流流型在垂直管道內(nèi)汽液兩相流可分為以下幾種，如圖二。圖二 垂直管道兩相流流型從上面的圖中不難看出，液節(jié)流易引起管道振動(dòng)，應(yīng)盡量避開它。爐管不僅從動(dòng)力角度考慮不要出現(xiàn)液節(jié)流，還要從傳熱方面考慮，爐管內(nèi)氣液兩相流流型以霧狀流最好，有些地方出現(xiàn)環(huán)狀流或分散氣泡流也可以。因?yàn)榇嬖谙嘧冞^程，兩相流中汽、液比就發(fā)生變化。由于相同質(zhì)量的物

8、質(zhì)，以液態(tài)或汽態(tài)存在所占有的空間有很大的區(qū)別，因而對(duì)體積流速或壓力等熱力參數(shù)會(huì)產(chǎn)生顯著影響，勢(shì)必對(duì)流型也會(huì)有影響。一根輸送飽和蒸汽的管道沿途要散發(fā)熱量，沿程摩擦損失也消耗能量，勢(shì)必有部分蒸汽液化以求得平衡，隨汽液比的變化和流速的變化兩相流型亦發(fā)生變化。當(dāng)處于長泡帶和液節(jié)流流型時(shí)，有可能激發(fā)管道振動(dòng)。這里隨相變的發(fā)生還可能出現(xiàn)一些其他問題，如在某一瞬間因受熱液體汽化，占有的體積激增，附近可能受到較大的壓力。這個(gè)壓力有可能使原來的氣泡突然潰破，周圍的介質(zhì)就自然會(huì)立即向這個(gè)空穴運(yùn)動(dòng)，這種情況會(huì)發(fā)出噪音，并激發(fā)管道振動(dòng)。3 振動(dòng)的避免火力發(fā)電廠中管系的振動(dòng)大多都為管道中存在汽液或氣液兩相流，為避免或減

9、小兩相流引起的管道振動(dòng)，可以根據(jù)引起振動(dòng)的原理從兩方面采取措施。3.1 減小激振力。如對(duì)輸送飽和狀態(tài)的兩相流的管道提高隔熱設(shè)計(jì)要求，盡量縮短管道長度，適當(dāng)降低管內(nèi)流體速度，以使液化的氣體減少，相變的過程不要過分激烈。設(shè)計(jì)時(shí)選擇適當(dāng)?shù)墓軆?nèi)流速避免出現(xiàn)液節(jié)流。采用較大彎曲半徑的彎頭。這樣彎管的展開長度長，彎管部位的流體較多，如前面分析的管兩端彎頭中的流體質(zhì)量差值較小，由此引起的不平衡離心力減小，即減小了激振力。3.2 加強(qiáng)支架剛度由于兩相流的特殊性質(zhì)，必然要產(chǎn)生對(duì)管道的激振力，兩相流的不穩(wěn)定性質(zhì)，在實(shí)際生產(chǎn)中又不可避免地出現(xiàn)工藝參數(shù)的波動(dòng)，設(shè)計(jì)考慮再周到也不可能完全消除激振力。所以，還要從另一個(gè)角

10、度考慮，即提高管道的抗振能力，設(shè)計(jì)中按照某種極限情況計(jì)算激振力。如果振動(dòng)是由于隨機(jī)激振力引起的，要檢測(cè)振動(dòng)的頻率和位移，再計(jì)算管系的自振頻率。若確定共振是管道振動(dòng)的原因，則修改支架，改變管道自振頻率，避開共振。為使支架設(shè)置位置和選型合理，需對(duì)管道作動(dòng)力響應(yīng)分析。但要注意一點(diǎn)，不要一味地加固支座，要保證管道具有足夠的吸收熱膨脹變形的能力。否則，振動(dòng)問題解決了，熱應(yīng)力過大仍然不能保證管系長時(shí)間安全運(yùn)行。4 火電廠中常見的振動(dòng)4.1 水泵汽化當(dāng)水泵入口溫度高于入口壓力下的飽和溫度時(shí)，以及出口流量小于泵的最低流量時(shí)，即要產(chǎn)生汽化。泵汽化時(shí)，泵出口壓力、流量下降或晃動(dòng)，泵體及管道發(fā)生噪聲和異常振動(dòng)，泵電

11、機(jī)電流下降晃動(dòng)。當(dāng)泵發(fā)生汽化時(shí)應(yīng)立即停運(yùn)故障泵，啟動(dòng)備用泵。并做以下檢查：a.檢查泵在低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)在循環(huán)管路是否暢通，其給水流量是否大于泵的最小流量，避免介質(zhì)在泵內(nèi)長期磨擦發(fā)生汽化。b.檢查泵入口濾網(wǎng)是否堵塞，防止由于入口流量不足，造成進(jìn)口壓力下降，入口汽化。c.檢查給水泵的進(jìn)口溫度是否符合設(shè)計(jì)要求。d.檢查泵吸吸入口高度是否符合設(shè)計(jì)要求，是否滿足泵所要求的必須汽蝕余量。4.2 管道水擊、水錘水擊現(xiàn)象：當(dāng)壓力管道的閥門突然關(guān)閉或開啟時(shí)，當(dāng)水泵突然停止或啟動(dòng)時(shí)，因瞬時(shí)流速發(fā)生急劇變化，引起液體動(dòng)量迅速改變，而使壓力顯著變化。管道上止回閥失靈，也會(huì)發(fā)生水擊現(xiàn)象。a.可在管路上設(shè)置空氣室或安裝安全閥

