CN105351667A - 凝结水管道及改善凝结水管道振动的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种凝结水管道及改善凝结水管道振动的方法，方法包括下述步骤：模拟凝结水管道；监测凝结水管道连续的竖直管段最低点处压力随运行时间变化以及竖直管段的液相分布；获取最低点压力最大值所对应的时间，并获取该时间所对应的竖直管段径向截面液相分布；根据径向截面液相分布，得到竖直管段的空化区域；根据空化区域的高度，获得不大于空化区域高度的最大连续竖直高度；根据最大连续竖直高度，将竖直管段分段设置弯管，和/或，在空化区域前端对应的竖直管段内设置节流孔板。本发明方案找出了凝结水管道竖直管段振动的主因为空化效应，并通过设置弯管和节流孔板的方式增加介质流动阻力，降低流速，抑制空化，从而有效地降低管道振动。
Description
技术领域
本发明涉及空冷电厂的管道技术领域，特别涉及一种凝结水管道及改善凝结水管道振动的方法。
背景技术
空冷电厂运行过程中，汽轮机排汽会经空冷凝汽器冷却为凝结水，并由凝结水管道系统自流至排汽装置。
目前，空冷管束下联箱凝结水出口与排汽装置空冷凝结水入口标高差一般在35m以上。由于场地空间限制，凝结水管道布置过程中存在一段20～50m左右的竖直管。据多项目现场反映，凝结水管道系统沿空冷柱下降的竖直管在运行过程中出现较大振动，且伴随较大噪音。
空冷系统凝结水管道振动会导致凝结水系统的故障，对机组的安全运行构成严重威胁，并大大增加维护费用和检修人员的工作量。
有鉴于此，如何改善凝结水管道系统的振动，保证管道的运行安全，减少管道振动产生的巨额损失，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的为提供一种凝结水管道及改善凝结水管道振动的方法，该凝结水管道以及方法能够有效改善管道振动，保证运行安全，减少损失。
本发明提供的改善凝结水管道振动的方法，包括下述步骤：
模拟凝结水管道；
同时监测凝结水管道连续的竖直管段最低点处压力随运行时间变化以及竖直管段的液相分布；
获取最低点压力最大值所对应的时间，并获取该时间所对应的竖直管段不同高度处的径向截面液相分布；
根据径向截面液相分布，得到竖直管段的空化区域；
根据空化区域的高度，获得不大于空化区域高度的最大连续竖直高度；
根据最大连续竖直高度，将竖直管段分段设置弯管，和/或，在空化区域前端对应的竖直管段内设置节流孔板。
可选地，监测液相分布时，也同时监测竖直管段内介质沿高度方向的速度分布、密度分布，并根据与最低点压力最大值时间对应的径向截面液相分布、速度分布、密度分布，获得空化区域。
可选地，所述弯管按照下述方式形成：
设置弯管位置的竖直管段，先向一侧折弯，然后反向折弯至竖直状态，向下延伸预定长度，再向另一侧折弯，然后反向折弯至竖直状态以便与下游的竖直段相衔接，并使所述弯管上游的竖直段和下游的竖直段沿同一直线延伸。
可选地，所述弯管的折弯处，折弯部和相接的反向折弯部与水平方向夹角均为45度。
可选地，在空化区域前端对应的竖直管段内，沿高度方向布置至少两个所述节流孔板。
可选地，所述节流孔板为多边形板，安装时，使相邻所述多边形板的尖角在周向上相互错离。
可选地，设置曲面型的节流孔板，以使介质沿曲面平缓地向下流动。
本发明还提供一种凝结水管道，包括竖直管段，所述竖直管段分段设置有弯管，且各分段的高度不大于所述竖直管段空化区域的高度，和/或，在竖直管段空化区域前端对应的竖直管段内设有节流孔板。
可选地，所述弯管相对其上游的竖直段，先向一侧折弯，然后反向折弯至竖直状态，向下延伸预定长度，再向另一侧折弯，然后反向折弯至竖直状态以便与下游的竖直段相衔接；且，所述弯管上游的竖直段和下游的竖直段沿同一直线延伸。
可选地，在空化区域前端对应的竖直管段内，沿高度方向布置至少两个所述节流孔板，且所述节流孔板为多边形板，或，所述节流孔板为球面板或椭球面板。
综上，本发明提供的改善凝结水管道振动的方法，找出了凝结水管道竖直管段振动的主因为空化效应，并给出了改善的方案，根据空化区域高度将竖直管段分段设置弯管，和/或在空化区域前端位置设置节流孔板，从而增加介质流动的阻力，降低自流过程中介质流速，抑制介质的静压向动压转换以破坏空化效应的形成，从而有效地降低了管道的振动。本发明所提供的凝结水管道相应地设置节流孔板和分段设置弯管，有益效果相同，不再重复论述。
