1、 發電廠給水管道振動的原因分析及消除C ausal Analysis and Elimination about Vibration of W ater Supply Pipes in Pow er Plant鄧廣發1,張超群2,董強2,任君3(1.江蘇省電力科學研究院,江蘇南京210036;2.遼寧電力科學研究院,遼寧沈陽110006;3.下關發電廠,江蘇南京210011文獻標識碼:B文章編號:1009-0665(200403-0036-02收稿日期:2004-01-12下關發電廠2號爐為哈爾濱鍋爐廠設計制造的HG-420/13.7-YM1型鍋爐,于1998年12月投入運行后其主給水管道鍋爐

2、側一直存在著嚴重的大幅度振動。發電廠汽水管道的長期大幅振動會引起管道和支吊架材料的疲勞損壞,并會影響到與管系相連的機動設備的安全狀況,對機組安全運行極為不利。該鍋爐主給水管道的材質為10CrMo910,規格為 273×28mm , 鍋爐側給水管系示意圖如圖1所示。圖1鍋爐側給水管系圖為了消除給水管道的振動,確保機組的安全運行,下關發電廠委托江蘇省電力科學研究院對其2號爐主給水管道振動的情況進行分析和數值計算,并尋求消除振動的措施。1管道振動原因分析管道系統的振動一般是由機械振動、管道內部介質振動引起的,其中后者是管道振動的主要誘因。振動對于管道是一種交變動載荷,其危害程度取決于激振力

3、的大小和管道自身的抗振性能。當振動頻率等于或接近管道的自振頻率時,將引起共振。為了使管道有良好的熱脹補償性能,電廠汽水管道一般采用多吊架彈性布置,而這種彈性布置使管段的自振頻率較低,所以在低頻激振條件下,管道產生共振的可能性較大。由于給水管道的介質流速較小,激振頻率較低,故給水管道的振動是電廠中較常見的問題。因此,在給水管道的設計中除要求滿足強度條件外,還應滿足一定的剛度條件,文獻1要求管道的固有頻率大于3.5Hz 。通過支吊架的合理布置,可以使管道具有較高的一階固有頻率,避開介質的激振頻率,以免發生共振。該文采用有限單元法對該給水管道進行模態分析計算,模態分析可根據管系的頻率方程來計算管道的

4、固有頻率。對于n 質量無阻尼系統,其頻率方程如下:|K -2M |=0(1式中,K 為系統的剛度矩陣;K 為質量矩陣;為各階固有頻率值。由于汽水系統發生共振時,其能量主要集中在低階振動中,故一般只需計算其一階固有頻率即可。計算結果表明,該給水管道的一階固有頻率僅為0.796Hz ,遠低于設計要求的3.5Hz ,可見管道的固有頻率太低是其發生嚴重振動的主要原因。2消除振動的方案要消除該給水管道的振動可通過對管道增加支吊架,從而提高管道的固有頻率,以避免管道的共振。但管道的剛度與強度是一對相互矛盾的問題,在增加管道支吊架提高了管道剛度后,將對管道的熱位移產生約束,可能使管道應力增加,其強度相應降低

5、,加速了管道的損傷。因此,在增加管道的支吊架之前,必須同時進行嚴格的模態分析計算和應力分析計算,以保證改造方案既適當提高了管道的固有頻率但又不632004年5月江蘇電機工程Jiangsu Electrical Engineering第23卷第3期大幅度增加管道應力。模態計算結果和現場檢查均表明,下關發電廠2號機組給水管道的振動位置主要在15m標高處,故決定在該標高管道上沿管道徑向安裝限位器。根據現場情況設計了2種改造方案,連同實際情況,共對3種方案進行模態和應力計算。方案1:實際情況;方案2:在方案1基礎上在227號彈簧支座處加裝一Z向限位裝置;方案3:在方案2基礎上在225號彈簧吊架與水平彎

6、頭間加裝一X向限位裝置。該文采用有限元法進行應力和模態計算,分析計算的步驟依次為:形成節點和單元數據、形成單元剛度矩陣、形成總體剛度矩陣、邊界條件的施加、形成荷載向量、求解平衡方程、模態分析、重新形成力和力矩、應力計算。以上3種方案的許用應力比和一階固有頻率的計算結果如表1所示。許用應力比即計算應力值與許用應力值之比,應力又分為一次應力和二次應力。一次應力包括管道內壓應力和持續外載引起的應力;二次應力是管道由熱脹、冷縮和其他位移受約束引起的應力;三次應力就是一次應力與二次應力之和。表1三種方案的計算結果方案一次許用應力比二次許用應力比三次許用應力比一階固有頻率/Hz由表1中的數據可見,方案2情

7、況下的管道一階固有頻率與管道原一階固有頻率接近,只增加了6.65%,效果不理想;方案3情況下管道的一階固有頻率為1.285Hz,比原有一階固有頻率增加了61.43%,雖未達到規程要求的3.5Hz,但已可避開現有管系的激振頻率,應能減輕甚至消除管道的振動現象。同時,由表中數據還可看出,該方案的管道應力比原有的管道應力增加不大。故決定改造方案以方案3為準,即:在227號彈簧支座處加裝一Z向限位裝置x1,同時在225號彈簧吊架與水平彎頭間加裝一X向限位裝置x2,具體位置見圖1所示。3消振效果在下關發電廠2號機組2003年的大修中,對給水管道實施了文中方案3的消振措施。機組投運后的實際情況表明,給水管

8、道的大幅度振動現象已完全消除,保證了設備的安全。文中的消振措施不改變管系的布置,僅增加2個限位裝置,投資少,施工簡單,對管系的強度影響也很小,實際消振效果明顯,在電廠鍋爐汽水管道振動的消除中具有一定的推廣應用價值。參考文獻:1火力發電廠汽水管道設計技術規定S.電力工業部東北電力設計院.北京:中國電力出版社,1996.作者簡介:鄧廣發(1971-,男,江蘇鹽城人,工學碩士,工程師,從事電站鍋爐研究、汽水管道的應力分析及支吊架調整工作。(上接第35頁從上述3種算法比較中看到,算法一、二誤差較大,而算法三精度最高,且計算過程無需查發電機空載曲線,相對簡潔,且可用EXCEL自動計算各種工況下的功角,但

9、仍存在一定的誤差。可能原因為:(1功角測量誤差,從測量功角儀器的精度和測量方法來看,最大測量誤差為23(°(2發電機數學模型的近似。總體而言,該功角計算方法的精度已滿足實際工程應用要求。因此,算法三是一種計算功角的較好方法,具有實際的工程應用價值。參考文獻:1IEEE Standarards Board.IEEE Std1110-1991.IEEE Guide forSynchronous G enerator Modeling Practices in Stability AnalysesS.Approved March21,1991.2許實章.電機學M.北京:機械工業出版社,1981.作者簡介: