CN104747808A - 改善再循环管道系统振动的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种改善再循环管道系统振动的方法，包括下述步骤；根据管系模型分别获取模拟停机固有频率、模拟开机固有频率；设置实际检测管系振动的传感器，分别获取管系停机状态下的实际停机固有频率、开机状态下的实际开机固有频率；比较分析上述数据，获得修正系数，继而获得目标开机固有频率，并获得对应的各阶振型，继而获取各振型下的振型最大点位置；在上述的各振型最大点位置增设支吊架。该方案能够更为准确地分析出振型最大点位置，并在此处增设支吊架以改变此处的固有频率，加强此处的强度，避免振动使其变形，减少破坏，保证电厂的运行安全。

Description

改善再循环管道系统振动的方法

技术领域

本发明涉及电厂技术领域，特别涉及一种改善再循环管道系统振动的方法。

背景技术

火电厂给水再循环管道具有结构复杂、工况及荷载较多(水击、空化)等特点。

给水再循环管道管系的振动为较为常见的现象，其振动的激励主要有：

流体稳态激励，如水泵以固定转速打入循环水时，介质对管道形成的周期性脉动激励；

暂态激励，如突然关闭阀门时，管道内流体的流速突变引起流体压力骤变而形成的压力波激励，通常也称为“水击现象”，往往能听到管道内流体发出一种沉重的锤击声。

工作状态下，管系在管体-流体的流固耦合作用下，经常会发生不同程度的振动，尤其是当管系的局部走向或支吊架设置不合理，使得管系自身的固有频率与流体激振频率相近时，管系振动尤为强烈。

暂态激励属于暂态现象，对于管系影响较大的为流体稳态激励和管体流固耦合作用下产生的振动。振动对管道系统的危害很大，它将导致支吊架松动失效，使管道局部发生疲劳破坏、大大缩短材料的使用寿命。当振动的强度达到管道材料的疲劳极限时管道将破坏，使管内工质泄漏，威胁电厂的安全生产运行。

尤其是，我国电力工业当前迅猛发展，新建电厂机组容量和参数大大提高，主力机型已由原来的300MW变为600MW，且已有多家电厂投运了800MW和1000MW的高效超临界机组。由于管道内工质参数的改变及热力系统复杂程度的提高，致使电厂部分管道振动程度进 一步加剧。

有鉴于此，亟待提供一种方案，以改善电厂的再循环管道系统的振动，减小振动对管道的破坏，保证电厂安全运行。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的为提供一种改善再循环管道系统振动的方法，该方法能够有效减小振动对管道的破坏，保证电厂的安全运行。

本发明所提供的改善再循环管道系统振动的方法，包括下述步骤；

模拟再循环管道系统的管系模型，根据管系模型分别获取管系与介质综合时的模拟停机固有频率、管系在流固耦合作用下的模拟开机固有频率；

设置实际检测管系振动的传感器，并分别在停机以及开机两种状态下，对所述管系施以激振力，根据传感器的检测值，分别获取管系停机状态下的实际停机固有频率、开机状态下的实际开机固有频率；

比较分析模拟停机固有频率、实际停机固有频率，以及模拟开机固有频率、实际开机固有频率，获得修正系数，继而获得目标开机固有频率；

目标开机固有频率＝修正系数*模拟开机固有频率；

根据目标开机固有频率，获得对应的各阶振型，继而获取各振型下的振型最大点位置；

在上述的各振型最大点位置增设支吊架。

本发明通过模拟和实际检测的方式，对停机固有频率和开机固有频率进行比对分析，最终获得与真实的开机固有频率最接近的目标开机固有频率，从而更为准确地分析出振型最大点位置，并在此处增设支吊架以改变此处的固有频率，加强此处的强度，避免振动使其变形，减少破坏。可见，该方案能够在确实需要减振的位置增设支吊架，即有的放矢地加固管道，从而将振动减小到最低，保证电厂的运行安全。

可选地，

修正系数 $\∂=\sqrt{\frac{{\∂}_1^2+{\∂}_2^2}{2}}$

其中，

修正系数α1＝实际停机状态固有频率/模拟停机状态固有频率；

修正系数α2＝实际开机状态固有频率/模拟开机状态固有频率。

可选地，所述管系的外部包覆有保温材料层，检测实际开机固有频率时，将传感器设于管系上裸露在外的阀体处；检测实际停机固有频率时，拆除所述保温材料层，在管系外部设置多个所述传感器。

