1 引起蒸汽管道振動(dòng)的原因
  1.1 汽液兩相流
  蒸汽管道內(nèi)的工質(zhì)流動(dòng)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)汽液兩相流。液體幾乎不可壓縮，而汽體有很強(qiáng)的可壓縮性，因此在管道內(nèi)出現(xiàn)兩相流動(dòng)時(shí)，由于汽體的壓縮升壓及釋壓膨脹的運(yùn)動(dòng)，會(huì)引起工質(zhì)流速、壓力反復(fù)急劇變化的水錘現(xiàn)象，造成管道振動(dòng)。
  1.2 流體脈動(dòng)變化
  電廠運(yùn)行中，造成流體脈動(dòng)的原因有很多，我廠的主要原因有以下幾個(gè)方面：
  （1）給水泵等設(shè)備都是高速運(yùn)行的動(dòng)力機(jī)械，其運(yùn)行中功率不均勻的變化使管道中充滿了周期性變化的液體，這種變化使鍋爐的壓力和流速也呈現(xiàn)周期性的變化；
 （2）鍋爐燃燒不穩(wěn)定造成主蒸汽壓力和流量的脈動(dòng)；
 （3）汽輪機(jī)組負(fù)荷的波動(dòng)引起管網(wǎng)壓力的波動(dòng)；
 （4）由于我廠是母管制系統(tǒng)，其它機(jī)組負(fù)荷的變化也會(huì)反饋到系統(tǒng)中，影響管網(wǎng)壓力。
  脈動(dòng)的流體沿管道流動(dòng)變化，遇到彎頭、異徑部位、控制閥等部件，就會(huì)產(chǎn)生隨時(shí)間變化的自受激振動(dòng)，當(dāng)激發(fā)頻率與管道固有頻率相近，就會(huì)與管道產(chǎn)生共振和噪音，甚至發(fā)生事故。
  1.3 閥門截流
  在閥門開(kāi)關(guān)時(shí)，閥門處的工質(zhì)流動(dòng)狀態(tài)變化是最劇烈的，尤其是在快速開(kāi)關(guān)閥門時(shí)這種劇烈變化的流動(dòng)狀態(tài)，常常通過(guò)振動(dòng)表現(xiàn)出來(lái)。
  1.4 蒸汽管道疏水不暢
  蒸汽管道內(nèi)有凝結(jié)水時(shí)，就會(huì)與高速流動(dòng)的汽體產(chǎn)生共沸現(xiàn)象，沖擊管道，引起振動(dòng)。
  1.5 管道支撐問(wèn)題
  管道支吊架存在問(wèn)題，如支承剛度不夠、支承位置不合適、支吊架卡澀、彈簧損壞等，都會(huì)使管道剛度不夠，流體產(chǎn)生的振動(dòng)反應(yīng)在管道上，就會(huì)引發(fā)強(qiáng)烈振動(dòng)。
  1.6 管道設(shè)計(jì)安裝不合理
  管道安裝設(shè)計(jì)存在問(wèn)題，管道坡度不符合要求，不利于疏水、放水和排空氣，當(dāng)管道內(nèi)積存水和空氣時(shí)，就會(huì)阻礙蒸汽流動(dòng)，尤其是在管道的彎頭、變徑、閥門等位置，有可能引起管道振動(dòng)。

  2 熱網(wǎng)加熱器進(jìn)汽管振動(dòng)分析
  2.1 熱網(wǎng)加熱器蒸汽管道系統(tǒng)圖（圖1）
  2.2 熱網(wǎng)加熱器基本參數(shù)
  管道設(shè)計(jì)壓力：1.275MPa
  設(shè)計(jì)溫度：307℃
  加熱器型號(hào)：BDM160-25-16-70-0-67-32-1
  換熱面積：700m2
  設(shè)計(jì)壓力：2.5MPa
  出口溫度：430℃
  2.3 熱網(wǎng)加熱器蒸汽管道布置圖（圖2）
  2.4 熱網(wǎng)加熱器進(jìn)汽管振動(dòng)分析
  2.4.1 熱網(wǎng)加熱器進(jìn)汽管振動(dòng)宏觀分析
  根據(jù)就地實(shí)際測(cè)量和觀察，可以發(fā)現(xiàn)進(jìn)汽管在一次門和二次門之間部分并沒(méi)有明顯振動(dòng)，振動(dòng)主要集中在二次門后到加熱器入口這段管道上，而且管道的振動(dòng)呈現(xiàn)高頻低幅，并伴有刺耳噪音。所以我們主要分析進(jìn)汽二次門后的振動(dòng)。
