1 000 MW机组定子冷却水管道振动原因分析及治理

张振兴，李建勇，余成长，唐 璐

（1.江苏国华陈家港发电有限公司，江苏 盐城 224631；2.苏州热工研究院，江苏 苏州 215004）

定子冷却水系统是关系到发电机能否正常安全运行的重要系统。定子冷却水系统向发电机定子绕组和母线提供水质、压力、温度和流量符合要求的冷却水，循环的冷却水带走发电机连续运行所产生的热量，以保证发电机安全运行。定子冷却水绕组的进水口和出水口直接连接在汽机本体上，管道振动较大会直接影响到机组安全运行。

1 管道振动情况

某1 000 MW机组定子冷却水管道的材质为1Cr18Ni9Ti，规格为Φ168 mm×5 mm，水进水管道温度为50℃，出水管温度为85℃，设计压力为1 MPa。定子冷却水管道布置如图1所示。

通过现场观察和测量，发现发电机定子绕组出水口至定子冷却水供水装置回水管道振动剧烈，管道振动总体特征是低频高幅。19号固定支架所在立管X向和Y向两个振动较大，现场测量最大峰值位移分别为10 mm和15 mm，立管振动带动上方水平管道振动；18号刚性吊架所在水平管摆动严重，X向和Y向摆动幅度分别约为15 mm和20 mm；15-17号刚性吊架所在水平管道Y向振动，振幅约为10 mm；9号刚性吊架所在立管振动两向振动幅度均约为15 mm，8号刚性吊架X向振动幅度为10 mm。

由于现场管道振动剧烈，利用5组手拉葫芦对发电机定子绕组出水口至定子冷却水供水装置回水管道进行了临时固定，16和17号刚性吊架之间管道临时加固如图2所示。定子冷却水供水装置总出水管至发电机定子绕组进水口管道未发现明显振动现象。

2 振动原因分析

图1 定子冷却水管道布置图

图2 16和17号刚性吊架之间管道的临时加固

管道支吊架设计时只进行了静力计算，没有考虑管道的动态特性。由于定子冷却水管道设计温度较低，管道热膨胀几乎可以忽略。由设计计算书可知，原定子冷却水管道支吊架的设计仅满足了承载要求。按规定[1]管道设计除要求满足强度条件外，还应满足一定的刚度条件，并要求管道的固有频率大于3.5 Hz。

定子冷却水管道介质流速较小，激振频率较低。管道较长、弯头多、柔性较大，管道内的水流容易在弯头处产生交变的激振力，从而导致管道振动。管道刚度不够或支吊架设计不合理也会导致管道自振频率较低而产生共振。

发电机定子绕组出水口至定子冷却水供水装置回水管道大多采用刚性吊架悬吊方式。这种方式可约束管道垂直方向的运动，对管道水平方向的运动几乎无约束作用。除靠近定子绕组进水口和出水口附近设计了固定支架，整个管系中无限位装置和约束装置，管道刚度较小。如果管道的固有频率过低，管道柔性过大，即使不在激振频率区域，管道在激振力的作用下仍有可能产生剧烈振动。

检查现场支吊架后发现，发电机定子绕组出水口至定子冷却水供水装置回水管道13号滑动支架脱空；19号固定支架根部未与预埋件焊接，固定支架变为滑动支架，只起承载作用，而无限制位移作用，大大降低了管道的刚度。

经现场检查和分析，定子冷却水管道支吊架设计不合理、管道刚度小、固有频率较低是定子冷却水发生剧烈振动的主要原因。

3 振动治理方案

定子冷却水管道是一个复杂的连续弹性体，其振动问题可视为有限多个质点多自由度的振动系统。对有一定质量的无阻尼系统，其频率方程如式（1）所示：

式中：K为刚度矩阵；M为质量矩阵；ω为各阶固有频率。

由式（1）可得，多自由度系统的固有频率与其质量矩阵和刚度矩阵有关。定子冷却水管道已无法改变其布置，故管道质量无法改变。因此，在保证管道应力合格的前提下，可通过支吊架的合理布置，增设限位装置以增加管道刚度，使管道具有较高的一阶固有频率，避开相对低阶激振力的响应，从而减小管道的振动。

针对现场管道振动情况，采取以下处理措施：

（1）对19号支架进行加焊，限制该处管道6个方向的自由度，垫实脱空的13号滑动支架。

（2）距离8号吊架2 m处和距离18号吊架1.5 m处，分别增设8 A和18 A号X向限位支架，增设14A号X向限位拉撑杆。

（3）在16号和17号吊架旁，分别增设16 A和17 A号Y向限位支架。

（4）在9号吊架下方2 m处，增设9 A号斜45°限位拉撑杆，限制所在立管X向和Y向振动。

新增限位支架及拉撑杆的位置如图1所示。减振措施实施后，定子冷却水管道最大应力值如表1所示，管道一次应力和二次应力比减振前略微增加，但均在许用范围之内，不会造成管道应力超标，该减振方案是安全的。

表1 减振前后定子冷却水管道最大应力值

4 模态分析

模态是多自由度线性系统的一种固有属性。模态分析的目的就是为了计算管系的固有频率和振型，确定其动力学特性。用CaesarⅡ软件对现场实际状态、原设计及减振措施实施后定子冷却水管道进行模态计算，得出定子冷却水管道按照某一阶固有频率振动时，管道系统各部分的振动趋势。表2为3种状态下管系前4阶固有频率。

表2 3种状态下管系前4阶固有频率 Hz

从表2可以看出，原设计和减振前现场实际状态的管道固有频率都较低，第1阶频率仅为0.73 Hz和0.85 Hz，远达不到规范要求的3.5 Hz。减振方案实施后，定子冷却水管道刚度增大，1阶固有频率大大提高，有效地避开了低阶激振频率区。图3和图4是以第1阶频率为例的减振措施前后的振型图。

图3 第1阶模态f1=0.73振型

图4 减振后第1阶模态f1=3.43振型

5 结论

对于温度较低、薄壁小外径管道，管道柔性较大，设计过程中除进行静力计算、满足强度要求外，还应该考虑管道动态特性，满足管道刚度要求。建议进行必要的动态分析，合理设计支吊架，在合适位置设置限位装置，以提高管道固有频率，有效避开低阶激振频率区域。

振动治理方案实施后，定子冷却水管道大幅度振动现象已完全消除，治理投运后的振动幅度明显减小，最大幅度小于2 mm。振动治理后，不改变管系的布置，仅在合适的位置增加限位装置，投资较小，施工简单，实际振动消除效果明显。这种振动治理方法同样可用于发电厂其他输水管道，如凝结水再循环管道，凝结水补水管道、除氧器补水管道和定子冷却水补水管道的振动治理。

[1]DL/T 5054-1996火力发电厂汽水管道设计技术规定[S].北京:中国电力出版社出版，1996.

[2]张广成.电站高温高压蒸汽大管道振动治理[J].振动工程学报，2004，17（2）:1131-1133.