电厂汽水系统管道振动分析

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1、火电厂汽水系统管道振动分析高皓（大唐韩城第二发电有限责任公司 陕西省 韩城市 715400）摘要：本文主要是根据某600MW机组出现的几起振动，对火电厂汽水系统管系振动从理论以及实际的处理进行了分析，以解决生产中出现的振动问题。关键词：管系；振动；两相流；热力管道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.振动是火电厂汽水系统运行中的一种多发现象，管道振动的存在可能导致支吊架松动失效。振动产生的往复力可能

3、是管道局部发生疲劳破坏，并对连接的设备产生附加推力，造成设备的损害，影响电厂安全运行。1 我厂出现的几起振动1号机启动过程中由于高旁管道有存水，导致投入高旁后管道振动大，振动造成6.9m平台地面瓷砖部分揭起。1号机小修启动后加至300MW，由于凝泵入口滤网差压高，CRT测点异常未及时发现，凝泵入口汽化，凝泵振动，导致凝结水管路振动，汽轮机后缸喷水管路由于长期未更换，弯头振动，机组非停。启动过程中投入高加，投入方式不当，造成高加疏水管道振动，导致部分管系支吊架移位、变形、断裂。二期机组中压缸启动，启动过程中投入高加由于二抽压力不足导致3号高加蒸汽逆流，疏水管道振动。能看出管道振动的原因很多，但如

4、果能正确认识每种振动的原因就能用合理的方法避免。2 振动的形成2.1 振动形成的原因火力发电厂汽水系统承担着重要的汽水循环任务。管道作为热力个系统设备之间的联络管路，是发电厂热力系统必不可少的重要组成部分。管道内流动的介质性质不同对管道的作用力也不同。如果管内流体为不稳定，流体就有可能成为管道的振源；汽液两相流可能引起管道振动，汽液两相流当存在与外界的热交换时，流体吸热或散热，汽液比发生变化，在局部产生流体冲击，尤其是存在向外散热的情况时，流体中的介质蒸汽可局部冷凝，其体积在瞬间产生很大的变化，附近液流高速移动占据这个空间，形成冲击引起振动。气液两相流形态复杂，各处不完全相同，形成多种流型，这

5、样各处的密度不完全相等，在流体流动方向发生变化的地方会产生冲击力而引起振动。电厂庞大复杂的管道系统最重要承载部件是各种形式的支吊架。支吊架的性能好坏、承载合理与否直接影响到电厂管道乃至整个机组的安全运行。汽水管道振动的破坏力大部分作用在与之连接的支吊架上。支吊架发生故障而失去作用则会加剧管道的振动。2.2 汽液两相流由两种态的物质组成的两相体系的流动问题就称为两相流，与管道振动关系密切的两相流主要是气态与液态的两相流，尤其是伴有相变的两相流，如处于饱和状态的两相流，像饱和蒸汽的输送管道、管式加热炉的炉管，管内的流体在一定条件下处于两相流状态。在这种状态下的流体存在热量传递的时候就会出现相变，受

6、热液态部分流体汽化，散热则气态部分流体液化。这样，流体的体积发生突然的变化，流体的流动状态也受到扰动，均可能对管道振动起激发的作用。无相变两相流的各相在流动中均不发生相变，气相和液相在流体中所占的比例不变，但两相的分布情况并不都是均匀的。气、液两相在混合流体中占的比例不同，流动的速度不同，流体的热力学参数不同，会形成各种不同的相分界面的几何图形。介质的表面张力使其产生曲面的趋势，如空气中的液滴和液体中的气泡均呈曲面形状，空气中的液滴越小越接近球状，液滴越大变形越厉害。反之液体中的小气泡接近球形，大气泡的形状会改变。工程上为分析问题需要人为地将它们分成若干种型状，即常说的流型。这种分类不是很确切

