1 000 MW機(jī)組定子冷卻水管道振動(dòng)原因分析及治理

張振興，李建勇，余成長(zhǎng)，唐 璐

（1.江蘇國(guó)華陳家港發(fā)電有限公司，江蘇 鹽城 224631；2.蘇州熱工研究院，江蘇 蘇州 215004）

定子冷卻水系統(tǒng)是關(guān)系到發(fā)電機(jī)能否正常安全運(yùn)行的重要系統(tǒng)。定子冷卻水系統(tǒng)向發(fā)電機(jī)定子繞組和母線提供水質(zhì)、壓力、溫度和流量符合要求的冷卻水，循環(huán)的冷卻水帶走發(fā)電機(jī)連續(xù)運(yùn)行所產(chǎn)生的熱量，以保證發(fā)電機(jī)安全運(yùn)行。定子冷卻水繞組的進(jìn)水口和出水口直接連接在汽機(jī)本體上，管道振動(dòng)較大會(huì)直接影響到機(jī)組安全運(yùn)行。

1 管道振動(dòng)情況

某1 000 MW機(jī)組定子冷卻水管道的材質(zhì)為1Cr18Ni9Ti，規(guī)格為Φ168 mm×5 mm，水進(jìn)水管道溫度為50℃，出水管溫度為85℃，設(shè)計(jì)壓力為1 MPa。定子冷卻水管道布置如圖1所示。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀察和測(cè)量，發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)定子繞組出水口至定子冷卻水供水裝置回水管道振動(dòng)劇烈，管道振動(dòng)總體特征是低頻高幅。19號(hào)固定支架所在立管X向和Y向兩個(gè)振動(dòng)較大，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量最大峰值位移分別為10 mm和15 mm，立管振動(dòng)帶動(dòng)上方水平管道振動(dòng)；18號(hào)剛性吊架所在水平管擺動(dòng)嚴(yán)重，X向和Y向擺動(dòng)幅度分別約為15 mm和20 mm；15-17號(hào)剛性吊架所在水平管道Y向振動(dòng)，振幅約為10 mm；9號(hào)剛性吊架所在立管振動(dòng)兩向振動(dòng)幅度均約為15 mm，8號(hào)剛性吊架X向振動(dòng)幅度為10 mm。

由于現(xiàn)場(chǎng)管道振動(dòng)劇烈，利用5組手拉葫蘆對(duì)發(fā)電機(jī)定子繞組出水口至定子冷卻水供水裝置回水管道進(jìn)行了臨時(shí)固定，16和17號(hào)剛性吊架之間管道臨時(shí)加固如圖2所示。定子冷卻水供水裝置總出水管至發(fā)電機(jī)定子繞組進(jìn)水口管道未發(fā)現(xiàn)明顯振動(dòng)現(xiàn)象。

2 振動(dòng)原因分析

圖1 定子冷卻水管道布置圖

圖2 16和17號(hào)剛性吊架之間管道的臨時(shí)加固

管道支吊架設(shè)計(jì)時(shí)只進(jìn)行了靜力計(jì)算，沒(méi)有考慮管道的動(dòng)態(tài)特性。由于定子冷卻水管道設(shè)計(jì)溫度較低，管道熱膨脹幾乎可以忽略。由設(shè)計(jì)計(jì)算書(shū)可知，原定子冷卻水管道支吊架的設(shè)計(jì)僅滿(mǎn)足了承載要求。按規(guī)定[1]管道設(shè)計(jì)除要求滿(mǎn)足強(qiáng)度條件外，還應(yīng)滿(mǎn)足一定的剛度條件，并要求管道的固有頻率大于3.5 Hz。

定子冷卻水管道介質(zhì)流速較小，激振頻率較低。管道較長(zhǎng)、彎頭多、柔性較大，管道內(nèi)的水流容易在彎頭處產(chǎn)生交變的激振力，從而導(dǎo)致管道振動(dòng)。管道剛度不夠或支吊架設(shè)計(jì)不合理也會(huì)導(dǎo)致管道自振頻率較低而產(chǎn)生共振。

發(fā)電機(jī)定子繞組出水口至定子冷卻水供水裝置回水管道大多采用剛性吊架懸吊方式。這種方式可約束管道垂直方向的運(yùn)動(dòng)，對(duì)管道水平方向的運(yùn)動(dòng)幾乎無(wú)約束作用。除靠近定子繞組進(jìn)水口和出水口附近設(shè)計(jì)了固定支架，整個(gè)管系中無(wú)限位裝置和約束裝置，管道剛度較小。如果管道的固有頻率過(guò)低，管道柔性過(guò)大，即使不在激振頻率區(qū)域，管道在激振力的作用下仍有可能產(chǎn)生劇烈振動(dòng)。

檢查現(xiàn)場(chǎng)支吊架后發(fā)現(xiàn)，發(fā)電機(jī)定子繞組出水口至定子冷卻水供水裝置回水管道13號(hào)滑動(dòng)支架脫空；19號(hào)固定支架根部未與預(yù)埋件焊接，固定支架變?yōu)榛瑒?dòng)支架，只起承載作用，而無(wú)限制位移作用，大大降低了管道的剛度。