附图说明
图1为本发明改善凝结水管道振动方法一种具体实施例的流程图；
图2为图1中方法所涉及的一具体凝结水管道的模拟结构示意图；
图3为图2中竖直管道内最低点处压力时程图；
图4为图2中凝结水管道竖直管段中心截面液相体积分数云图；
图5-1～5-6为图2中竖直管段在28m、26m1、24m、22m、20m、8m以及处管道径向截面的液相分布云图；
图6为水流液相密度沿竖直管段的分布图；
图7为水流竖直方向速度沿竖直管段的分布图；
图8为图2中凝结水管道分段设置弯管后的结构示意图；
图9为图8中A部位的局部放大示意图；
图10为图8中竖直管段内设置的节流孔板第一具体实施例的结构示意图；
图11为图8中安装图10所示节流孔板时的俯视图；
图12为图8中竖直管段内设置的节流孔板第二种具体实施例的结构示意图；
图13为图12的B-B向剖视图；
图14为图8中竖直管段内设置的节流孔板第三种具体实施例的结构示意图；
图15为图8设有节流孔板、弯管的凝结水管道与图2中凝结水管道的振动加速度随时间变化的曲线对比图。
图2、8-14中：
10凝结水管道、11竖直管段、111弯管、111a第一折弯部、111b第二折弯部、111c竖直部、111d第三折弯部、111e第四折弯部、112上游段、113下游段、12水平管段、13节流孔板、131通孔、132弯折部、14固定板
具体实施方式
目前，通常认为引起管道振动的原因主要是：
a、与管道相连设备的机械振动传导给管道的振动；
b、泵的启停或阀门动作等引发的压力脉动诱发管道振动；
c、环境因素引发管道振动(如风、地震等)。
对于以上原因进行分析并辅以改善措施后，依然未解决竖直管段较大振动和噪音的问题。
本发明通过试验研究找出凝结水管道竖直管段的振动主因，并给出解决方案。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。需要说明的是，下面结合凝结水管道和改善凝结水管道振动方法进行论述，有益效果不再重复论述。
请参考图1，图1为本发明改善凝结水管道振动方法一种具体实施例的流程图；图2为图1中方法所涉及的一具体凝结水管道的模拟结构示意图。
该方法包括下述步骤：
S10、模拟凝结水管道10；
根据实际中需要改善的凝结水管道10或是将要设计的凝结水管道10，利用软件进行模拟，为了便于后续的分析，可以对凝结水管道10模型进行简化。比如，可将凝结水管道10的支吊架处施加相应的约束，以省去支吊架结构，如图2所示，凝结水管道10主要包括水平管段12和连续的竖直管段11。需要说明的是，凝结水管道10主要用于流动水流，在具有其他介质流动需求时，也可以使用发明方案，原理一致，不再赘述，下述实施例的数据以水流进行分析。
S20、同时监测管道竖直管段11最低点处压力变化以及竖直管段11的液相分布、速度分布、密度分布；
通过模拟发现竖直管段11最低点处的压力存在较大波动，实际监测过程中，凝结水管道10也是在最低点位置存在较大的振动和噪声。
据此，可以针对该位置进行分析，以便更快捷、有针对性地发现振动原因。请参考3，图3为图2中竖直管段内最低点处压力时程图，即从运行开始，最低点压力随时间变化的曲线图。从图上可看出，凝结水管道10压力最大值出现在凝结水管道10运行后0.85s处。
S30、获取最低点压力最大值所对应的时间，并获取该时间所对应的竖直管段11不同高度处的径向截面液相分布、密度分布以及速度分布；
如上分析，图2中具体凝结水管道10竖直管段11最低点处压力最大值出现在0.85s处。根据模拟分析可获得凝结水管道10在运行0.85s时的液相分布图。
可参考图4、图5-1～5-6、图6、图7理解，图4为图2中凝结水管道竖直管段中心截面液相体积分数云图；图5-1～5-6为竖直管段在28m、26m1、24m、22m、20m、8m以及处管道径向截面的液相分布云图；图6为水流液相密度沿竖直管段的分布图；图7为水流在竖直方向速度沿竖直管段的分布图。
