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1、 發(fā)電廠給水管道振動(dòng)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(qiáng)2,任君3(1.江蘇省電力科學(xué)研究院,江蘇南京210036;2.遼寧電力科學(xué)研究院,遼寧沈陽(yáng)110006;3.下關(guān)發(fā)電廠,江蘇南京210011文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B文章編號(hào):1009-0665(200403-0036-02收稿日期:2004-01-12下關(guān)發(fā)電廠2號(hào)爐為哈爾濱鍋爐廠設(shè)計(jì)制造的HG-420/13.7-YM1型鍋爐,于1998年12月投入運(yùn)行后其主給水管道鍋爐

2、側(cè)一直存在著嚴(yán)重的大幅度振動(dòng)。發(fā)電廠汽水管道的長(zhǎng)期大幅振動(dòng)會(huì)引起管道和支吊架材料的疲勞損壞,并會(huì)影響到與管系相連的機(jī)動(dòng)設(shè)備的安全狀況,對(duì)機(jī)組安全運(yùn)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(dòng),確保機(jī)組的安全運(yùn)行,下關(guān)發(fā)電廠委托江蘇省電力科學(xué)研究院對(duì)其2號(hào)爐主給水管道振動(dòng)的情況進(jìn)行分析和數(shù)值計(jì)算,并尋求消除振動(dòng)的措施。1管道振動(dòng)原因分析管道系統(tǒng)的振動(dòng)一般是由機(jī)械振動(dòng)、管道內(nèi)部介質(zhì)振動(dòng)引起的,其中后者是管道振動(dòng)的主要誘因。振動(dòng)對(duì)于管道是一種交變動(dòng)載荷,其危害程度取決于激振力

3、的大小和管道自身的抗振性能。當(dāng)振動(dòng)頻率等于或接近管道的自振頻率時(shí),將引起共振。為了使管道有良好的熱脹補(bǔ)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(dòng)是電廠中較常見的問題。因此,在給水管道的設(shè)計(jì)中除要求滿足強(qiáng)度條件外,還應(yīng)滿足一定的剛度條件,文獻(xiàn)1要求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(duì)該給水管道進(jìn)行模態(tài)分析計(jì)算,模態(tài)分析可根據(jù)管系的頻率方程來(lái)計(jì)算管道的

4、固有頻率。對(duì)于n 質(zhì)量無(wú)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(shí),其能量主要集中在低階振動(dòng)中,故一般只需計(jì)算其一階固有頻率即可。計(jì)算結(jié)果表明,該給水管道的一階固有頻率僅為0.796Hz ,遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)要求的3.5Hz ,可見管道的固有頻率太低是其發(fā)生嚴(yán)重振動(dòng)的主要原因。2消除振動(dòng)的方案要消除該給水管道的振動(dòng)可通過對(duì)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(qiáng)度是一對(duì)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(duì)管道的熱位移產(chǎn)生約束,可能使管道應(yīng)力增加,其強(qiáng)度相應(yīng)降低

5、,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(shí)進(jìn)行嚴(yán)格的模態(tài)分析計(jì)算和應(yīng)力分析計(jì)算,以保證改造方案既適當(dāng)提高了管道的固有頻率但又不632004年5月江蘇電機(jī)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(jì)算結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)檢查均表明,下關(guān)發(fā)電廠2號(hào)機(jī)組給水管道的振動(dòng)位置主要在15m標(biāo)高處,故決定在該標(biāo)高管道上沿管道徑向安裝限位器。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況設(shè)計(jì)了2種改造方案,連同實(shí)際情況,共對(duì)3種方案進(jìn)行模態(tài)和應(yīng)力計(jì)算。方案1:實(shí)際情況;方案2:在方案1基礎(chǔ)上在227號(hào)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(hào)彈簧吊架與水平彎

6、頭間加裝一X向限位裝置。該文采用有限元法進(jìn)行應(yīng)力和模態(tài)計(jì)算,分析計(jì)算的步驟依次為:形成節(jié)點(diǎn)和單元數(shù)據(jù)、形成單元?jiǎng)偠染仃?、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(jì)算。以上3種方案的許用應(yīng)力比和一階固有頻率的計(jì)算結(jié)果如表1所示。許用應(yīng)力比即計(jì)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(jì)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由表1中的數(shù)據(jù)可見,方案2情

7、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(dá)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動(dòng)現(xiàn)象。同時(shí),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(zhǔn),即:在227號(hào)彈簧支座處加裝一Z向限位裝置x1,同時(shí)在225號(hào)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(hào)機(jī)組2003年的大修中,對(duì)給水管道實(shí)施了文中方案3的消振措施。機(jī)組投運(yùn)后的實(shí)際情況表明,給水管

8、道的大幅度振動(dòng)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(gè)限位裝置,投資少,施工簡(jiǎn)單,對(duì)管系的強(qiáng)度影響也很小,實(shí)際消振效果明顯,在電廠鍋爐汽水管道振動(dòng)的消除中具有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。參考文獻(xiàn):1火力發(fā)電廠汽水管道設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定S.電力工業(yè)部東北電力設(shè)計(jì)院.北京:中國(guó)電力出版社,1996.作者簡(jiǎn)介:鄧廣發(fā)(1971-,男,江蘇鹽城人,工學(xué)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(yè)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(jì)算過程無(wú)需查發(fā)電機(jī)空載曲線,相對(duì)簡(jiǎn)潔,且可用EXCEL自動(dòng)計(jì)算各種工況下的功角,但

9、仍存在一定的誤差?？赡茉?yàn)?(1功角測(cè)量誤差,從測(cè)量功角儀器的精度和測(cè)量方法來(lái)看,最大測(cè)量誤差為23(°(2發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型的近似?？傮w而言,該功角計(jì)算方法的精度已滿足實(shí)際工程應(yīng)用要求。因此,算法三是一種計(jì)算功角的較好方法,具有實(shí)際的工程應(yīng)用價(jià)值。參考文獻(xiàn):1IEEE Standarards Board.IEEE Std1110-1991.IEEE Guide forSynchronous G enerator Modeling Practices in Stability AnalysesS.Approved March21,1991.2許實(shí)章.電機(jī)學(xué)M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1981.作者簡(jiǎn)介: