600 MW機組鍋爐高壓給水管道振動測試分析及治理

李 英，唐 璐

（蘇州熱工研究院，江蘇 蘇州 215004）

某發電廠4×600 MW亞臨界機組鍋爐型號為SG-2028/17.5-M908，給水泵將除氧器水箱中的主凝結水提高壓力，經過高壓加熱器進—步加熱之后，輸送到鍋爐的省煤器入口，作為鍋爐的給水。給水系統采用單元制，每臺機組配有2臺50%額定容量汽動給水泵，每臺汽動給水泵有1臺定速電動機拖動的前置泵；1臺30%額定容量液力偶合器調速的電動給水泵，作為啟動和備用。系統設有單列、臥式、100%額定容量三級高壓加熱器，高壓加熱器側設大旁路，裝設1個快速電動旁路閥。

在機組試運行階段，發現4臺機組的高壓給水管道均存在間歇性管道振動。投產后在負荷調整過程中，鍋爐側高壓給水管道振幅較大，振動明顯加劇，嚴重影響機組安全穩定運行。

1 管道振動情況

高壓給水管道規格為Φ453 mm×51.5 mm，材質為A106B，設計溫度為281.6℃，設計壓力為23.5 MPa。管道及支吊架布置如圖1所示。

圖1 高壓給水管道及支吊架布置

1號機組在變負荷過程中，標高35.6 m水平段，圖1中31號吊架到39號吊架所在水平管道橫向和軸向存在劇烈振動；標高22 m水平段，28號和29號吊架所在水平管道存在劇烈振動；兩段標高間立管，30號吊架所在立管管道存在劇烈振動。

2 管道振動測試和狀態評價準則

根據現場勘查的情況，振動測量位置選在目視觀測振動幅度最大部位附近的支吊架管夾和閥門部位。支吊架管夾與管道是剛性連接，管夾的振動就反映了管道該部位的振動狀況。

從26A號彈簧吊架開始至省煤器入口這段管道振動明顯，尤其是31—36號支吊架之間的管道振動幅度最大。因此選擇31，33，36號3個支吊架的管夾位置布置傳感器，實施三向同步測量，36號位置傳感器現場布置如圖2所示[1]。

圖2 36號位置傳感器現場布置

機組負荷降到450 MW左右，保持一段時間，在11∶50開始上升，高壓給水壓力隨之慢慢增大，給水流量也在不斷增加，當12∶00時機組負荷達到483 MW，流量達到1366 t/h，給水壓力17 MPa，管道振動開始逐漸增大。當機組負荷升高到515 MW，流量達到1600 t/h左右，給水壓力上升到17.5 MPa時，高壓給水管道振動最為劇烈。從圖3機組運行趨勢上看，此時高壓給水流量變化也是最大的。當機組負荷上升到550 MW以后，流量變化漸漸趨緩，管道振動幅度有所減小。振動測試的數據如表1和表2所示。

表1 高壓給水管道振動位移

圖3 機組運行趨勢

表2 管道振動頻率

測試結果表明，高壓給水管道各測點振動幅值隨負荷變化明顯。文獻[1]提出了一個根據管道振動位移判別振動危害程度的方法，圖4給出了管道振動幅值安全判定范圍。

圖4中，曲線1表示管道振動屬于微小范圍之內；曲線2為設計管道振動允許范圍；曲線3為管道振動超標臨界范圍；當管道振動雙幅值超過曲線4后，管道應該進行抗振改造；當管道振動雙幅值超過曲線5后，管道處于危險狀態。

根據圖4及管道振動測試結果可得，高壓給水管道Y向最大振動位移雙幅值為7.57 mm，測點為36號；X向最大振動位移雙幅值為5.17 mm，測點為36號；Z向最大振動位移雙幅值為0.57 mm（安全范圍內）。按管道振動最小頻率1.25 Hz考慮，需要對管道進行振動治理整改。

圖4 管道（雙）振幅的許用值和危險值

3 模態分析

模態是多自由度線性系統的一種固有屬性。模態分析的目的就是為了計算管系的固有頻率和振型，確定其動力學特性[2]。用CaesarⅡ軟件對高壓給水管道進行模態計算，得出管道按照某一階固有頻率振動時，管道系統各部分的振動趨勢。

