朱伟雄　潘小丰　刘明

摘  要：针对某燃机电厂凝结水管道的振动问题，从机械系统的振动方程入手，通过增加管道刚度和减小激振力两种方法，制定了相应的处理方案，有效解决了该管道的振动故障，为同类型的管道振動治理问题提供了可供参考的经验。

关键词：凝结水管道;振动;S109FA燃机;固有频率

中图分类号：TM621.4       文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2019）31-0120-02

Abstract： Aiming at the vibration problem of condensate pipeline in a gas turbine power plant， starting with the vibration equation of mechanical system， the corresponding treatment scheme is formulated by increasing the stiffness of pipeline and reducing the exciting force， which effectively solves the vibration fault of the pipeline and provides reference experience for the vibration control of the same type of pipeline.

Keywords： condensate pipe; vibration; S109FA Gas Turbine; natural frequency

引言

管道振动往往会引起一系列严重后果，如引起管道过度疲劳损伤，尤其会使得与其连接的小管道断裂;管件自身损坏，焊缝出现裂纹;将振动传递到管道连接设备或者其他静止设备上，危及热力系统的安全运行;同时管道振动还容易导致管道上的测量仪表出现数据偏差甚至错误。凝结水管道由于其本身工作特点，经常会出现较大的振动情况[1-2]，成为影响电厂安全运行的隐患之一。

某燃机一期拥有三套STAG 109FA单轴联合循环机组，是区域内重要统调电厂和主要保安电源，燃机运行方式为日开夜停，机组投轴封前凝结水系统由辅助凝泵切至凝泵运行。凝结水系统配备两台多级立式双层壳体离心水泵，同时为了在日开夜停时节能，配备一台辅助凝泵，每次凝泵启动时，凝结水管道都会发生剧烈振动并伴随一声巨响，振动幅度最大达到0.3米左右。

1 管道振动控制方法

管道系统的振动一般是作用在管系上的周期性激振力引起的受迫振动，按照经典的振动理论，一个机械系统的振动方程可以表述为[3]：

式中：[M]为质量矩阵，[c]为阻尼矩阵，[K]为刚度矩阵，{x}为位移向量，{F（t）}为广义载荷向量。

引起管道振动的原因主要有管内介质脉动、紊流引起的振动、设备缺陷引起的振动、水锤引起的振动等[4]。能够找到管系振动的根本原因并顺利解决为最优方案，即从根本上消除或减小激振力{F}，从而消除或缓解管道振动。另外就是从管系自身结构特性出发进行处理，由式（1）所示的振动方程可知，影响管系振动特性的就是系统质量[M]、系统阻尼[c]以及系统刚度[K]。现役电厂中管道型号、走向等都已确定，从新改变管道质量分布的工作量较大、经济性较差，因此对于现役管道的减振一般不从质量矩阵方面考虑，那么可供选择的振动控制思路主要有以下两个方面：

（1）改变系统的阻尼[c]。通过在适当位置加装阻尼器的方式，耗散管系结构振动的能量，降低振动量值，减少结构的动力响应，从而达到缓解管道振动的目的。

（2）改变系统的刚度[K]。系统的固有频率与振动特性息息相关，当外在激振频率与系统固有频率相接近时，容易产生共振。此外如果管系基频过低（管系柔性过大），可能即使避开了激振频率，受到激振力作用后仍会导致管系振动[5]。管道系统的固有频率与其刚度特性有直接关系，一般刚度越大，其对应的固有频率越高，因而可通过加装限位装置的方式改变管系刚度来调节系统固有频率，以避开激振频率或提高管系基频。

2 机组、管道信息

该燃机电厂为STAG 109FA单轴联合循环机组，额定功率为390MW。凝结水管道系统布置如图1所示。

凝泵启动时，管道会发生剧烈振动并伴随一声巨响，而当其中一台凝泵运行，启备用凝泵时，并无强烈振动和巨响，因而可以推测为凝泵在空管启动时，当管中空气不能及时排出而被压缩时才会加剧水流压力的变化。从系统图中可以看出，凝结水管路上容易发生空气压缩的主要是两个旁路：轴加旁路和凝结水再循环旁路。而从管路布置的结构上，由于凝结水管路低点如果不放水，凝结水系统即使不投用，轴加旁路也是充满水的，那么剩下只有凝结水再循环旁路，如图2所示。

3 凝结水管道刚度分析

凝结水管道布置详见图3，主要管道规格：Φ273×8.5;材质：Q235;设计温度：52℃;设计压力3.4MPa。在此采用CAESAR II软件对凝结水管道进行模态分析。计算得到该管道系统的前三阶自振频率仅分别为0.16Hz、0.42Hz、0.89Hz，显示该管道的刚度很小，容易在外在激励载荷作用下发生振动。

4 处理方案

根据管道振动控制方法，结合现场条件，准备从减小激振力和增加管道刚度两方面入手。

4.1 增加管道刚度

管道系统的固有频率与其刚度特性有直接关系，一般刚度越大，其对应的固有频率越高，因而可通过加装限位装置的方式改变管系刚度来调节系统固有频率，以避开激振频率或提高管系基频。结合现场安装条件，主要加装方案如下：（1）在#110、#111滑动支架下侧的立管上分别加装XY 45°向抗振阻尼器和Y向抗振阻尼器;（2）在#112与#113刚性吊架之间、#116与#117刚性吊架之间、#119与#120刚性吊架之间的水平管道上加装X向限位装置;（3）在#118与#119刚性吊架之间的水平管道上，以及#120与#121吊架之间的竖直管道上分别加装Y向限位装置。

4.2 减小激振力

因该凝结水管道的激振力主要是由于启泵过程中的空气压缩造成的，因而从避免空管启动和及时排除管中空气两方面入手。

（1）避免空管启动：开启凝结水泵时，辅助凝泵出口电动阀应全关且辅助凝泵停运，然后才能快速启动凝结水泵，为保证辅助凝泵出口电动阀全关且辅助凝泵停运两个条件均满足，特制定了以下启泵方案：关辅助凝泵出口电动阀→待凝结水母管压力开始下降停辅助凝结水泵→辅助凝泵出口阀关死后立即启动凝结水泵→再循环设置在70%→启动成功。（2）及时排除管中空气：凝泵运行时，开启再循环旁路电动阀15%，再循环调节阀设置在50%，按正常顺序启动凝泵。不过由于凝结水再循环旁路电动阀阀门线性不好，阀门开度不好调节，容易造成凝结水流量低跳泵或者过流。为解决这一问题，特在凝结水再循环旁路电动阀前后加装小口径管道和旁路电动阀，用于排出空气，避免凝泵启动时的水锤现象，如图4所示。

5 结束语

通过上述处理措施，有效降低了该凝结水管道在启泵阶段的振动幅度，消除了管道振动危害。可以为其他单位类似情况提供参考，提高机组设备的安全和可靠性。

参考文献：

[1]金红伟，李超，刘学，等.330MW直接空冷系统凝结水管道的振动分析[J].中国电力，2016，49（09）：99-103.

[2]李春伟，唐璐.600MW机组凝结水再循环管道振动原因分析及处理[J].内蒙古电力技术，2012，30（1）：117-119.

[3]刘延柱，陈立群，陈文良.振动力学[M].北京：高等教育出版社，2011.

[4]赵星海，翟松，彭龙飞，等.火电厂管系振动原因分析及减振方法[J].锅炉技术，2013，44（1）：67-71.

[5]唐永进.压力管道应力分析[M].北京：中国石化出版社，2009.