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢查和分析，定子冷卻水管道支吊架設(shè)計(jì)不合理、管道剛度小、固有頻率較低是定子冷卻水發(fā)生劇烈振動(dòng)的主要原因。

3 振動(dòng)治理方案

定子冷卻水管道是一個(gè)復(fù)雜的連續(xù)彈性體，其振動(dòng)問(wèn)題可視為有限多個(gè)質(zhì)點(diǎn)多自由度的振動(dòng)系統(tǒng)。對(duì)有一定質(zhì)量的無(wú)阻尼系統(tǒng)，其頻率方程如式（1）所示：

式中：K為剛度矩陣；M為質(zhì)量矩陣；ω為各階固有頻率。

由式（1）可得，多自由度系統(tǒng)的固有頻率與其質(zhì)量矩陣和剛度矩陣有關(guān)。定子冷卻水管道已無(wú)法改變其布置，故管道質(zhì)量無(wú)法改變。因此，在保證管道應(yīng)力合格的前提下，可通過(guò)支吊架的合理布置，增設(shè)限位裝置以增加管道剛度，使管道具有較高的一階固有頻率，避開(kāi)相對(duì)低階激振力的響應(yīng)，從而減小管道的振動(dòng)。

針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)管道振動(dòng)情況，采取以下處理措施：

（1）對(duì)19號(hào)支架進(jìn)行加焊，限制該處管道6個(gè)方向的自由度，墊實(shí)脫空的13號(hào)滑動(dòng)支架。

（2）距離8號(hào)吊架2 m處和距離18號(hào)吊架1.5 m處，分別增設(shè)8 A和18 A號(hào)X向限位支架，增設(shè)14A號(hào)X向限位拉撐桿。

（3）在16號(hào)和17號(hào)吊架旁，分別增設(shè)16 A和17 A號(hào)Y向限位支架。

（4）在9號(hào)吊架下方2 m處，增設(shè)9 A號(hào)斜45°限位拉撐桿，限制所在立管X向和Y向振動(dòng)。

新增限位支架及拉撐桿的位置如圖1所示。減振措施實(shí)施后，定子冷卻水管道最大應(yīng)力值如表1所示，管道一次應(yīng)力和二次應(yīng)力比減振前略微增加，但均在許用范圍之內(nèi)，不會(huì)造成管道應(yīng)力超標(biāo)，該減振方案是安全的。

表1 減振前后定子冷卻水管道最大應(yīng)力值

4 模態(tài)分析

模態(tài)是多自由度線性系統(tǒng)的一種固有屬性。模態(tài)分析的目的就是為了計(jì)算管系的固有頻率和振型，確定其動(dòng)力學(xué)特性。用CaesarⅡ軟件對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際狀態(tài)、原設(shè)計(jì)及減振措施實(shí)施后定子冷卻水管道進(jìn)行模態(tài)計(jì)算，得出定子冷卻水管道按照某一階固有頻率振動(dòng)時(shí)，管道系統(tǒng)各部分的振動(dòng)趨勢(shì)。表2為3種狀態(tài)下管系前4階固有頻率。

表2 3種狀態(tài)下管系前4階固有頻率 Hz

從表2可以看出，原設(shè)計(jì)和減振前現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際狀態(tài)的管道固有頻率都較低，第1階頻率僅為0.73 Hz和0.85 Hz，遠(yuǎn)達(dá)不到規(guī)范要求的3.5 Hz。減振方案實(shí)施后，定子冷卻水管道剛度增大，1階固有頻率大大提高，有效地避開(kāi)了低階激振頻率區(qū)。圖3和圖4是以第1階頻率為例的減振措施前后的振型圖。

圖3 第1階模態(tài)f1=0.73振型

圖4 減振后第1階模態(tài)f1=3.43振型

5 結(jié)論

對(duì)于溫度較低、薄壁小外徑管道，管道柔性較大，設(shè)計(jì)過(guò)程中除進(jìn)行靜力計(jì)算、滿(mǎn)足強(qiáng)度要求外，還應(yīng)該考慮管道動(dòng)態(tài)特性，滿(mǎn)足管道剛度要求。建議進(jìn)行必要的動(dòng)態(tài)分析，合理設(shè)計(jì)支吊架，在合適位置設(shè)置限位裝置，以提高管道固有頻率，有效避開(kāi)低階激振頻率區(qū)域。

振動(dòng)治理方案實(shí)施后，定子冷卻水管道大幅度振動(dòng)現(xiàn)象已完全消除，治理投運(yùn)后的振動(dòng)幅度明顯減小，最大幅度小于2 mm。振動(dòng)治理后，不改變管系的布置，僅在合適的位置增加限位裝置，投資較小，施工簡(jiǎn)單，實(shí)際振動(dòng)消除效果明顯。這種振動(dòng)治理方法同樣可用于發(fā)電廠其他輸水管道，如凝結(jié)水再循環(huán)管道，凝結(jié)水補(bǔ)水管道、除氧器補(bǔ)水管道和定子冷卻水補(bǔ)水管道的振動(dòng)治理。

[1]DL/T 5054-1996火力發(fā)電廠汽水管道設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定[S].北京:中國(guó)電力出版社出版，1996.

[2]張廣成.電站高溫高壓蒸汽大管道振動(dòng)治理[J].振動(dòng)工程學(xué)報(bào)，2004，17（2）:1131-1133.