7、，因为界面图形结构不是固定不变的，事实上随时发生变化，而且在一个管道中的两相流在不同的位置、不同的时间所呈现的界面图形有可能超出某种流型的界限。一般使用较多的流型分类分为层流、波状流、雾状流、液节流、气泡流等。在水平管道内汽液两相流可分为以下几种，如图一。图一 水平管道两相流流型在垂直管道内汽液两相流可分为以下几种，如图二。图二 垂直管道两相流流型从上面的图中不难看出，液节流易引起管道振动，应尽量避开它。炉管不仅从动力角度考虑不要出现液节流，还要从传热方面考虑，炉管内气液两相流流型以雾状流最好，有些地方出现环状流或分散气泡流也可以。因为存在相变过程，两相流中汽、液比就发生变化。由于相同质量的物

8、质，以液态或汽态存在所占有的空间有很大的区别，因而对体积流速或压力等热力参数会产生显著影响，势必对流型也会有影响。一根输送饱和蒸汽的管道沿途要散发热量，沿程摩擦损失也消耗能量，势必有部分蒸汽液化以求得平衡，随汽液比的变化和流速的变化两相流型亦发生变化。当处于长泡带和液节流流型时，有可能激发管道振动。这里随相变的发生还可能出现一些其他问题，如在某一瞬间因受热液体汽化，占有的体积激增，附近可能受到较大的压力。这个压力有可能使原来的气泡突然溃破，周围的介质就自然会立即向这个空穴运动，这种情况会发出噪音，并激发管道振动。3 振动的避免火力发电厂中管系的振动大多都为管道中存在汽液或气液两相流，为避免或减

9、小两相流引起的管道振动，可以根据引起振动的原理从两方面采取措施。3.1 减小激振力。如对输送饱和状态的两相流的管道提高隔热设计要求，尽量缩短管道长度，适当降低管内流体速度，以使液化的气体减少，相变的过程不要过分激烈。设计时选择适当的管内流速避免出现液节流。采用较大弯曲半径的弯头。这样弯管的展开长度长，弯管部位的流体较多，如前面分析的管两端弯头中的流体质量差值较小，由此引起的不平衡离心力减小，即减小了激振力。3.2 加强支架刚度由于两相流的特殊性质，必然要产生对管道的激振力，两相流的不稳定性质，在实际生产中又不可避免地出现工艺参数的波动，设计考虑再周到也不可能完全消除激振力。所以，还要从另一个角

10、度考虑，即提高管道的抗振能力，设计中按照某种极限情况计算激振力。如果振动是由于随机激振力引起的，要检测振动的频率和位移，再计算管系的自振频率。若确定共振是管道振动的原因，则修改支架，改变管道自振频率，避开共振。为使支架设置位置和选型合理，需对管道作动力响应分析。但要注意一点，不要一味地加固支座，要保证管道具有足够的吸收热膨胀变形的能力。否则，振动问题解决了，热应力过大仍然不能保证管系长时间安全运行。4 火电厂中常见的振动4.1 水泵汽化当水泵入口温度高于入口压力下的饱和温度时，以及出口流量小于泵的最低流量时，即要产生汽化。泵汽化时，泵出口压力、流量下降或晃动，泵体及管道发生噪声和异常振动，泵电

11、机电流下降晃动。当泵发生汽化时应立即停运故障泵，启动备用泵。并做以下检查：a.检查泵在低负荷运行时在循环管路是否畅通，其给水流量是否大于泵的最小流量，避免介质在泵内长期磨擦发生汽化。b.检查泵入口滤网是否堵塞，防止由于入口流量不足，造成进口压力下降，入口汽化。c.检查给水泵的进口温度是否符合设计要求。d.检查泵吸吸入口高度是否符合设计要求，是否满足泵所要求的必须汽蚀余量。4.2 管道水击、水锤水击现象：当压力管道的阀门突然关闭或开启时，当水泵突然停止或启动时，因瞬时流速发生急剧变化，引起液体动量迅速改变，而使压力显著变化。管道上止回阀失灵，也会发生水击现象。a.可在管路上设置空气室或安装安全阀