12、，當(dāng)管道中壓力升高超過允許數(shù)值時(shí)，空氣室可以減緩壓力的突升或使用安全閥開啟泄壓，使管中壓力不致有太大的升高。b.盡量縮短管路長度，增大管道直徑以降低管中流速，從而使水擊發(fā)生時(shí)速度的變化量降低，相應(yīng)的降低水擊壓力的數(shù)值。c.管系啟動(dòng)前要進(jìn)行注水、排空氣，保證管系啟動(dòng)后管中無法生成氣泡，否則氣泡的潰滅和產(chǎn)生將會(huì)對(duì)管道造成空蝕破壞。d.采取正確的閥門操作方法或保證閥門有一定的啟閉時(shí)間，水泵的啟停過程中嚴(yán)格的控制閥門的開關(guān)順序，也能有效的保護(hù)泵體和管路。e.在容易發(fā)生液壓沖擊的部位采用橡膠軟管或設(shè)置蓄能器，以吸收沖擊壓力。4.3 熱力管道振動(dòng)在蒸汽管道中，若暖管不充分，疏水不徹底，導(dǎo)致送出的蒸汽部分凝

13、結(jié)成水，體積突然縮小，造成局部真空，周圍介質(zhì)將高速向此處沖擊，高溫蒸汽也會(huì)帶動(dòng)管內(nèi)的冷凝水高速運(yùn)動(dòng)，在管道彎頭和閥門處，由于汽水流速和方向的改變?cè)斐伤疀_擊，引發(fā)管道振動(dòng)。a.投入蒸汽母管時(shí)，應(yīng)全面考慮，及時(shí)排放低凹段和端頭“死區(qū)”的積水，并在有小壓力下情況下，進(jìn)行較長時(shí)間的暖管，以疏水管沒有疏水為準(zhǔn)，暖管時(shí)根據(jù)管系溫度合理控制進(jìn)汽量，保證溫升3-5/min。暖管結(jié)束后，應(yīng)逐漸提高母管壓力。b.未投入的蒸汽母管，供汽管道的積水應(yīng)保持常排放狀態(tài)，以防止事故狀態(tài)下或緊急投入狀態(tài)時(shí)的管道振動(dòng)。c.高、低壓旁路投入前，應(yīng)進(jìn)行徹底疏水，具備投入條件時(shí)，再開啟高壓旁路門至510%暖管510分鐘后，再根據(jù)需要

14、緩慢開啟調(diào)整門。d.高、低壓加熱器應(yīng)保證有水運(yùn)行，嚴(yán)禁滿水運(yùn)行，以防止造成管道及加熱器振動(dòng)，致使管道和閥門的法蘭發(fā)生漏泄。嚴(yán)禁高、低壓加熱器無水運(yùn)行，以防止兩相流動(dòng)對(duì)管道沖擊引起的振動(dòng)，同時(shí)還可以減少對(duì)管道和閥門的沖刷。e.鍋爐、除氧器進(jìn)行超壓試驗(yàn)的機(jī)組，應(yīng)檢查抽汽管道的返水情況，并應(yīng)排凈積水。f.高壓加熱器切除后，應(yīng)首先關(guān)閉各高加疏水調(diào)整門，關(guān)嚴(yán)高加進(jìn)汽門、高加疏水導(dǎo)除氧器電動(dòng)門，防止較高壓力的蒸汽通過下一級(jí)高加倒流入較低壓力的蒸汽管道中，造成下一級(jí)高加進(jìn)汽管道振動(dòng)和高加疏水管道振動(dòng)。g.在正常運(yùn)行中，要嚴(yán)格控制進(jìn)入凝汽器的熱負(fù)荷，以避免因熱負(fù)荷過大引起的凝汽器振動(dòng)。h.部分管道設(shè)計(jì)缺陷造成疏水無法排除，可用小流量蒸汽對(duì)疏水進(jìn)行加熱或?qū)⑹杷畮е疗渌惺杷艿墓苈愤M(jìn)行排除。i.帶有液位罐的疏水要對(duì)疏水罐液位計(jì)加強(qiáng)校驗(yàn)，防止因?yàn)闇y(cè)點(diǎn)問題導(dǎo)致人員誤判斷，未將疏水排除就通入大量蒸汽，導(dǎo)致管系振動(dòng)。j. 停運(yùn)后的蒸汽管道發(fā)生水擊時(shí)，一要檢查相關(guān)進(jìn)汽閥門是否關(guān)閉嚴(yán)密，二要檢查停運(yùn)管道疏水是否開啟，如未開啟要及時(shí)緩慢開啟。k.采用疏水母管系統(tǒng)時(shí)，還要避免疏水母管帶壓，其它管道的蒸汽通過疏水管道串入停運(yùn)的蒸汽管道內(nèi)，致使管道的水擊現(xiàn)象加劇。4.4 支吊