CC50雙抽凝汽式機組高加疏水管道振動分析與處置

柳永平

摘要：在燃煤電廠系統中，汽輪機回熱系統中的高、低壓加熱器的投運，提高了汽輪機組整體運行的經濟性，尤其是高壓加熱器，單臺高加正常投運能提高給水溫度近30℃，在系統經濟性上意義重大。約每提高1℃給水溫度，將為企業每年節約至少百萬費用。高壓加熱器的安全長周期運行成為了關鍵，影響高加的投運的主要因素有高加疏水管道振動、泄漏以及高加內部泄漏導致被迫停運，本文重點研究高加疏水管道振動的振動原因，制定解決辦法，以此來降低高加疏水管道振動，延長管道壽命，提升高加系統的安全長周期運行。

關鍵詞：高加疏水;管道振動;振動分析;處置

引言

某電廠使用上海汽輪機有限公司生產的CC50-8.83/4.12/1.27 型高壓雙抽凝汽式供熱汽輪機，熱力系統中的回熱系統設有二臺高壓加熱器，三臺低壓加熱器。機組抽汽系統中的二段抽汽供2號高加加熱，三段抽汽供1號高加加熱。

高壓加熱器采用大旁路系統，設有自動旁路路閥，當高壓加熱器發生故障時，給水可直接打入鍋爐。高加為順置立式布置，傳熱管為U形管，雙流程，水室為大開口并具有自密封結構。在蒸汽入口裝有不銹鋼擋汽板，防止蒸汽沖刷管束。

高加設有過熱蒸汽冷卻段和蒸汽凝結段兩個傳熱區段，來自汽機輪機的抽汽，先經過過熱蒸汽冷卻段冷卻，然后進入蒸汽凝結段凝結成疏水，疏水經過調整閥控制，由壓力較高的高加排入壓力較低的高加，而壓力較低的高加疏水，經過疏水調整閥排至除氧器。

1 現狀

該廠高加系統簡圖如下圖1

2號高加疏水進入1號高加后，經過換熱后與1號高加疏水混合進入疏水母管，最終進入除氧器。

高加運行參數如下表1

2 存在的問題

該機型的高加系統，在運行中主要存在以下問題。

1）1號高加疏水管道自高加底部拐彎處、旁路調整門處、二級直角彎處存在連續、明顯的振動，易造成疲勞破壞、疲勞斷裂，影響管道壽命與長周期運行。

2）高加疏水管道至除氧器高加疏水母管均存在振動。

3）高加彎頭處出現過泄漏，導致被動停運高加

3 振動原因分析

1）高加進汽參數為1.2MPa，溫度為320℃的低壓蒸汽，經過加熱156℃的給水后，蒸汽凝結為疏水，疏水壓力約為1.0MPa，溫度180℃，疏水沿著疏水管道從負0.5米的基坑起始，通過3道不在同一平面的直角彎后，進入位于正0.3米左右的調整閥，再通過4道不對稱的直角彎進入豎直的疏水母管，經過位于8米高度的手動門后，繼續豎直方向進入15米層的除氧器層，匯入高加疏水母管。

參數為1.0MPa的水對應的飽和溫度為179.9℃，相比于溫度為180℃的高加疏水基本處于飽和狀態。當疏水繼續沿著管道、閥門等從低于水平面得位置向位置于15米高的除氧器方向流動，克服管道阻力和高度差后，壓力降至約為0.8MPa，此時對應的飽和溫度為，170℃，因管道保溫相對完善，溫度下降較少，導致高加疏水在管道內部出現汽化，產生了蒸汽，在高加疏水管道中形成汽水混合物，以濕蒸汽狀態在管道中流動，導致管道振動。

在日常運行中，除了高加疏水本體的溫度較高、壓降引發的疏水在局部定壓擴容汽化外，還存在高加水位低，無水位運行的情況，導致蒸汽進入高加疏水，更加誘發了振動的形成。

2）此高加疏水系統，從高加底部開始計算，至15米層除氧器母管總共出現13道直角彎頭，尤其在1高加出口20米范圍內的距離內出現了近7道直角彎。高加疏水流速高，經過直角彎頭時，產生的反作用使得疏水管道非對稱受力，增加對管道支吊架的力，因管道支吊架不能抵消這部分力，導致出現了管道的振動。