可选地，所述传感器为加速度传感器；在阀体X、Y、Z向均布置所述传感器，阀体在X、Y、Z任一方向为圆面时，在所述圆面位置安装振动传递装置，振动传递装置的内侧与所述圆面匹配，外侧与振动传感器匹配。

可选地，模拟管系模型时，在所述管系穿过墙体的位置，根据墙体的支撑力、摩擦力，施加等效的刚性约束。

可选地，模拟管系模型时，在所述管系已有的支吊架位置，施加与所述支吊架等效的约束。

可选地，根据振型最大点对应的各阶目标开机固有频率，调整给所述管系提供介质的动力泵的转速或调整所述动力泵的结构参数，以改变介质的脉动频率，使其与所述目标开机固有频率差值增大。

可选地，所述结构参数包括动力泵的叶片数量或叶片型式。

可选地，

增设支吊架具体按照下述步骤进行：

模拟获得各阶振型最大点位置处的应力分布；

判断增设支吊架为刚性支吊架时，对应的振型最大点位置处应力是否超过最大承受值；

若超过，则在振型最大点位置模拟设置弹性支吊架，并根据模拟效果获得实际所需弹性支吊架的弹性系数和荷载；

若未超过，则在对应的振型最大点位置增设刚性支吊架。

可选地，所述弹性支吊架为弹簧支吊架，包括弹簧组件、管夹，以及位于二者之间的杆件，杆件一端固定于弹簧组件的一端，另一端通过螺栓或销轴固定于管夹，弹簧组件的另一端通过螺栓或销轴固定于支吊架生根点；

安装时，使固定所述杆件和所述管夹处的螺栓或销轴的轴线，垂直于固定所述弹簧组件与所述基体的螺栓或销轴的轴线。

附图说明

图1为本发明所提供改善再循环系统振动方法一种具体实施例的流程图；

图2为图1所示实施例中所涉及的一具体管道模型示意图；

图3为本发明所采用的一种具体实施例中弹簧支吊架的结构示意图；

图4为图3中弹簧组件的壳体结构示意图；

图5为图3中弹簧组件的弹簧座结构示意图。

图2中：

1、2、3、4、6、8、9均为吊架；

5、7均为支架；

图3-5中：

10半箍部、20杆件、30弹簧组件、301壳体、302a连接端、302b长柱、40第一紧固螺栓、50第二紧固螺栓 

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

请参考图1，图1为本发明所提供改善再循环系统振动方法一种具体实施例的流程图。

该实施例提供的方法，包括下述步骤；

S10、模拟再循环管道系统的管系模型，根据管系模型分别获取 管系与介质(一般为水，也可以是其他可流动介质)综合时的模拟停机固有频率、管系在流固耦合作用下的模拟开机固有频率；

上述的模拟停机固有频率，即管系中具有介质但并未流动(即再循环管道系统停机时的状态)时，管系的固有频率；模拟开机固有频率，即管系中具有介质且处于流动状态(即再循环管道系统开机时的状态)时，管系的固有频率。

该步骤中，将建立的管系模型导入分析软件中，即可模拟获取管系在两种状态下的固有频率。模拟过程中，对于管系的材料、所受的约束，以及管道内介质密度、杨氏弹性模量、泊松比等，均需要作为考量的参数。此外，模拟管系模型时，可以在管系穿过墙体的位置，根据墙体的支撑力、摩擦力，施加等效的刚性约束，以使整个模型尽可能地接近真实管系。

进一步地，在管系已有的支吊架位置，可以施加与支吊架等效的约束，从而简化管系模型，便于观察以及分析计算。

请继续参考图2，图2为图1所示实施例中所涉及的一具体管道模型示意图。

通过步骤S10建立管系模型后，根据自由振动模态分析，可获取其模拟停机固有频率以及模拟开机固有频率，如下表1、2所示。

表1管道与介质综合结构的前6阶模拟停机固有频率

阶数	1	2	3	4	5	6
							模拟停机固有频率	6.7315	6.8216	8.5106	9.7055	10.334	10.492

表2流固耦合时管道的前6阶模拟开机固有频率

阶数	1	2	3	4	5	6
							模拟开机固有频率	6.9707	9.3871	12.18	12.509	13.537	13.674

从上表可看出，开机的流固耦合状态下，管道的各阶固有频率明显增大。需要说明的是，由于工程中一般默认计算前6阶固有频率，故 上表也仅提供前6阶固有频率。实际上，可以计算出更多阶的固有频率，如50阶或更多，当需要使用时，可以直接调用。只是就一般而言，前6阶数据已能够满足分析需求。

