凝结水再循环系统振动试验及研究

赵国钦

(广东粤电靖海发电有限公司，广东 揭阳 515223)

在发电厂凝结水系统中，为减弱凝结水泵运行低流量时的汽蚀，系统设置再循环调节阀，以增加凝结水泵的流量。在凝结水泵再循环调节阀开启时，调节阀及阀后部位的管道内会有强烈的振动和噪音。现场处理时多通过管道加固、加装节流孔等不同的方式，振动问题仍然没有从根本上解决[1-4]。结合凝结水再循环系统的多种试验和流动特性分析，提出解决凝结水再循环系统振动和噪音简便、有效的方法。

1 设备概况

以某台超超临界1000 MW机组为例。凝结水工作温度为37 ℃、饱和压力为6.274 kPa，再循环调节阀的安装位置比再循环管与凝汽器接口低3.5 m。再循环调节阀的型式为单阀座、3级减压笼罩式结构，系统的主要参数见表1。

在凝汽器内常压、负压时，再循环调节阀打开均会出现强烈的振动和噪音，振源和音源的位置在调节阀及调节阀后的管路上，且以调节阀后扩压管部位的振幅和噪音最大。调节阀的开度越大，振动的振幅和噪声强度越大，与调节阀后凝汽器内的压力状况无系。在调节阀达到全开时，现场测量距离调节阀1 m以内的噪音达到102 dB以上，阀门本体振动的通频振动振幅>0.30 mm、阀后管道通频振动振幅>0.57 mm。

表1 凝结水再循环系统主要设计参数

2 振动和噪音分析

在凝结水再循环系统中，再循环调节阀及其前后流体的流动状态多变，按照区域可以分为调节阀前、调节阀内、调节阀后3个区域，凝结水在每个区域的流动状态差别很大，需要对各个阶段的流动状态进行分析。

2.1 调节阀前

在再循环调节阀前，凝结水在管道内的流动平稳，管道的内径较大，流速较低。再循环调节阀的口径小于管道内径，其前与管道连接部位设置渐缩短管与调节阀相连。

在此过程，凝结水的流通通径由350 mm减至200 mm，在渐缩短管内凝结水形成一个加速过程，流速由1.38 m/s增至4.25 m/s，相应的凝结水动压力由2.5 MPa降至2.492 MPa。此时凝结水的流动状态稳定，动压力高于汽化压力，在渐缩短管内不会发生汽蚀、涡流等问题，也不会产生较大的振动问题。

2.2 调节阀内

再循环调节阀的结构为单阀座、三级减压笼罩式，流动方向为低进高出式。凝结水经过调节阀内各组件流出时需要经过几个阶段的流体状态变化如下。

a.调节阀前过程

调节阀前有一段渐缩短管，直管段进入渐缩短管的流动是流速增加的过程，凝结水在短管内静压降低、动压升高，但由于压力很高，此状态静压远远高于汽化压力，不会发生闪蒸。渐缩短管后与阀座的口径相同，在该阶段水不会发生流动状态突变，状态比较稳定，无两相流存在。

b.自阀芯、阀座流经减压阀笼过程

凝结水自调节阀阀座向阀笼流动时，流通直径由200 mm突减至100 mm；在调节阀阀笼第1级减压笼罩内，由于减压笼罩前后压差增大，凝结水的流速由4.25 m/s突增至16.98 m/s，水在减压笼罩内的压力由2.5 MPa降至2.356 MPa。在总压不变的情况下，流体的静压降低。

水从第1级减压笼罩内流出进入第2、3级减压笼罩内，由于减压笼罩内减压孔径增大，较高压力的凝结水经过各级减压节流孔时其动压力会出现逐级降低。第3级减压笼罩减压孔通流面积为第1级减压笼罩减压孔通流面积的4倍，理论上相同流量的水经过第3级减压笼罩时在阀笼出口的流速降至4.25 m/s。此时第3级减压笼罩减压孔后水动压力会略低于设计压力0.2 MPa，达到0.191 MPa。

图1 调节阀减压孔内流动示意图

实际上由于减压阀笼属于3级套装重叠布置，减压孔之间采用孔中心错位布置，见图1。出口的核心区域(A区域)流速为16.98 m/s，形成射流状态，流速沿射流中心向周边区域快速递减，在减压阀笼的出口部位产生剧烈的静压恢复，被汽化的汽泡在静压回升后破裂，产生强烈的汽蚀。

