发电厂给水管道振动的原因分析及消除a

1、 发电厂给水管道振动的原因分析及消除C ausal Analysis and Elimination about Vibration of W ater Supply Pipes in Pow er Plant邓广发1,张超群2,董强2,任君3(1.江苏省电力科学研究院,江苏南京210036;2.辽宁电力科学研究院,辽宁沈阳110006;3.下关发电厂,江苏南京210011摘要:对某电厂给水管道振动严重问题进行了分析和数值计算。找出诱发管道振动的原因,并提出了简单易行的消除振动的措施,实践表明消振方法效果良好。关键词:给水管道;振动;支吊架;应力;频率中图分类号:T K263.5文献标识码:B

2、文章编号:1009-0665(200403-0036-02收稿日期:2004-01-12下关发电厂2号炉为哈尔滨锅炉厂设计制造的HG-420/13.7-YM1型锅炉,于1998年12月投入运行后其主给水管道锅炉侧一直存在着严重的大幅度振动。发电厂汽水管道的长期大幅振动会引起管道和支吊架材料的疲劳损坏,并会影响到与管系相连的机动设备的安全状况,对机组安全运行极为不利。该锅炉主给水管道的材质为10CrMo910,规格为 273×28mm , 锅炉侧给水管系示意图如图1所示。图1锅炉侧给水管系图为了消除给水管道的振动,确保机组的安全运行,下关发电厂委托江苏省电力科学研究院对其2号炉主给水管

3、道振动的情况进行分析和数值计算,并寻求消除振动的措施。1管道振动原因分析管道系统的振动一般是由机械振动、管道内部介质振动引起的,其中后者是管道振动的主要诱因。振动对于管道是一种交变动载荷,其危害程度取决于激振力的大小和管道自身的抗振性能。当振动频率等于或接近管道的自振频率时,将引起共振。为了使管道有良好的热胀补偿性能,电厂汽水管道一般采用多吊架弹性布置,而这种弹性布置使管段的自振频率较低,所以在低频激振条件下,管道产生共振的可能性较大。由于给水管道的介质流速较小,激振频率较低,故给水管道的振动是电厂中较常见的问题。因此,在给水管道的设计中除要求满足强度条件外,还应满足一定的刚度条件,文献1要求

4、管道的固有频率大于3.5Hz 。通过支吊架的合理布置,可以使管道具有较高的一阶固有频率,避开介质的激振频率,以免发生共振。该文采用有限单元法对该给水管道进行模态分析计算,模态分析可根据管系的频率方程来计算管道的固有频率。对于n 质量无阻尼系统,其频率方程如下:|K -2M |=0(1式中,K 为系统的刚度矩阵;K 为质量矩阵;为各阶固有频率值。由于汽水系统发生共振时,其能量主要集中在低阶振动中,故一般只需计算其一阶固有频率即可。计算结果表明,该给水管道的一阶固有频率仅为0.796Hz ,远低于设计要求的3.5Hz ,可见管道的固有频率太低是其发生严重振动的主要原因。2消除振动的方案要消除该给水

5、管道的振动可通过对管道增加支吊架,从而提高管道的固有频率,以避免管道的共振。但管道的刚度与强度是一对相互矛盾的问题,在增加管道支吊架提高了管道刚度后,将对管道的热位移产生约束,可能使管道应力增加,其强度相应降低,加速了管道的损伤。因此,在增加管道的支吊架之前,必须同时进行严格的模态分析计算和应力分析计算,以保证改造方案既适当提高了管道的固有频率但又不632004年5月江苏电机工程Jiangsu Electrical Engineering第23卷第3期大幅度增加管道应力。模态计算结果和现场检查均表明,下关发电厂2号机组给水管道的振动位置主要在15m标高处,故决定在该标高管道上沿管道径向安装限位

6、器。根据现场情况设计了2种改造方案,连同实际情况,共对3种方案进行模态和应力计算。方案1:实际情况;方案2:在方案1基础上在227号弹簧支座处加装一Z向限位装置;方案3:在方案2基础上在225号弹簧吊架与水平弯头间加装一X向限位装置。该文采用有限元法进行应力和模态计算,分析计算的步骤依次为:形成节点和单元数据、形成单元刚度矩阵、形成总体刚度矩阵、边界条件的施加、形成荷载向量、求解平衡方程、模态分析、重新形成力和力矩、应力计算。以上3种方案的许用应力比和一阶固有频率的计算结果如表1所示。许用应力比即计算应力值与许用应力值之比,应力又分为一次应力和二次应力。一次应力包括管道内压应力和持续外载引起的

7、应力;二次应力是管道由热胀、冷缩和其他位移受约束引起的应力;三次应力就是一次应力与二次应力之和。表1三种方案的计算结果方案一次许用应力比二次许用应力比三次许用应力比一阶固有频率/Hz方案10.6670.1740.3140.796方案20.6730.2310.3350.849方案30.7700.2320.356 1.285由表1中的数据可见,方案2情况下的管道一阶固有频率与管道原一阶固有频率接近,只增加了6.65%,效果不理想;方案3情况下管道的一阶固有频率为1.285Hz,比原有一阶固有频率增加了61.43%,虽未达到规程要求的3.5Hz,但已可避开现有管系的激振频率,应能减轻甚至消除管道的振

8、动现象。同时,由表中数据还可看出,该方案的管道应力比原有的管道应力增加不大。故决定改造方案以方案3为准,即:在227号弹簧支座处加装一Z向限位装置x1,同时在225号弹簧吊架与水平弯头间加装一X向限位装置x2,具体位置见图1所示。3消振效果在下关发电厂2号机组2003年的大修中,对给水管道实施了文中方案3的消振措施。机组投运后的实际情况表明,给水管道的大幅度振动现象已完全消除,保证了设备的安全。文中的消振措施不改变管系的布置,仅增加2个限位装置,投资少,施工简单,对管系的强度影响也很小,实际消振效果明显,在电厂锅炉汽水管道振动的消除中具有一定的推广应用价值。参考文献:1火力发电厂汽水管道设计技

9、术规定S.电力工业部东北电力设计院.北京:中国电力出版社,1996.作者简介:邓广发(1971-,男,江苏盐城人,工学硕士,工程师,从事电站锅炉研究、汽水管道的应力分析及支吊架调整工作。(上接第35页从上述3种算法比较中看到,算法一、二误差较大,而算法三精度最高,且计算过程无需查发电机空载曲线,相对简洁,且可用EXCEL自动计算各种工况下的功角,但仍存在一定的误差。可能原因为:(1功角测量误差,从测量功角仪器的精度和测量方法来看,最大测量误差为23(°(2发电机数学模型的近似。总体而言,该功角计算方法的精度已满足实际工程应用要求。因此,算法三是一种计算功角的较好方法,具有实际的工程应用价值。参考文献:1IEEE Standarards Board.IEEE Std1110-1991.IEEE Guide forSynchronous G enerator Modeling Practices in Stability AnalysesS.Approved March21,1991.2许实章.电机学M.北京:机械工业出版社,1