该实施例中，根据体积分数云图，具体选择了六个位置以查看径向截面液相分布，可以理解，针对其他管道，根据管道的长度以及具体液相体积分布，也可以选择其他位置的液相云图以供分析。
S40、根据径向截面液相分布，得到竖直管段11的空化区域；
根据图4、5-1～5-6可知，进入竖直管段11后，液相逐渐减少，说明管内开始出现空化现象，且随着高度的下降，空化区域呈现出先上升后下降的趋势，在20m处空化最为严重，18m处空化现象明显减弱。
基于黑白图的显示，为便于理解空化区域，图5-1～图5-6中，均以线条勾画出主要的空化区域，图5-1中，空化发生于竖直管段11的中部，区域较小；图5-2中，空化区域扩大，并且扩散至管壁；图5-3中，空化明显的区域进一步增加；图5-4中，空化明显区域面积未明显增加，整个空化区域面积进一步增加；图5-5中，两个圆圈之间为空化区域，占据了竖直管段11截面积的大部分。空化最为严重；图5-6中，空化现象明显减弱，仅占据很小一部分截面积。
空化的原因在于，在竖直管段11内，水流受到重力的作用，流动过程中速度加快，导致水流静压不断向动压转换，当静压值小于当前温度下的饱和压力时则发生空化现象；但随着空化的不断进行、气泡的逐渐膨胀长大，气泡会溃灭，溃灭之后局部形成空腔，从而形成更严重的负压，使得周围水流迅速回流填充。
从图6可看出，空化过程主要发生在19m～29m之间。在19m～20m之间管内密度存在大幅度的阶跃，在21m～29m之间密度变化较为平缓，说明空化空泡生长过程(21m～29m)较为缓和而空泡溃灭(19m～29m)则较为迅速，使得密度又快速回升。
图7的速度变化也验证了图6的密度变化，随着空泡的缓慢产生，速度在重力作用下平缓地增加，至20m处时，速度达到最高，空化最严重，密度相应地最低，当气泡溃灭后，速度下降一定值并维持较为平稳的状态。
此时可知，空化是导致竖直管段11最低点压力波动较大，振动较为剧烈的主要原因，在于：其一、竖直管段11内水流因为流速的加快发生空化，空化的产生导致水流体积迅速膨胀并产生较高压力；其二、竖直管段11在竖直方向上无其他部件吸收空化产生的压力，故压力波传递竖直管段11最低点的弯头处使得此处的压力较高。
综上，管道振动产生的主要因素是管内水流在竖直流动过程中发生空化，空化的产生使得管道有瞬时的压力存在，而管内间歇性高压的出现对管道造成较为严重的振动。
上述步骤中，监测液相分布获悉空化状态的同时，还监测密度分布和速度分布，以和液相分布相互验证，保证分析结果的准确性，也更加便于技术人员获取空化的区域。可以理解，发生空化及其区域的直观方式为液相分布的观测，故不监测速度分布和密度分布也是可行的。
S501、根据空化区域的高度，获得不大于空化区域高度的最大连续竖直高度；根据最大连续竖直高度，将竖直段分段设置弯管111，和/或进入步骤S501。
由上述分析可知，为了减小竖直管段11的振动，需要阻止空化现象的产生。本发明，为了防止空化，通过分段设置弯管111和/或设置节流孔板13的方式，增大阻力，降低自流过程中凝结水流速，抑制凝结水的静压向动压转换以破坏空化效应的形成。
分段设置弯管111，即在竖直管段11的不同高度位置设置弯管111，使竖直管段11在预定的不同高度位置出现弯折，避免竖直管段11整体直线延伸，在弯管111处，水流会受到阻挡，从而达到降速的目的。而弯管111设置的具体位置则根据空化区域高度设计。
具体地，上述实施例中空化区域形成于19m～29m处，则为抑制空化的产生，管内连续竖直段高度不应超过10m(空化区域高度＝29m-19m＝10m)。图2中凝结水管道10竖直管段11总标高30.7m，底部标高3.6m，连续竖直段高度达27m。为满足最大连续竖直高度不超过10m的要求，经过优化计算，可以在凝结水管道10高度8.5m、15.5m、22.5m处设置弯管111，如图8所示，图8为图2中凝结水管道分段设置弯管后的结构示意图。
请继续参考图9理解，图9为图8中A部位的局部放大示意图。
竖直管段11的弯管111位置具体了按照下述方式形成：
设置弯管111位置的竖直管段11，先向一侧折弯形成第一折弯部111a，然后反向折弯至竖直状态形成第二折弯部111b，向下延伸预定长度形成竖直部111c，再向另一侧折弯形成第三折弯部111d(与第一折弯部111a折向相反，与第二折弯部111b折向相同)，然后反向折弯至竖直状态以便与下游的竖直段相衔接形成第四折弯部111e，并使弯管111上游的竖直段和下游的竖直段沿同一直线延伸，如图9所示，弯管111的上游段112和下游段113位于同一直线。