2.3 调节阀后

凝结水自调节阀笼罩流出后，其流速为4.25 m/s、动压力为0.191 MPa，经过与调节阀相连的DN200×350 mm渐扩短管后进入主管道内。凝结水自调节阀后进入渐扩短管的过程中，仍然存在局部高速水流降速的过程，在渐扩短管中继续发生降压汽化、压力恢复，渐扩短管中依然存在汽蚀。

凝结水流经渐扩短管过程中，由于短管长度小，调节阀后的管路元件结构与突扩管相同，在主管内的中心区域形成一股射流区域，射流区域的周围至短管内壁区域会出现流体分离现象，紊流的边界层分离而产生涡流，涡流的周期性释放，在管道内壁上产生周期性扰动，见图2。调节阀后的渐扩短管中汽蚀与涡流同时存在，表现为在渐扩短管周边设备中发出类似于高频金属撞击声。距离渐扩短管越远则振动振幅和噪声越小。

图2 渐扩短管及其后流动示意图

3 解决振动和噪音试验

3.1 增加再循环流量

再循环调节阀前、后设置闸阀，闸阀通径与管道内径相同。当利用再循环调节阀旁路运行来增加再循环流量，旁路的振动振幅和噪音会略小于调节阀后的振幅和噪音，但整体的振动和噪音没有改善。

3.2 增加调节阀后渐扩喷管长度

调节阀后渐扩喷管的尺寸为DN350×200 mm、长度为330 mm，试验时将渐扩短管长度改为500 mm。运行凝结水再循环系统时调节阀后渐扩喷管的振动振幅由原的0.57 mm降至0.40 mm，但噪声没有明显改善。而此时可明显发现，在调节阀及出口渐扩喷管区域的振动和噪音最为明显，尤其在喷管的入口区域。试验充分验证了凝结水再循环系统的振动和噪音源主要集中在调节阀及阀后紧邻的喷管上。

3.3 调节阀后加装节流孔板[5-7]

在距离调节阀1.5 m位置的管道上加装孔径为150 mm节流孔，节流孔前后压差为0.08 MPa。此时调节阀后流体的压力P2高于节流孔后管道内压力，且高于凝结水汽化压力Pv，调节阀的空化系数Ci增大，空化系数Ci越大，减压阀笼出口部位发生汽蚀的剧烈程度越小，见式(1)。

(1)

式中：Ci为空化系数；P2为流体的恢复压力，Pa；Pv为流体的汽化压力，Pa；ρ为流体的密度，kg/ m3；v0为限流区域的平均流速,m/s。

从现场实际试验验证：调节阀后加装节流孔后，调节阀、阀后渐扩短管、节流孔前管道的振动振幅明显降低，噪音基本消失，调节阀前后部位振动振幅由原来的0.57 mm降至0.06～0.08 mm。但节流孔后的管道振动明显增加，达到0.40 mm，噪音也集中在此处。

3.4 调节阀更换为平衡式多级减压结构

试验时选择具有多级(13级)盘片减压结构平衡式调节阀，该结构调节阀能够实现凝结水的充分减压、出口梳流作用。调节阀改型后，渐扩短管和调节阀本体的振动振幅和噪音得到极大改善，振幅降至0.10 mm以内，噪音降至85 dB以内。

3.5 调节阀后加装孔网式流动整直装置

参考多级盘片迷宫式减压结构平衡式调节阀的梳流方式，试验时设计一种孔板、丝网结合的简易流动整直装置，提高调节阀后压力，减少调节阀后的涡流。流动整直装置由1个多孔节流孔板、2层20目丝网、1层5目丝网、1个均布多孔固定板叠加压装在一起，见图3。安装在距离调节阀出口1.5 mm的管道上。

图3 孔网式流动整直装置元件示意图

现场加装流动整直装置后，调节阀、渐扩喷管及其后管道的振动振幅降至0.06 mm以下；流动整直装置及其后管道的振动振幅<0.08 mm，噪音降至85 dB以内。

4 孔网式流动整直装置工作机理

孔网式流动整直装置相对于价格高昂的调节阀而言，是一种低成本、简易、有效的处理方式。凝结水经过该装置时依次经过节流多孔板、多层丝网、固定多孔板，凝结水每经过一个组件时均被降压、整直，最终形成相对稳定的流动状态[8]。孔网式流动整直装置前流体状态的改变主要包括调节阀阀后部分和流动整直装置后直管段部分。

