浙江电力 ＺＨＥＪＩＡＮＧ ＥＬＥＣＴＲＩＣ ＰＯＷＥＲ ２０１１年第７期 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（１．江苏国华陈家港发电有限公司，江苏盐城璐 苏州 ２１５００４） ２２４６３１；２．苏州热工研究院，江苏摘 要：通过现场观察和测量，发现某１ ０００ ＭＷ超超临界机组定子冷却水管道存在明显振动现象。 分析了管道振动的原因，结合模态分析，提出了相应的减振措施，大大提高了管道一阶固有频率，有 效地消除定子冷却水管道振动，确保了机组安全运行。 关键词：定子冷却水；模态分析；固有频率；振动治理 中图分类号：ＴＫ２６４．１ 文献标志码：Ｂ 文章编号：１００７—１８８１（２０１１）０７—００４４—０３ Ｃａｕｓｅ Ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｓｔａｔｏｒ Ｃｏｏｌｉｎｇ Ｗａｔｅｒ Ｐｉｐｅ Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｆ０ｒ １ ０００ ＭＷ Ｕｎｉｔ ＺＨＡＮＧ Ｚｈｅｎ—ｘｉ ，ＬＩＪｉａｎ—ｙｏ ，ＹＵ Ｃｈｅｎｇ－ｚｈａｎｆ，ＴＡＮＧ Ｌｕ （１．Ｊｉａｎｇｓｕ Ｇｕｏｈｕａ Ｃｈｅｎｇｊｉａｇａｎｇ Ｐｏｗｅｒ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ Ｃｏ．，Ｌｔｄ，Ｙａｎｃｈｅｎｇ Ｊｉａｎｇｓｕ ２２４６３ １，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｓｕｚｈｏｕ Ｎｕｃｌｅａｒ Ｐｏｗｅｒ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｓｕｚｈｏｕ Ｊｉａｎｇｓｕ ２ １ ５００４，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｏｂｖｉｏｕｓ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｔａｔｏｒ ｃｏｏｌｉｎｇ ｗａｔｅｒ ｐｉｐｅ ｗａｓ ｆ０ｕｎｄ ｉｎ ａ １ ０００ ＭＷ ｕｌｔｒａ—ｓｕｐｅｒｃｒｉｔｉｃａｌ ｕｎｉｔ ｉｎ ａ ｐｏｗｅｒ ｐｌａｎｔ ｉｎ Ｚｈｅｊｉａｎｇ ｂｙ ｆｉｅｌｄ ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ．Ｔｈｅ ｃａｕｓｅ ａｎｄ ｍｏｄａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ｉｓ ｃａ￣ｉｅｄ ｏｕｔ． ｈｅ ｖｉＴｂｒａｔｉｏｎ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｍｅａｓｕｒｅｓ ａｒｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｉｔ ｇｒｅａｔｌｙ ｉｎｃｒｅａｓｅｓ ｔｈｅ ｆｉｒｓｔ－ｏｒｄｅｒ ｎａｔｕｒａｌ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｏｆ ｔｈｅ ｐｉｐｅ ａｎｄ ｅｌｉｍｉｎａｔｅｓ ｔｈｅ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ ｔｏ ｅｎｓｕｒｅ ｔｈｅ ｓａｆｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｕｎｉｔ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｔａｔｏｒ ｃｏｏｌｉｎｇ ｗａｔｅｒ；ｍｏｄａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ；ｎａｔｕｒａｌ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ；ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ 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 量最大峰值位移分别为１０ ＩＴｌｍ和１５ ｍｍ，立管 振动带动上方水平管道振动；ｌ８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 ｉｎｎ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 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 １Ｃｒｌ８Ｎｉ９Ｔｉ．规格为中１６８ 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 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，ｌ６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 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 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 ２０１１年第７期 浙江电力 ４５ 发 绕 发 绕 注：图中数字为管道支架编号。 图１定子冷却水管道布置图 图２ １６和ｌ７号刚性吊架之间管道的临时加固 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…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ｌ３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： ｌｚ・Ｍ『＝０ （１） 式中： 为刚度矩阵；Ｍ为质量矩阵；６０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，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ｌ７号吊架旁，分别增设１６ Ａ 和ｌ７ 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，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。 ４６ 张振兴，等： １ ０００ ＭＷ机组定子冷却水管道振动原因分析及治理 表１减振前后定子冷却水管道最大应力值 ２０１１年第７期 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Ｃａｅｓａｒ１１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 图４减振后第１阶模态 ＝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 从表２可以看出．原设计和减振前现场实际 明显减小，最大幅度小于２ ｍｎｑ。振动治理后，不 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。 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 减振方案实施后，定子冷却水管道刚度增大，ｌ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。 道、除氧器补水管道和定子冷却水补水管道的振 动治理 参考文献： ［１］ＤＬ／Ｔ ５０５４—１９９６火力发电厂汽水管道设汁技术规定 【Ｓ】．北京：中国电力出版卡ｔ 版，１９９６． ［２］ 张广成．电站高温高压蒸汽大管道振动治理【Ｊ１．振动 程学报，２００４，１７（２）：１ ｌ３１一ｌ１３３． 收稿日期：２０１１—５－４ 作者简介：张振兴（１９６９一），男，天津蓟县人，高级工程师 从事发电厂技术管理工作。 图３第１阶模态 ＝０．７３振型 （本文编辑：陆 莹）