模拟结束后，可进行实际检测步骤S20。可以理解，实际检测步骤和模拟步骤之间并无具体的先后顺序。

S20、设置实际检测管系振动的传感器，并分别在停机以及开机两种状态下，对管系施以激振力，根据传感器的检测值，分别获取管系停机状态下的实际停机固有频率、开机状态下的实际开机固有频率；

此处的传感器可选用加速度传感器，以较为精确地测取激励响应，当然也可以选用位移传感器。激振力可由激振锤产生。传感器最好设置于管道的外壁，以最为真实地反应管道的激励响应。然而，实际的火电厂内，管道的外部通常会包覆保温材料层(一般包括保温海绵和不锈钢外壳)，保温材料层会影响激励的传递，故针对实际工况，优选的方案是将传感器设于管道裸露在外的阀体处。

火电厂再循环管道系统的管道上通常设有截止阀、调节阀等，将传感器设于此类阀体上即可，以尽量降低保温材料层对激励传递的不利影响。

另外，激励的精准反馈，应当在阀体X、Y、Z(三维)向均布置传感器。然而，阀体通常具有圆面，圆面导致传感器布点困难。故，阀体在X、Y、Z任一方向为圆面时，可以在圆面位置安装刚性振动传递装置，振动传递装置的内侧与圆面匹配，外侧与振动传感器匹配，从而实现传感器多方位的布点，以获取更为精准的数据。

通过步骤S20实际检测后，可获取图2管道的实际停机固有频率以及实际开机固有频率，如下表3、4所示。

表3管道与介质综合结构的前6阶实际停机固有频率

阶数	1	2	3	4	5	6
							实测停机固有频率	7.22	9.85	10.56	10.82	15.66	22.51

表4流固耦合时管道的前6阶实际开机固有频率

阶数	1	2	3	4	5	6
							实测开机固有频率	7.48	12.16	15.23	15.63	20.45	30.67

S30、比较分析模拟停机固有频率、实际停机固有频率，以及模拟开机固有频率、实际开机固有频率，获得修正系数。

修正系数的具体获取方式可以参考下述过程。

表5修正系数1＝实际停机固有频率/模拟停机固有频率

表6修正系数2＝实际开机固有频率/模拟开机固有频率

计算出修正系数1和修正系数2后，可以通过下述均方根公式获得所需的修正系数。

$\∂=\sqrt{\frac{{\∂}_1^2+{\∂}_2^2}{2}}$

表7各阶对应的修正系数为：

·阶数	1	2	3	4	5	6
							修正系数1(α1)	1.07257	1.44394	1.24081	1.11483	1.51539	2.14544
修正系数2(α2)	1.07306	1.29539	1.25041	1.2495	1.51067	2.24294
							修正系数(α)	1.07282	1.37168	1.24562	1.18408	1.51303	2.19473

采用上述公式计算出的修正系数，将开机和停机两种状态下的修正系数均予以考量，算出的平均值最为接近真实状态，使得最终由修正系数修正得到的模拟开机固有频率最接近真实状态。由于得到的修正系数非常接近真实状态，在类似的应用环境下，可以用同一修正系数直接和模拟数值结合获得步骤S40的目标开机固有频率，可以省去难度较大的实际检测环节，提高效率。

上述根据表5、6的比例计算以及均方根公式获得修正系数，可以理解，也可采用其他方式获得修正系数。比如，不采用均方根而是直接求平均值，或是将各组数据的差值求平均值再比例于模拟固有频率等等，但理论和实际均证明均方根的计算能够更好地减小误差。

S40、目标开机固有频率＝修正系数*模拟开机固有频率；

比对表1、2和表3、4的数据，可看出，实际检测的固有频率值明显高于模拟的固有频率值。一方面，模拟管系不可能与实际管系各方面条件完全相同，这部分属于必然的模拟误差，比如，模拟分析时主要按照设计图纸建立，未考虑管系外层的保温材料层，而保温材料层的存在相当于阻尼、质量发生了改变，必然会对管道的实际振动产生影响；另一方面，实际检测的值也并不必然与实际相符，比如，检测仪器存在误差，而且，由于检测位置受限(仅设置于阀体处)，检测点偏少，必然无法完全地体现各部位振型所对应的固有频率。

