火電廠汽水管道振動治理

張書浩

（潤電能源科學技術有限公司，河南鄭州 450052）

0 引言

火電廠汽水管道系統是熱力系統各個設備之間的聯絡管路，承擔著重要的汽水循環任務。而隨著機組參數的提高，汽水管道在瞬態激勵和穩態激勵作用下更易產生振動。管道振動產生的諸多問題，如焊縫開裂、管道變形、支吊架損壞、疲勞失效等就成為影響發電機組長周期運行的安全隱患。

1 振動機理

振動實質上是系統在激勵后產生的響應。激勵（輸入）、系統特性、響應（輸出）三者間的關系如圖1 所示。

圖1 激勵、響應和系統特性關系

振動系統往往是具有連續分布參量（如質量、彈性、阻尼）的連續系統。但在實際應用中，為便于理論分析，通常將連續系統簡化為具有集中參量的離散系統。對于多自由度離散系統，其運動微分方程如公式（1）所示：

式中

M——質量矩陣

C——阻尼矩陣

K——剛度矩陣

F——激勵

X——節點位移

該微分方程給出了振動系統質量矩陣、阻尼矩陣、剛度矩陣之間的基本關系。

2 汽水管道振動分析

火電廠汽水管道及其相連的設備與支吊架構成了一個復雜的力學系統，在激勵作用下所產生的振動也極為復雜。特別是當管系固有頻率與激勵耦合較好時，更容易發生共振，引起管道的大幅劇烈振動。

引起管道振動的激勵可分為系統外和系統自身兩大類。來自系統外的激勵主要有風載荷、地震等因素；來自系統自身的激勵主要有機械激勵和流體激勵兩大類。后者是火電廠汽水管道振動的主要原因，所導致的機械振動與流致振動也是管道振動分析時需要重點關注的對象。

2.1 機械振動

當與汽水管道相連的動設備，如泵和壓縮機等平衡力過大時，自身產生的動態力會直接傳遞到管道上形成激勵，特別是當設備動力平衡性差、基礎設計不合理、機械振動產生的激勵頻率在管系固有頻率±20%之間時，會引起管道較為明顯的振動。

2.2 流致振動

流致振動為浸沒于流體之中或包容流體的結構表面被流體流動產生的交替變化的激勵所誘發的結構振動。按激振機理可以分為如下4 類。

2.2.1 湍流

湍流作為一種非穩定的不規則流動現象，在火電廠汽水管道中廣泛存在，如三通接管、彎頭、異徑管位置處都會產生劇烈變化的湍流。而湍流區域由于壓差的存在也會產生寬頻分布的激勵，嚴重時會導致管系和支吊架的低頻振動。

2.2.2 壓力脈動

火電廠汽水管道內的壓力并不是一成不變的，而是在某一壓力值周圍呈現出上下的波動，這種形似脈搏的壓力波動稱之為壓力脈動。壓力脈動形成的壓差脈動力作用在管系內的彎頭、閥門、異徑管等元器件時會產生激勵，當管系固有頻率與激勵的頻率一致時，就會產生共振，造成管道的強烈振動。

汽水管道內壓力脈動的形成原因較為復雜，主要包括往復式或離心式泵及壓縮機由于加壓不連續或運行不穩定造成的壓力脈動；管系結構如盲端、管道內伸物引起的管內介質壓力脈動，如內伸物造成的卡門渦街以及盲端接管口造成的周期性旋渦。壓力脈動的頻率與管內介質流量有著較大關系，通常隨著流速的增加，壓力脈動也會隨之增大。

2.2.3 水錘

水錘又稱水擊，由于管道內流體的流動狀態突然改變而產生。主要發生在管系閥門快速打開和關閉過程中，如閥門突然關閉時，產生的壓力波在液體中以聲速向遠離閥門的方向傳播，在管道上產生較大的瞬態壓力。

水錘發生時通常伴有周期性變化的壓力驟增，這使得水錘極易導致管道及其支吊架和管道連接設備損壞，對電廠的安全、穩定運行有極大的破壞。

2.2.4 汽液相變

根據伯努利方程，管道內流速的增加會引起壓力的下降。這就導致流體在輸送過程中往往會存在壓力的變化，特別在閥門等節流元件處，流體速度大幅提高，壓力急劇下降。當壓力高于或低于汽化壓力時，就會產生空化或閃蒸，前者通過節流元件后會出現氣泡的潰滅，后者通過節流元件后會出現液體汽化現象。此時也會產生相應的激勵，嚴重時會破壞部件、引發振動并產生噪聲。

3 汽水管道振動治理

火電廠管道振動原因，多為火電廠汽水管道柔性過大，激振力與管系低階固有頻率重疊所導致。

對于火電廠汽水管道及其相連的設備與支吊架構成的多自由度離散系統，通過汽水管道振動分析和管系運動微分方程可以得到如下3 種控制管道振動的方法。

3.1 提高管系剛度

提高管系剛度在減小管道振幅的同時，也可以提高管系的固有頻率，避免低頻共振的產生。常用的提高管系剛度的方法有：增加限位裝置、剛性支架等。

3.2 增加管系阻尼

在振動位置增加阻尼是另外一種提高管道固有頻率的方法。常用的增加管系阻尼的方法有增加阻尼器、減振器等。其中阻尼器對沖擊性振動的控制效果較佳；減振器主要用于控制持續性擾動且熱位移不大的管系振動。

3.3 減小管系激勵

激勵的產生多種多樣，根據激勵產生的原因，消除激振力的方法可以分為結構優化、操作優化兩種。結構優化：如采用柔性接頭連接管道與機械設備，從而隔離設備的機械振動，減少泵及壓縮機振動對管道的影響；減少彎頭、大小頭數量以及增大轉彎角度可以有效的削減流致振動、壓力脈動等因素產生的激勵。操作優化：如降低管道內流體的流速及閥門開閉速度，抑制水錘的產生。

4 結語

管道振動會使管道及其附件產生疲勞破壞和微振磨損，影響機組的長周期安全穩定運行。管道振動原因往往比較復雜，對于管道振動治理，首先應通過儀器測定、模態分析等方法明確管道振動主因，而后根據振動主因選擇相應的振動治理方法，進而從根本上解決汽水管道振動問題，保證機組生產的安全性和經濟性。