CC50双抽凝汽式机组高加疏水管道振动分析与处置

柳永平

摘要：在燃煤电厂系统中，汽轮机回热系统中的高、低压加热器的投运，提高了汽轮机组整体运行的经济性，尤其是高压加热器，单台高加正常投运能提高给水温度近30℃，在系统经济性上意义重大。约每提高1℃给水温度，将为企业每年节约至少百万费用。高压加热器的安全长周期运行成为了关键，影响高加的投运的主要因素有高加疏水管道振动、泄漏以及高加内部泄漏导致被迫停运，本文重点研究高加疏水管道振动的振动原因，制定解决办法，以此来降低高加疏水管道振动，延长管道寿命，提升高加系统的安全长周期运行。

关键词：高加疏水;管道振动;振动分析;处置

引言

某电厂使用上海汽轮机有限公司生产的CC50-8.83/4.12/1.27 型高压双抽凝汽式供热汽轮机，热力系统中的回热系统设有二台高压加热器，三台低压加热器。机组抽汽系统中的二段抽汽供2号高加加热，三段抽汽供1号高加加热。

高压加热器采用大旁路系统，设有自动旁路路阀，当高压加热器发生故障时，给水可直接打入锅炉。高加为顺置立式布置，传热管为U形管，双流程，水室为大开口并具有自密封结构。在蒸汽入口装有不锈钢挡汽板，防止蒸汽冲刷管束。

高加设有过热蒸汽冷却段和蒸汽凝结段两个传热区段，来自汽机轮机的抽汽，先经过过热蒸汽冷却段冷却，然后进入蒸汽凝结段凝结成疏水，疏水经过调整阀控制，由压力较高的高加排入压力较低的高加，而压力较低的高加疏水，經过疏水调整阀排至除氧器。

1 现状

该厂高加系统简图如下图1

2号高加疏水进入1号高加后，经过换热后与1号高加疏水混合进入疏水母管，最终进入除氧器。

高加运行参数如下表1

2 存在的问题

该机型的高加系统，在运行中主要存在以下问题。

1）1号高加疏水管道自高加底部拐弯处、旁路调整门处、二级直角弯处存在连续、明显的振动，易造成疲劳破坏、疲劳断裂，影响管道寿命与长周期运行。

2）高加疏水管道至除氧器高加疏水母管均存在振动。

3）高加弯头处出现过泄漏，导致被动停运高加

3 振动原因分析

1）高加进汽参数为1.2MPa，温度为320℃的低压蒸汽，经过加热156℃的给水后，蒸汽凝结为疏水，疏水压力约为1.0MPa，温度180℃，疏水沿着疏水管道从负0.5米的基坑起始，通过3道不在同一平面的直角弯后，进入位于正0.3米左右的调整阀，再通过4道不对称的直角弯进入竖直的疏水母管，经过位于8米高度的手动门后，继续竖直方向进入15米层的除氧器层，汇入高加疏水母管。

参数为1.0MPa的水对应的饱和温度为179.9℃，相比于温度为180℃的高加疏水基本处于饱和状态。当疏水继续沿着管道、阀门等从低于水平面得位置向位置于15米高的除氧器方向流动，克服管道阻力和高度差后，压力降至约为0.8MPa，此时对应的饱和温度为，170℃，因管道保温相对完善，温度下降较少，导致高加疏水在管道内部出现汽化，产生了蒸汽，在高加疏水管道中形成汽水混合物，以湿蒸汽状态在管道中流动，导致管道振动。

在日常运行中，除了高加疏水本体的温度较高、压降引发的疏水在局部定压扩容汽化外，还存在高加水位低，无水位运行的情况，导致蒸汽进入高加疏水，更加诱发了振动的形成。

2）此高加疏水系统，从高加底部开始计算，至15米层除氧器母管总共出现13道直角弯头，尤其在1高加出口20米范围内的距离内出现了近7道直角弯。高加疏水流速高，经过直角弯头时，产生的反作用使得疏水管道非对称受力，增加对管道支吊架的力，因管道支吊架不能抵消这部分力，导致出现了管道的振动。

