基于阻尼减振技术的热电厂减温减压器管道研究*

胡 朋，何立东，张震坤，吕成龙

(北京化工大学化工安全教育部工程研究中心，北京100029)

0 引 言

减温减压器是用来调节蒸汽压力、温度，以及降低高压、高速蒸汽所产生剧烈振动与噪声的重要装置，广泛应用于工业生产中，是蒸汽排放系统稳定运行的关键［1-2］。抚顺某热电厂的一机组投入运行3、4个月后，减温减压器的减温水管道一直存在着严重的振动问题。强烈的振动曾导致减温水管道维修不到1个月就疲劳开裂。另外，振动还致使主蒸汽管线一次阀门前、后法兰螺栓松动以及高温、高压蒸汽泄漏等危险事故。

高速高压蒸汽经减压阀降压节流之后，蒸汽压差很大，很容易产生较大的压力波动。向高温、高压蒸汽中喷入水雾降温属于湍流气液两相流问题，会使减温减压器内部流场不稳定，故减温减压器系统常常会产生强烈的振动和尖锐的噪声，以及汽蚀、闪蒸、可调比低等有害现象。目前管道系统的减振可以通过以下两个途径解决:①改造管道系统原有结构，但调整工作量大，管道空间结构调整不允许，一般不采用该方式解决管道振动;②改善管系振动固有特性，主要方法是增减管道约束，改变管系刚度和阻尼。然而对管道增加刚性约束不会耗散振动产生的能量，会传递给系统的其他仪器设备，故选择改变阻尼的方法来治理振动［3-4］。

本研究依据该热电厂减温减压器中减温水管道的设计资料和振动测量数据，分析管道强烈振动产生的原因及危害，研究和运用阻尼减振技术，通过增加管道系统的阻尼，显著地降低管道振动的速度，保证管道系统的安全运行。

1 减温水管道振动状况及危害

减温水管道的外径为 Φ57 mm，厚度为3.5 mm。减温水由高压给水泵通过该管道输送减温水，经过节流装置由喷嘴呈雾状喷出，与新蒸汽直接混合来实现调节温度。管道在额定工况下振动非常严重，最大振幅超出测振仪器量程，即最大振动速度超过200 mm/s，大大超过了火力发电厂汽水管道振动控制导则规定的最大峰值振动速度值不能超过21.06 mm/s的要求。强烈的振动对管道已产生严重的损坏，在减温水管弯头区域出现多次开裂泄漏现象(管道疲劳开裂图如图1所示)。

图1 管道疲劳开裂图示

该厂对开裂管道进行了多次改造，一是在开裂位置设计加固装置(管道弯头处加固装置如图2所示)，通过向其灌注金属密封胶，将其与管道粘结成一个整体，起到提高管道强度的作用，但运行一段时间后再次出现疲劳开裂(金属密封胶加固装置与管道焊缝振裂如图3所示);二是将失效的加固装置去除掉，重新焊接一段管道，并对其焊接刚性支架进行加固(如图1所示)，提高了管道系统的刚度。管道的振动稍有降低，但刚性支架不能耗散掉管道振动产生的能量，经历一段时间后管道由于局部应力过大又一次出现疲劳开裂。

图2 管道弯头处加固装置

图3 金属密封胶加固装置与管道焊缝振裂

强烈振动导致的破坏致使该厂不得不将工作负荷下调，蒸汽流量从200 t/h一直降到80 t/h，造成了严重的经济损失。在低负荷生产条件下，管道振动虽有所降低，但远不能满足工业生产的供热需求，导致了生产量下降，仪器仪表等设备冻坏现象。且工作负荷较低(流量低于100 t/h)时，锅炉车间不能用煤粉作为燃料，为防止其发生煤粉爆炸，不得不改用喷射柴油的方式维持生产，由于消耗量很大，成本大幅度提高。

2 减温水管道振动原因分析

通过有限元软件模拟计算和综合分析可知，导致喷水管道振动的原因主要有以下几点:

(1)管道共振是其强烈振动发生的主要原因。本研究采用Sap2000有限元软件对管道结构进行建模和模态分析，得出管道结构的第1阶固有频率为11.895 Hz。现场测得的管道振动频率为 12.4 Hz，通常取共振区域为0.8～1.2倍，计算得到共振频率为9.92 Hz～14.88 Hz。可知管道的第1阶固有频率处于共振区范围之内，管道结构发生共振。

(2)减温水由高压给水泵供给，较大的压力和流速遇到弯头和阀门时就产生随时间变化的脉动，从而导致管线产生强烈振动。

(3)减温水管道非常细，外径仅为Φ57 mm，整体的刚度和强度都比较小。

3 管道阻尼器耗能减振原理

3.1 阻尼减振原理分析

本研究在管系振幅较大的位置安装粘滞阻尼器，将管道振动的机械能传递到阻尼器的阻尼液中，通过阻尼液的运动摩擦发热来耗散管道振动能量，最终达到减振的目的。下面通过计算得出粘性阻尼每周期消耗的能量［5-8］:

设简谐强迫振动的稳态响应为:

振动速度为:

粘性阻尼力为:

粘性阻尼力在一个周期内耗散的能量为:

式中:c—阻尼系数，ω—固有频率，B—最大振动位移。

由上面计算可知，通过对振动系统增加额外的阻尼能够耗散机械振动能量，可以有效地抑制振动系统的位移和速度，最终实现阻尼减振的目的。

3.2 阻尼减振模拟仿真

该项目中，将部分管道系统简化为不计阻尼的质量块，该质量块同时受到外界激励力、弹簧力和阻尼力的共同作用，其简化模型如图4所示。

图4 受激励的管道振动系统

以管道系统某个方向的振动分析，按照牛顿运动定理可以得到安装阻尼器后管道系统振动微分方程为:

式中:m—系统质量，c—阻尼系数，k—刚度。

公式(5)中，第1项为整个系统的惯性力;第2项为阻尼力;第3项为弹性力;第4项为外界激励力。

本研究运用有限元软件Sap2000依据管道系统的实际参数进行一比一建模，并划分网格，在有限元模型上施加约束条件和简谐激振力，最后进行阻尼减振计算。通过对比模型中未设置阻尼器和设置阻尼器两种工况计算结果，可得出阻尼对振动的抑制效果。未设置阻尼器模型和设置阻尼器模型分别如图5、图6所示，在节点3 152和3 678之间每隔16 mm选取一个节点，共33个(如图5所示)，从而计算出两种工况下管道模型中选取节点的振动速度对比图如图7所示。其中该项目中使用的是普通液体粘滞阻尼器(非线性粘滞阻尼器)，阻尼系数为137 kN·s/m，阻尼指数为0.3，刚度取值为137 000 kN/m。

图5 管道系统无阻尼模型

图6 管道系统有阻尼模型

图7 管道模型设置阻尼器前、后振动速度对比图

管道模型设置阻尼器前、后振动速度对比图如图7所示，通过对管道系统设置额外的阻尼能够大幅度降低管道的振动。其中，未设置阻尼时管道最大振动速度为219.14 mm/s，设置阻尼后最大振动速度降到了15.84 mm/s，减振幅度达到了92.77%，阻尼对振动系统的减振效果非常显著。

4 管道阻尼减振方案及效果

管道系统的振动控制比较复杂，在确定减振改造方案时要综合考虑各种因素，处理好各类矛盾。例如加固或增设管系的支撑点就能显著提高系统的刚度，从而改变振动特性。振动虽有降低但强固支承会导致管道系统局部应力过大出现再次振裂现象［9］。考虑到该机组必须在不停机且保证连续生产的情况下进行改造，故本研究运用管道阻尼减振技术，在适当位置安装粘滞阻尼器，降低管道系统的振动，消除了管道振动产生的安全隐患。同时阻尼器为柔性支撑，不改变原有系统的刚度，没有运动空程，其对低频振动减振效果非常显著［10］。

根据最终优化方案，本研究在管道振裂处的下面一段管道安装两个管道阻尼器，设计施工图如图8所示。上方阻尼器能够有效控制激振源弯头处的振动，下方阻尼器不仅能降低其附近弯头产生的振动，而且能够阻止振动能量向管道系统的其他薄弱区域传递，从而达到降低管道系统振动、保护管道结构的目的。

图8 减温水管道阻尼器安装设计图

阻尼器安装完成之后，减温水管道的振动大幅度降低。改造之前机组在较低工作负荷(蒸汽流量为80 t/h)时，振动速度已经超过了200 mm/s，改造后在额定工作负荷(蒸汽流量为200 t/h)下，各测点最大振动速度均不超过18.8 mm/s，完全达到了火力发电厂汽水管道振动控制导则规定的要求，同时满足了生产和生活供热的要求。项目改造完成至今已近一年时间，蒸汽流量基本达到额定负荷200 t/h，从未出现振动开裂现象，完全保证了机组连续安全、稳定地运行。

5 结束语

减温减压器减温水管道直径小且长度大，刚度较小。较大的气流冲击遇到弯头、阀门等附件时会激起管道振动，从而引起管道系统共振。本研究通过运用Sap2000软件对管道进行模态分析，计算管道的固有频率，从而判断是否发生系统共振。笔者从能量耗散的理论角度分析阻尼减振技术，并运用Sap2000软件进行模拟仿真，说明阻尼对振动的抑制效果明显，也为阻尼器的安装提供可靠的依据。

本研究在不停机和不改变管道结构的情况下选择最佳位置安装管道阻尼器，改造完成后，管道的振动速度大幅度减小，蒸汽流量基本达到额定负荷200 t/h，最大速度由减振前的超量程(大于199 mm/s)降低到18.8 mm/s，完全达到了火力发电厂汽水管道振动控制导则规定的“最大峰值振动速度值不能超过21.06 mm/s”的要求。

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