基于以上原因，在比对分析后，将上述因素予以考虑，获得修正系数，从而得到目标开机固有频率，目标开机固有频率为更接近实际开机固有频率的值。

理论上来说，开机固有频率是最终改善振动性能时主要考虑的参 数，故技术人员容易只分析开机固有频率。本实施例中，将未开机时的停机固有频率与开机时的开机固有频率均进行比对，可以更为精确地获悉测量误差在实际测量数据中的比重，从而更为准确地获得修正系数。这是因为，停机状态相对运行状态在安装测量设备方面可实施性较强，相对安全，可以多布置测点，测量数据的参考价值更高。

尤其是，停机时，可拆除管道外部的保温材料层，从而直接在管道外部布置多个测点，获得的数据就更为准确，从而更为准确地考量保温及测量误差在实际测量数据中的比重，也就可以更为准确地获得修正系数。

S50、根据目标开机固有频率，获得对应的各阶振型，继而获取各振型下振型最大点的位置；

获得频率后，可以获取与之对应的振型，请结合图2和下表理解，图2中，A、B、C、D、E椭圆所圈的五处对应于6阶振型的最大点位置。

表8前六阶振型

S60、在上述的各振型最大点位置增设支吊架。

在振型最大点位置增设限位支吊架可以改变此处的固有频率，加强此处的刚度，避免振动使其过度变形，避免疲劳破坏。可见，该方案能够精确地获得管系在流固耦合时的固有频率，并根据该频率在对应位置采取增设支吊架的改善措施，即有的放矢地加固管道，从而将振动减小到最低，保证电厂的运行安全。

如图2所示的管系，可以在A处(沿Z轴摆动)增加X向约束的支吊架，在B处(绕Z轴扭转，同时夹杂少许Y向摆动)增设X、Y方向约束的支吊架，在C处(绕Z轴扭转，同时夹杂少许Y向摆动)增设Y方向约束的支吊架，在D处(沿X轴摆动)增设X方向约束的支吊架，在E处(沿Z轴摆动)增设Z向约束的支吊架。

步骤S60中，除了通过增设支吊架的方式减小振动破坏之外，还可以根据振型最大点对应的各阶目标开机固有频率，调整给管系提供介质的动力泵的转速或调整动力泵的结构参数，以改变介质的激振频率，使其与目标开机固有频率差值增大，达到减小和控制管系振动的目的。

具体地，在调整动力泵结构参数时，结构参数可以是动力泵的泵的型式、叶片的型式、叶片数量。相对而言，调整叶片型式或数量易于实现。

进一步地，步骤S60可以按照下述步骤确定具体如何增设支吊架：

S601、软件模拟或是通过试验获得各阶振型最大点位置处的应力分布；

S602、判断增设支吊架为刚性结构时，对应的振型最大点位置处应力是否超过最大承受值；

S603、若超过，则在振型最大点位置模拟设置弹性支吊架，并根据模拟效果获得所需弹性支吊架的弹性系数及荷载；

S604、若未超过，则在对应的振型最大点位置增设刚性支吊架。

增设刚性支吊架能够有效改变对应位置的刚度，改善抗振性能，且成本较低。但振动发生时，容易在此处发生应力集中，当应力集中 达到对应位置的最大承受值时，容易造成此处的疲劳损伤，此外增设刚性支吊架大大降低了管道在冷热状态下的柔性，限制了管道的热涨变形，易导致设备管口荷载超标或热胀疲劳破坏。

因此，作为改进的方案，可以根据应力分布情况分析，当振型最大点位置增设支吊架可能发生超出极限的应力集中时，可以在对应位置增设弹性支吊架。弹性支吊架一方面能够有效减振，另一方面，其具有缓冲功能，避免应力集中造成的损坏，一般而言，其成本高于刚性支吊架。可见，该方案，可以根据管系的实际工况，结合刚性支吊架和弹性支吊架，在有效控制成本的前提下，既满足减振需求，又能够避免管系的损坏。

上述增设的弹性支吊架可以是弹簧支吊架(即减振弹簧)或阻尼器。弹簧支吊架和阻尼器具有结构简单、易于安装的优点。

具体安装弹性支吊架时，请参考图3-5，图3为本发明所采用的一种具体实施例中弹簧支吊架的结构示意图；图4为图3中弹簧组件的壳体结构示意图；图5为图3中弹簧组件的弹簧座结构示意图。