如上设置形成弯管111，一方面，在工艺上易于实现，另一方面，该方式只是占很小比例的局部位置发生折弯，不影响整体管道布置和支吊架设置,如此可适应于安装环境，满足增加水阻抑制空化产生的要求,也保证水流能够顺利地流动至下方的空冷凝结水入口。
如图9所示，弯管111处折弯部以及与之相接的反向折弯部，与水平方向夹角均为45度。如此设置，弯管111两端的切线与上游段112、下游段113平行，从而保证水流能够顺滑地流经弯管111。
如上所述，本发明意在阻止空化的发生，只要设置能够降低流速以阻止竖直管段11内水流发生空化的结构设计均可满足本发明目的。故也可进行步骤S502。
S502、在空化区域前端对应的竖直管段11内沿高度方向布置至少一个节流孔板13，从图5-1来看，空化区域位置大致位于中部，故节流孔板13可以位于中部。
如图10所示，图10为图8中竖直管段11内设置的节流孔板13第一具体实施例的结构示意图。
本实施例中的节流孔板13，即板体设有通孔131，可供水流通过。当水流流至节流孔板13时，板体可对水流起到一定的阻断作用，通孔131则允许一部分水流通过，达到缓冲目的，减小水流对板体的撞击，保证水流能够平稳降速后流动。图10中，节流孔板13呈三角形，一部分水流可经三角板与管体内壁的空隙流下，一部分经通孔131流下，如此，既满足阻挡作用，又保证充分的缓冲，当然，设计为任意的多边形板体也是可行的，原理类似。
同样，继续以上述实施例分析，空化区域为19m～29m，则其前端大概为26m～30m，故可于30m处安装节流孔板13，降低流至首先出现空化的28m处时管道内介质的流速。
进一步地，如图11所示，图11为图8中安装图10所示节流孔板13时的俯视图。当节流孔板13为图9所示的三角孔板，可安装两个节流孔板13，安装至，可使相邻三角孔板的尖角在周向上相互错离，仍以图2管道为例，可分别安装于28m、30m处。如此设置，水流经上方的节流孔板13与管道内壁间隙流下时，还可再经下方的节流孔板13阻挡，达到二次节流的目的，则可在充分缓冲的前提下保证节流降速的效果，进一步消除空化的形成条件。当然，安装两个节流孔板13并非必须，节流孔板13的数量可以根据实际改善需求增减。
除了上述的三角形节流孔板13外，可以理解，凡是能够节流降速的板体均可以适用于本实施例中的凝结水管道10。比如，还可以设置曲面型孔板。
如图12-13所示，图12为图8中竖直管段内设置的节流孔板第二种具体实施例的结构示意图；图13为图12的B-B向剖视图。
图12中，节流孔板13为球面板，显然球面凸向上方，接受水流，以便水流能够沿其球面平缓地向下流动。与上述三角形节流孔板13相比，球面具有弧度，当水流流至该种节流孔板13时，一部分水流经通孔131流下，另一部分沿球面逐渐下滑流动，从而达到有效地缓冲降速作用，而且水流的冲击作用也得到有效缓解。
由此可知，设置的节流孔板13也并不限于上述球面，只要是曲面板，具有一定的缓冲坡度均是可行的，比如也可以是椭球面。
请继续参考图14，图14为图8中竖直管段11内设置的节流孔板13第三种具体实施例的结构示意图。
该实施例中，节流孔板13的主体仍为三角形板，其上设有通孔131，且各边缘具有向下弯折的弯折部132，弯折部132与三角形板的夹角小于90度。则流至三角形板的水流经边缘流下时，显然可经该弯折部132缓冲降速。同样，此处也可以是多边形板，在各边设置弯折部132也是可行的。当然，就缓冲降速的效果而言，上述球面、椭球面的曲面型节流孔板13显然更佳，而且可以有效缓解水流的冲击。
另外，上述实施例中，节流孔板13均可以通过固定板14固定于竖直管段11的内壁，如图11、12所示，尤其是图12的球面型节流孔板13，为了与管道内壁形成间隙，节流孔板13与内壁不接触，此时需要设置固定板14以实现安装。对于多边形的节流孔板13，也可以一起尖角与管道内壁形成固定。同样，设置球面型节流孔板13也可以沿高度方向布置两块。