4.1 调节阀阀后部分

调节阀阀后的变化主要为阀后凝结水恢复压力提高。调节阀阀后安装的流动整直装置包括节流多孔板、丝网、固定多孔板，三者组合后的当量孔径为DN150 mm，与节流孔的原理完全相同。将装置前的压力提高0.08 MPa，即将调节阀后的流体压力提高0.08 MPa，高于凝结水的汽化压力，调节阀后的空化系数提高，降低汽蚀剧烈程度。

此时调节阀后的突扩管结构未发生变化，突扩管和直管段中的涡流体仍然存在。虽然该部分涡流体在区域压力有所提高导致压力梯度有所降低，由于凝结水的不可压缩性，凝结水涡旋强度并未发生变化。单独由管内涡流产生的周期性扰动不足以引起管道共振。

4.2 流动整直装置后直管段部分

凝结水经过调节阀进入直管段后，进入流动整直装置，凝结水的流动状态发生了多种变化。

a.局部出现层流

水在调节阀后直管段内平均雷诺数为6.83×105，低于调节阀出口部位平均雷诺数1.19×106，2种流动状态均为紊流，但有较多涡流区。水流经丝网时，丝网的丝径0.4 mm、孔径0.83 mm×0.83 mm，丝网每个网孔的前后压差为0.08 MPa。通过丝网网孔的水流速由1.386 m/s升至7.54 m/s，网孔中的平均雷诺数接近2.196×103，基本达到临界雷诺数2300，水在管道内部的局部区域出现层流。水流出丝网后，整体流动状态再次变为紊流。

b.漩涡破碎

丝网丝线直径为0.4 mm，相邻2条丝线中心间距为1.23 mm，丝线边缘最小间距为0.83 mm。调节阀后管道中并不是稳态的紊流流动，而是从调节阀后流出的水呈现为整体沿管道中心线夹杂着大量不规则的漩涡流动。在水流经丝网时，丝网网孔很小，固体边界的阻挡使漩涡的切向速度减小，网孔将较大的漩涡进行切割，分解为更小的漩涡。多层分布的丝网将流体中的漩涡进行多次分割、变小，丝网后的流动就趋近于稳态流动。

丝线截面为圆柱形，靠近丝线的凝结水在流经丝线的表层时，凝结水发生绕圆柱流动，在丝线B、B′后发生流体分离，其后方开始出现漩涡、回流，对丝线产生周期性扰动，见图4。由于丝线的韧性良好，振动传递至装置支撑部位时已经减弱；丝网的丝线垂直交叉编制将丝线分割为多个小段，不同方向的扰动呈现不规则性，丝网内部相邻网孔的扰动互相干涉、抵消，传递到支撑部位的扰动会更小。

图4 凝结水流经网孔流线示意图

c.汽蚀减弱降至1.386 m/s。流体的压力在经过降压后，在丝线侧面发生汽蚀。由于网孔出口平均流速低于调节阀出口平均流速，凝结水此时的压力比调节阀后的压力高，则流体压力和汽化压力之差升高。此时空化系数Ci增大，发生在该部位的汽蚀剧烈程度也就有所降低。

在凝结水由D、D′流经A、A′时流速逐渐增加，在A—A′达到最大，静压降低至最小；向后流速逐渐降低，在分离点B、B′流速达到最小，静压达到最大；在B、B′以后由于流体分离，出现涡流。凝结水在A—B、A′—B′区域平均流速由7.54 m/s降至5.09 m/s，在流出丝网后的管道内平均流速

当汽蚀发生在丝网的丝线上时，对丝线金属表面产生冲击，造成丝线表面汽蚀冲击和振动，丝线需要选择表面强度好的材质，避免对其表面产生较大破坏。

5 结束语

在发电厂凝结水泵再循环调节阀的振动处理上，采用简易的在调节阀后安装孔网式流动整直装置的方式，充分利用孔网式结构中丝网的多孔梳流、丝线韧性良好的特性，解决调节阀后由于汽蚀、涡流等问题引起的振动及噪音问题。