3）高加疏水采用DN100管道，两台高加疏水加热蒸汽流量约为80t/h，计算流速约为2.8m/s。对比汽轮机技术手册推荐的高加接管流速表中，饱和疏水推荐极限流速为1.2m/s。明显在出口弯头处的流速高，产生了紊流，从内部更加促进了振动的产生。

4）疏水管道支吊架存在缺陷。该机组的高加疏水系统管线，固定支架1个，其他均为吊架，不能约束管道的振动。

4 利用数值模拟原因分析

利用计算机软件模拟分析。本次模拟采用CFD商业软件ANSYS FLUENT进行，将高加疏水自本体引出至8米层之间不足20米的管道建立模型，在数值模拟中，我们是对整个管道进行全尺寸建模计算，同时为了简化计算，管壁设置为无厚度的面。计算模型采用了76万网格，图 2展示了模型及网格划分。

计算中进口温度为180℃，压力为1.0MPa，工质为水，在进口边界条件设置中，进口设为压力进口;湍流模型采用的是RealizableΚ-ε模型。

分别对管道的压力与温度、各弯头管道局部压力与速度、分支管与进口处的振动噪音大小、弯头处的振动噪音进行模拟计算。其结果分别如下图3至图6所示。

从图中可以看出，在疏水管道的弯头处的压力变化和流速变化均比较大，颜色越接近蓝色，压力和速度越低，越接近红色，压力和速度越高。同时还对振动噪音因进行了粗略估算，第四个弯头出附近的振动最大位置的噪音为180DB（分贝）左右，管道整体振动较大，弯头处的震动要明显大于直管道中的振动。

5 消除振动方法

1）在设计疏水管道时，合理考虑疏水压降，减少管道沿程损失，减少因压力降低导致疏水在局部定压扩容产生蒸汽。

该疏水系统中，在满足疏水正常流量的前提下，在零米区域疏水管道增设缩颈、在15米除氧器层再增设缩颈，使得速度能转换为压力能，以抵消疏水流动时产生的压降而引发汽化，从而减小疏水系统的汽水混合物发生的可能性。

2）降低疏水的实际流速，减少超速引发的冲刷振动。

经过核算该系统的加热蒸汽与疏水流量，流速明细大于标准要求的流速，需要在设备更新时增加疏水管道的口径，增加流通面积，在保证疏水正常流量的前提下，减小实际流速。

日常运行中还会存在高加换热管泄漏的情况导致疏水侧管道振动异常，需要监控好运行参数，发现换热管泄漏，及时停运行消缺。

3）减少管道的弯头，避免非对称设置弯头，加大管道弯头的弧度，减小使用短小的直角弯头。

在数值模拟运算中表明，管道的弯头的流速与振动明细大于直管，该系统的直角弯头集中分布在零米区域，数量多，不但增加管道沿程损失，还使得疏水流动因拐弯变向产生的反作用力增加，最终使得管道受力传递至支吊架，通过支吊架来平衡受力。

4）增加支吊架，既能保证管道正常的膨胀与收缩，还能限制管道一定的自由度，减小管道振动。

该系统中，零米区域除基坑处得支持支架以外，其他均使用的吊架，不能充分的平衡管道在水平方向的受力。需要增设一定数量的固定支架，同时消除加固松动的支吊架，限制管道水平振动。

5）选用合理的汽液两相流，保持高加有水位运行。

在高加液位灵敏可靠的前提下，高加疏水系统除了设置疏水调整门调整高加水位，还设置汽液两相流装置。在小流量时，汽液两相流可以平衡高加本体的水位，在大流量时，同时自动调整门实现高加水位的控制。

6 结束语

高加疏水系统管道振动的危害是巨大的，通过加速管材的疲劳破坏，容易造成管道焊口开裂，造成水汽泄漏，对安全生产非常不利。日常高加运行中，应严控工艺参数，及时寻求解决办法，消除振动。

参考文献：

[1]天津石化热电部汽轮机技术规程

[2]汽轮机技术手册  中国电力出版社  赵常兴主编

[3]GB-10865-1989高压加热器技术条件