12、，当管道中压力升高超过允许数值时，空气室可以减缓压力的突升或使用安全阀开启泄压，使管中压力不致有太大的升高。b.尽量缩短管路长度，增大管道直径以降低管中流速，从而使水击发生时速度的变化量降低，相应的降低水击压力的数值。c.管系启动前要进行注水、排空气，保证管系启动后管中无法生成气泡，否则气泡的溃灭和产生将会对管道造成空蚀破坏。d.采取正确的阀门操作方法或保证阀门有一定的启闭时间，水泵的启停过程中严格的控制阀门的开关顺序，也能有效的保护泵体和管路。e.在容易发生液压冲击的部位采用橡胶软管或设置蓄能器，以吸收冲击压力。4.3 热力管道振动在蒸汽管道中，若暖管不充分，疏水不彻底，导致送出的蒸汽部分凝

13、结成水，体积突然缩小，造成局部真空，周围介质将高速向此处冲击，高温蒸汽也会带动管内的冷凝水高速运动，在管道弯头和阀门处，由于汽水流速和方向的改变造成水冲击，引发管道振动。a.投入蒸汽母管时，应全面考虑，及时排放低凹段和端头“死区”的积水，并在有小压力下情况下，进行较长时间的暖管，以疏水管没有疏水为准，暖管时根据管系温度合理控制进汽量，保证温升3-5/min。暖管结束后，应逐渐提高母管压力。b.未投入的蒸汽母管，供汽管道的积水应保持常排放状态，以防止事故状态下或紧急投入状态时的管道振动。c.高、低压旁路投入前，应进行彻底疏水，具备投入条件时，再开启高压旁路门至510%暖管510分钟后，再根据需要

14、缓慢开启调整门。d.高、低压加热器应保证有水运行，严禁满水运行，以防止造成管道及加热器振动，致使管道和阀门的法兰发生漏泄。严禁高、低压加热器无水运行，以防止两相流动对管道冲击引起的振动，同时还可以减少对管道和阀门的冲刷。e.锅炉、除氧器进行超压试验的机组，应检查抽汽管道的返水情况，并应排净积水。f.高压加热器切除后，应首先关闭各高加疏水调整门，关严高加进汽门、高加疏水导除氧器电动门，防止较高压力的蒸汽通过下一级高加倒流入较低压力的蒸汽管道中，造成下一级高加进汽管道振动和高加疏水管道振动。g.在正常运行中，要严格控制进入凝汽器的热负荷，以避免因热负荷过大引起的凝汽器振动。h.部分管道设计缺陷造成

15、疏水无法排除，可用小流量蒸汽对疏水进行加热或将疏水带至其他有疏水管的管路进行排除。i.带有液位罐的疏水要对疏水罐液位计加强校验，防止因为测点问题导致人员误判断，未将疏水排除就通入大量蒸汽，导致管系振动。j. 停运后的蒸汽管道发生水击时，一要检查相关进汽阀门是否关闭严密，二要检查停运管道疏水是否开启，如未开启要及时缓慢开启。k.采用疏水母管系统时，还要避免疏水母管带压，其它管道的蒸汽通过疏水管道串入停运的蒸汽管道内，致使管道的水击现象加剧。4.4 支吊架设计不良支吊设计安装不良主要表现在其布局不合理受力不均匀，弹性支吊的弹簧未调整好，固定支架布置不合理。在机组运行期间或大、小修要对支吊架进行全面检查，防止因为支吊架设计、布置或本身的缺陷造成管系小振动演变成大振动。若由于支吊架布置不合理造成振动扩大，首先必须消除振源，停止介质的流动。作者简介：高皓（1987- ），男，陕西省西安市户县，助理工程师，学士，单位：大唐韩城第二发电有限责任公司。通信资料：地址：陕西省韩城市太史大街民阳国际1803号、E-mail：gaohao1987-03-03、电话：18628507287，13992314493、邮编：715400