3）高加疏水采用DN100管道，兩臺高加疏水加熱蒸汽流量約為80t/h，計算流速約為2.8m/s。對比汽輪機技術手冊推薦的高加接管流速表中，飽和疏水推薦極限流速為1.2m/s。明顯在出口彎頭處的流速高，產生了紊流，從內部更加促進了振動的產生。

4）疏水管道支吊架存在缺陷。該機組的高加疏水系統管線，固定支架1個，其他均為吊架，不能約束管道的振動。

4 利用數值模擬原因分析

利用計算機軟件模擬分析。本次模擬采用CFD商業軟件ANSYS FLUENT進行，將高加疏水自本體引出至8米層之間不足20米的管道建立模型，在數值模擬中，我們是對整個管道進行全尺寸建模計算，同時為了簡化計算，管壁設置為無厚度的面。計算模型采用了76萬網格，圖 2展示了模型及網格劃分。

計算中進口溫度為180℃，壓力為1.0MPa，工質為水，在進口邊界條件設置中，進口設為壓力進口;湍流模型采用的是RealizableΚ-ε模型。

分別對管道的壓力與溫度、各彎頭管道局部壓力與速度、分支管與進口處的振動噪音大小、彎頭處的振動噪音進行模擬計算。其結果分別如下圖3至圖6所示。

從圖中可以看出，在疏水管道的彎頭處的壓力變化和流速變化均比較大，顏色越接近藍色，壓力和速度越低，越接近紅色，壓力和速度越高。同時還對振動噪音因進行了粗略估算，第四個彎頭出附近的振動最大位置的噪音為180DB（分貝）左右，管道整體振動較大，彎頭處的震動要明顯大于直管道中的振動。

5 消除振動方法

1）在設計疏水管道時，合理考慮疏水壓降，減少管道沿程損失，減少因壓力降低導致疏水在局部定壓擴容產生蒸汽。

該疏水系統中，在滿足疏水正常流量的前提下，在零米區域疏水管道增設縮頸、在15米除氧器層再增設縮頸，使得速度能轉換為壓力能，以抵消疏水流動時產生的壓降而引發汽化，從而減小疏水系統的汽水混合物發生的可能性。

2）降低疏水的實際流速，減少超速引發的沖刷振動。

經過核算該系統的加熱蒸汽與疏水流量，流速明細大于標準要求的流速，需要在設備更新時增加疏水管道的口徑，增加流通面積，在保證疏水正常流量的前提下，減小實際流速。

日常運行中還會存在高加換熱管泄漏的情況導致疏水側管道振動異常，需要監控好運行參數，發現換熱管泄漏，及時停運行消缺。

3）減少管道的彎頭，避免非對稱設置彎頭，加大管道彎頭的弧度，減小使用短小的直角彎頭。

在數值模擬運算中表明，管道的彎頭的流速與振動明細大于直管，該系統的直角彎頭集中分布在零米區域，數量多，不但增加管道沿程損失，還使得疏水流動因拐彎變向產生的反作用力增加，最終使得管道受力傳遞至支吊架，通過支吊架來平衡受力。

4）增加支吊架，既能保證管道正常的膨脹與收縮，還能限制管道一定的自由度，減小管道振動。

該系統中，零米區域除基坑處得支持支架以外，其他均使用的吊架，不能充分的平衡管道在水平方向的受力。需要增設一定數量的固定支架，同時消除加固松動的支吊架，限制管道水平振動。

5）選用合理的汽液兩相流，保持高加有水位運行。

在高加液位靈敏可靠的前提下，高加疏水系統除了設置疏水調整門調整高加水位，還設置汽液兩相流裝置。在小流量時，汽液兩相流可以平衡高加本體的水位，在大流量時，同時自動調整門實現高加水位的控制。

6 結束語

高加疏水系統管道振動的危害是巨大的，通過加速管材的疲勞破壞，容易造成管道焊口開裂，造成水汽泄漏，對安全生產非常不利。日常高加運行中，應嚴控工藝參數，及時尋求解決辦法，消除振動。

參考文獻：

[1]天津石化熱電部汽輪機技術規程

[2]汽輪機技術手冊 ?中國電力出版社 ?趙常興主編

[3]GB-10865-1989高壓加熱器技術條件