该弹簧支吊架包括弹簧组件30、管夹，以及位于二者之间的杆件20。弹簧组件30具体包括壳体301、位于壳体301内的弹簧、弹簧座。

杆件20的一端通过螺栓或销轴固定于管夹，如图3所示，管夹包括两半箍部10，两半箍部10通过螺栓固定后，形成圆箍，则管道可夹持于内。各半箍部10的对接边缘均具有延长板，设有通孔，以便通过螺栓或销轴固定。图3中，杆件20的一端即通过第一紧固螺栓40固定于两延长板之间。弹簧组件30一端伸出有连接端302a以螺纹连接杆件20的另一端，弹簧组件30的另一端则通过螺栓或销轴固定于支吊架生根点，图3中即通过第二紧固螺栓50固定。

该结构中，弹簧组件30和管夹通过杆件20连接，杆件20一端通过螺纹连接在连接端302a处，则弹簧组件30和管夹可绕固定管夹、杆件20的螺栓(如第一紧固螺栓40)或销轴具有一定的旋转余量，影响结构的稳定性。

本实施例中，安装时，可以使管夹处的螺栓或销轴的轴线，垂直 于弹簧组件30上端处螺栓或销轴的轴线，如图3所示的第一紧固螺栓40的Y轴线以及第二紧固螺栓50的X轴线，二者相互垂直。如此安装，即可巧妙地对管夹和弹簧组件30未完全固定的自由度进行补充约束，使二者无法绕轴线旋转，保持结构稳定性。

以上对本发明所提供的一种改善再循环管道系统振动的方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种改善再循环管道系统振动的方法，其特征在于，包括下述步骤；

模拟再循环管道系统的管系模型，根据管系模型分别获取管系与介质综合时的模拟停机固有频率、管系在流固耦合作用下的模拟开机固有频率；

设置实际检测管系振动的传感器，并分别在停机以及开机两种状态下，对所述管系施以激振力，根据传感器的检测值，分别获取管系停机状态下的实际停机固有频率、开机状态下的实际开机固有频率；

比较分析模拟停机固有频率、实际停机固有频率，以及模拟开机固有频率、实际开机固有频率，获得修正系数，继而获得目标开机固有频率；

目标开机固有频率＝修正系数*模拟开机固有频率；

根据目标开机固有频率，获得对应的各阶振型，继而获取各振型下的振型最大点位置；

在上述的各振型最大点位置增设支吊架。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，

修正系数 $\∂=\sqrt{\frac{{\∂}_1^2+{\∂}_2^2}{2}}$

其中，

修正系数α1＝实际停机状态固有频率/模拟停机状态固有频率；

修正系数α2＝实际开机状态固有频率/模拟开机状态固有频率。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述管系的外部包覆有保温材料层，检测实际开机固有频率时，将传感器设于管系上裸露在外的阀体处；检测实际停机固有频率时，拆除所述保温材料层，在管系外部设置多个所述传感器。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述传感器为加速度传感器；在阀体X、Y、Z向均布置所述传感器，阀体在X、Y、Z任一方向为圆面时，在所述圆面位置安装振动传递装置，振动传递装置的内侧与所述圆面匹配，外侧与振动传感器匹配。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，模拟管系模型时，在所述管系穿过墙体的位置，根据墙体的支撑力、摩擦力，施加等效的刚性约束。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，模拟管系模型时，在所述管系已有的支吊架位置，施加与所述支吊架等效的约束。

7.如权利要求1-6任一项所述的方法，其特征在于，根据振型最大点对应的各阶目标开机固有频率，调整给所述管系提供介质的动力泵的转速或调整所述动力泵的结构参数，以改变介质的脉动频率，使其与所述目标开机固有频率差值增大。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述结构参数包括动力泵的叶片数量或叶片型式。

9.如权利要求1-6任一项所述的方法，其特征在于，

增设支吊架具体按照下述步骤进行：

模拟获得各阶振型最大点位置处的应力分布；

判断增设支吊架为刚性支吊架时，对应的振型最大点位置处应力是否超过最大承受值；

若超过，则在振型最大点位置模拟设置弹性支吊架，并根据模拟效果获得实际所需弹性支吊架的弹性系数和荷载；

若未超过，则在对应的振型最大点位置增设刚性支吊架。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述弹性支吊架为弹簧支吊架，包括弹簧组件、管夹，以及位于二者之间的杆件，杆件一端固定于弹簧组件的一端，另一端通过螺栓或销轴固定于管夹，弹簧组件的另一端通过螺栓或销轴固定于支吊架生根点；

安装时，使固定所述杆件和所述管夹处的螺栓或销轴的轴线，垂直于固定所述弹簧组件与所述基体的螺栓或销轴的轴线。