由于高壓給水管道主要振動的部分為三通閥后管道，建模時采取了簡化處理，僅將高壓給水三通閥后管道作為建模分析對象進行模態分析。

表3為高壓給水管道前5階固有頻率，從表中可以看出管道固有頻率較低，在低頻激振條件下，管道很容易產生低頻共振。

表3 高壓給水管道前5階固有頻率

4 振動原因分析

根據振動測試結果和模態分析可得，高壓給水管道振動不是由于管道固有頻率較低而導致的共振引起的，從模態分析結果可以看出，高壓給水管道的固有頻率較低，前四階頻率都不超過1 Hz，而現場測得的主振一階頻率達到1.25 Hz。結合運行曲線可以看出，管道振動是作用在管系上的激振力引起的受迫振動，激振力是由內部流體激擾引起的，一般在彎管和閥門等元件處產生。機組在變負荷過程中，管道內流體流量和壓力隨著負荷的變化而變化。當脈動的流體流經彎頭處時，激振力的幅度和方向都隨著時間而變化[3]。

三通閥后管道彎頭較多，且僅有1組限位支架，管道抗振性不高。另外，24號滑動支架在熱態時完全失載，36號Y向限位拉撐桿根部連接的銷軸存在間隙，形同虛設，完全起不到限制管道位移，控制管道振動的作用。24號和36號的失效導致管道穩定性降低。

5 振動治理方案及治理效果

在保證管道應力合格的前提下，可通過支吊架的合理布置，增設限位裝置和阻尼以增加管道的抗振能力，避開相對激振力的響應，從而減小管道的振動。針對現場管道振動情況，采取以下幾種處理措施：

（1）機組停機后，將管道稍稍頂起，在24號滑動支架間隙處加墊聚四氟乙烯板；

（2）重新加工36號限位拉撐桿的銷軸，消除轉動軸和軸套之間間隙；

（3）在南北布置的水平管段28號吊架南側、29號吊架北側、立管30號剛性吊架下部、南北布置的水平管段35號彈簧吊架南側、東西布置的水平管段33號吊架東側、39號恒力吊架北側共6個位置加裝徑向液壓阻尼器；

（4）在東西布置的水平管段31號與32號彈簧吊架之間，加徑向限位拉撐桿。

新增阻尼器與限位拉撐桿對應的位置序號見表4，現場施工布置見圖5。

按照施工方案安裝阻尼器和限位拉撐桿后，熱態最大應力基本沒有變化。液壓阻尼器借助特殊設計的阻尼閥，對管道或設備的位移、速度做出靈敏的反應，在管道或設備發生振動時，阻尼器可以將直接作用在管道上的沖擊力轉移到建筑結構上去；在管道或設備正常工況下，液壓阻尼器允許管道或設備自由位移，不會給管道或設備帶來附加的應力。

表4 新增阻尼器及限位拉撐桿

圖5 高壓給水管道新增阻尼器及限位拉撐桿布置示意

為了對實施減振方案前后高壓給水管道的振動情況進行對比，在減振治理后對管道進行振動測試，機組負荷從420 MW提升到580 MW，再降至450 MW。根據測試結果可得，高壓給水管道僅存在微小的振動，最大振幅不超過0.5 mm。機組正常運行過程中，高壓給水管道振動符合要求。減振方案實施成功，效果明顯，達到了預期目的。

6 結論

（1）結合振動測試和模態分析可得，高壓給水管道振動不是由于管道本身固有頻率較低而引發的共振。

（2）高壓給水管道振動是由于機組變負荷過程中高壓給水的流量和壓力脈動，在彎頭處激發的激振力引起的。流速越大、流量的變化越快，管道的振動就越劇烈。反之，若流速較慢、流量的變化越慢，管道的振動就小。

（3）三通閥后管道均采用懸吊方式支吊，整個管道柔度較大，抗振性不高，僅有的1組限位拉撐桿失效加劇了管道振動。

（4）在激振力無法消除的情況下，可以通過增加管系的剛度，增大管道的阻尼來增加管道的穩定性。新增限位拉撐桿增加了管道剛度，新增阻尼器增大了管道的阻尼，從而有效地控制了管道振動。

[1] DAVID E OLSON.Pipe Vibration Testing and Analysis[S]//Companion Guide to the ASME Boiler and Pressure Vessel Code.

[2] 唐璐，李英.1000 MW超超臨界機組凝結水再循環管道振動原因分析及治理[J].電力科學與工程，2011，27（2）∶72-74.

[3] 張廣成.電站高溫高壓蒸汽大管道振動治理[J].振動工程學報，2004（17）∶1131-1133.