综上，本发明改善凝结水管道10振动的方法，找出了凝结水管道10竖直管段11振动的主因为空化效应，并给出了改善的方案，相应地，凝结水管道10的结构作出了改进，从而有效降低了凝结水管道10竖直管段11的振动和噪声，解决了目前凝结水管道10振动难以改善的难题。
可参考图15理解，图15为图8设有节流孔板13、弯管111的凝结水管道10与图2中凝结水管道10的振动加速度随时间变化的曲线对比图。
由图可以看出，本发明中凝结水管道10的振动加速度值明显小于未改善的管道振动加速度，并且本方案振动加速度值衰减到较低水平的时间也较小。这说明，在运行工况发生变化时，本发明方案能够更快地稳定下来。
本发明方案中，弯管111和节流孔板13的安装改变了竖直管段11内部的流场分布，增大了水流的流动损失，降低了水流的速度，减弱了水流对竖直管段11最低点弯头处的冲击作用，有效降低振动。
以上对本发明所提供的一种凝结水管道及改善凝结水管道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)
1.一种改善凝结水管道振动的方法，其特征在于，包括下述步骤：
模拟凝结水管道(10)；
同时监测凝结水管道(10)连续的竖直管段(11)最低点处压力随运行时间变化以及竖直管段(11)的液相分布；
获取最低点压力最大值所对应的时间，并获取该时间所对应的竖直管段(11)不同高度处的径向截面液相分布；
根据径向截面液相分布，得到竖直管段(11)的空化区域；
根据空化区域的高度，获得不大于空化区域高度的最大连续竖直高度；
根据最大连续竖直高度，将竖直管段(11)分段设置弯管(111)，和/或，在空化区域前端对应的竖直管段(11)内设置节流孔板(13)。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，监测液相分布时，也同时监测竖直管段(11)内介质沿高度方向的速度分布、密度分布，并根据与最低点压力最大值时间对应的径向截面液相分布、速度分布、密度分布，获得空化区域。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述弯管(111)按照下述方式形成：
设置弯管(111)位置的竖直管段(11)，先向一侧折弯，然后反向折弯至竖直状态，向下延伸预定长度，再向另一侧折弯，然后反向折弯至竖直状态以便与下游的竖直段相衔接，并使所述弯管(111)上游的竖直段和下游的竖直段沿同一直线延伸。
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述弯管(111)的折弯处，折弯部和相接的反向折弯部与水平方向夹角均为45度。
5.如权利要求1-4任一项所述的方法，其特征在于，
在空化区域前端对应的竖直管段(11)内，沿高度方向布置至少两个所述节流孔板(13)。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述节流孔板(13)为多边形板，安装时，使相邻所述多边形板的尖角在周向上相互错离。
7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，设置曲面型的节流孔板(13)，以使介质沿曲面平缓地向下流动。
8.一种凝结水管道，包括竖直管段(11)，其特征在于，所述竖直管段(11)分段设置有弯管(111)，且各分段的高度不大于所述竖直管段(11)空化区域的高度，和/或，在竖直管段(11)空化区域前端对应的竖直管段(11)内设有节流孔板(13)。
9.如权利要求8所述的凝结水管道，其特征在于，所述弯管(111)相对其上游的竖直段，先向一侧折弯，然后反向折弯至竖直状态，向下延伸预定长度，再向另一侧折弯，然后反向折弯至竖直状态以便与下游的竖直段相衔接；且，所述弯管(111)上游的竖直段和下游的竖直段沿同一直线延伸。
10.如权利要求8所述的凝结水管道，其特征在于，在空化区域前端对应的竖直管段(11)内，沿高度方向布置至少两个所述节流孔板(13)，且所述节流孔板(13)为多边形板，或，所述节流孔板(13)为球面板或椭球面板。
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