發(fā)電廠給水管道振動的原因分析及消除a

1、 發(fā)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(fā)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(guān)發(fā)電廠,江蘇南京210011摘要:對某電廠給水管道振動嚴重問題進行了分析和數(shù)值計算。找出誘發(fā)管道振動的原因,并提出了簡單易行的消除振動的措施,實踐表明消振方法效果良好。關(guān)鍵詞:給水管道;振動;支吊架;應(yīng)力;頻率中圖分類號:T K263.5文獻標識碼:B

2、文章編號:1009-0665(200403-0036-02收稿日期:2004-01-12下關(guān)發(fā)電廠2號爐為哈爾濱鍋爐廠設(shè)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側(cè)一直存在著嚴重的大幅度振動。發(fā)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(shè)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(zhì)為10CrMo910,規(guī)格為 273×28mm , 鍋爐側(cè)給水管系示意圖如圖1所示。圖1鍋爐側(cè)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(guān)發(fā)電廠委托江蘇省電力科學研究院對其2號爐主給水管

3、道振動的情況進行分析和數(shù)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(tǒng)的振動一般是由機械振動、管道內(nèi)部介質(zhì)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(chǎn)生共振的可能性較大。由于給水管道的介質(zhì)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(shè)計中除要求滿足強度條件外,還應(yīng)滿足一定的剛度條件,文獻1要求

4、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(zhì)的激振頻率,以免發(fā)生共振。該文采用有限單元法對該給水管道進行模態(tài)分析計算,模態(tài)分析可根據(jù)管系的頻率方程來計算管道的固有頻率。對于n 質(zhì)量無阻尼系統(tǒng),其頻率方程如下:|K -2M |=0(1式中,K 為系統(tǒng)的剛度矩陣;K 為質(zhì)量矩陣;為各階固有頻率值。由于汽水系統(tǒng)發(fā)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(jié)果表明,該給水管道的一階固有頻率僅為0.796Hz ,遠低于設(shè)計要求的3.5Hz ,可見管道的固有頻率太低是其發(fā)生嚴重振動的主要原因。2消除振動的方案要消除該給水

5、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(chǎn)生約束,可能使管道應(yīng)力增加,其強度相應(yīng)降低,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(tài)分析計算和應(yīng)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(yīng)力。模態(tài)計算結(jié)果和現(xiàn)場檢查均表明,下關(guān)發(fā)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

6、器。根據(jù)現(xiàn)場情況設(shè)計了2種改造方案,連同實際情況,共對3種方案進行模態(tài)和應(yīng)力計算。方案1:實際情況;方案2:在方案1基礎(chǔ)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(chǔ)上在225號彈簧吊架與水平彎頭間加裝一X向限位裝置。該文采用有限元法進行應(yīng)力和模態(tài)計算,分析計算的步驟依次為:形成節(jié)點和單元數(shù)據(jù)、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(tài)分析、重新形成力和力矩、應(yīng)力計算。以上3種方案的許用應(yīng)力比和一階固有頻率的計算結(jié)果如表1所示。許用應(yīng)力比即計算應(yīng)力值與許用應(yīng)力值之比,應(yīng)力又分為一次應(yīng)力和二次應(yīng)力。一次應(yīng)力包括管道內(nèi)壓應(yīng)力和持續(xù)外載引起的

7、應(yīng)力;二次應(yīng)力是管道由熱脹、冷縮和其他位移受約束引起的應(yīng)力;三次應(yīng)力就是一次應(yīng)力與二次應(yīng)力之和。表1三種方案的計算結(jié)果方案一次許用應(yīng)力比二次許用應(yīng)力比三次許用應(yīng)力比一階固有頻率/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中的數(shù)據(jù)可見,方案2情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(guī)程要求的3.5Hz,但已可避開現(xiàn)有管系的激振頻率,應(yīng)能減輕甚至消除管道的振

8、動現(xiàn)象。同時,由表中數(shù)據(jù)還可看出,該方案的管道應(yīng)力比原有的管道應(yīng)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(guān)發(fā)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,給水管道的大幅度振動現(xiàn)象已完全消除,保證了設(shè)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(yīng)用價值。參考文獻:1火力發(fā)電廠汽水管道設(shè)計技

9、術(shù)規(guī)定S.電力工業(yè)部東北電力設(shè)計院.北京:中國電力出版社,1996.作者簡介:鄧廣發(fā)(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(yīng)力分析及支吊架調(diào)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(fā)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,但仍存在一定的誤差?？赡茉驗?(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(fā)電機數(shù)學模型的近似?？傮w而言,該功角計算方法的精度已滿足實際工程應(yīng)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(yīng)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(yè)出版社,1