  實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)告訴我們，這種振動(dòng)只有在加熱器進(jìn)汽流量超過(guò)一定值時(shí)才會(huì)出現(xiàn)。通過(guò)管道布置圖我們可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)二次門截流后，在這段8.9m長(zhǎng)的管道上，蒸汽又經(jīng)過(guò)兩個(gè)彎頭和一個(gè)三通管進(jìn)入加熱器，而且加熱器在運(yùn)行過(guò)程中的壓力只有0.25MPa左右，勢(shì)必對(duì)管道中的高壓蒸汽形成抽吸作用，蒸汽在這段管道上形成很大的壓差，速度急劇增加，使蒸汽流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)一步惡化，當(dāng)在某些特定的蒸汽流量的條件下，汽流擾動(dòng)的頻率與蒸汽管道固有頻率相耦合時(shí)，就會(huì)使管道發(fā)生強(qiáng)烈的振動(dòng)。
  通過(guò)以上分析，我認(rèn)為分析高加進(jìn)汽管振動(dòng)原因可以從以下兩方面著手：
 （1）改善蒸汽在管道中的流動(dòng)特性，優(yōu)化汽流流場(chǎng)
 （2）改善蒸汽管道管系固有特性
  改善蒸汽管道管系固有特性的方法主要有增減管道約束、改變管道管系剛度、增減阻尼和改變管道走向。這種方法在我們現(xiàn)有的現(xiàn)場(chǎng)條件下比較難于實(shí)施。我們選擇優(yōu)化汽流流場(chǎng)，通過(guò)一些措施，改變蒸汽流動(dòng)特性，來(lái)達(dá)到降低或者消除管道振動(dòng)的目的。
  2.4.2 熱網(wǎng)加熱器進(jìn)汽管振動(dòng)理論分析
  2.4.2.1 取定計(jì)算值
  進(jìn)汽量：135t/h
  進(jìn)汽管直徑：?準(zhǔn)529×11mm
  進(jìn)汽壓力：1.0MPa
  進(jìn)汽溫度：295℃
  加熱器出口疏水壓力：0.25MPa
  2.4.2.2 理論計(jì)算
 （1）管道入口蒸汽流速計(jì)算
  由克拉伯龍方程式PV=nRT，其中：n=m/18，R=8.314，得
  斷面平均流速（管道入口蒸汽流速）
  c1=■=48.76m/s
 （2）二次門后流速計(jì)算
  ①沿程阻力損失hf（流體為紊流水力光滑區(qū)）
  hf =λ·■·■，λ=■，
  其中Δ=0.2mm，L=41.41m
  計(jì)算得λ=0.01586，則hf =157.13?J/N
  ②局部阻力損失hj
  根據(jù)熱網(wǎng)加熱器施工設(shè)計(jì)圖可知，從聯(lián)箱到加熱器進(jìn)汽二次門后的局部阻力系數(shù)是由一個(gè)蝶閥、一個(gè)截門、五個(gè)熱壓彎頭以及管道入口四部分組成，由局部阻力系數(shù)表可得：
  ζ=1.752?
  總的局部阻力損失為：
  hj=ζ·■=12.52?J/N
  過(guò)熱蒸汽在管道中的流動(dòng)過(guò)程在保溫完好的情況下，可視為絕熱流動(dòng)，q=0，這個(gè)過(guò)程中管道和流體可視為一個(gè)整體，外部是不對(duì)流體做功的，而管道對(duì)流體的阻力和流體內(nèi)部由于擾動(dòng)產(chǎn)生的內(nèi)摩擦力做的功全部以熱量的形式轉(zhuǎn)變?yōu)榱黧w的內(nèi)能，使流體的內(nèi)能增加。
  ③穩(wěn)定流動(dòng)能量方程
  q=（h2-h1）+ ■+g（z2-z1）+wi由于外界不對(duì)系統(tǒng)做功，所以技術(shù)功wi=0，h2-h1為蒸汽的焓值變化，由h=u+pν可知，絕熱過(guò)程中pν=常數(shù)，所以h2-h1=u2-u1，即焓值的變化等于系統(tǒng)內(nèi)能的變化，則可近似認(rèn)為h2-h1=hf +hj=369.65 J/kg。
  將分析結(jié)果代入穩(wěn)流能量方程可得：
  c2=■=40.59m/s
  計(jì)算得加熱器二次門后蒸汽流速c2=40.59m/s
  qm=c2 Aρ=31.21kg/s
  由公式q=cmΔT，可求得蒸汽在管道中的溫度變化為6.43℃，則t2=288.67℃。
  p2=■=0.988MPa
 （3）由于二次門后管道比較短，在計(jì)算加熱器入口流速時(shí)，可將其忽略，加熱器入口處水蒸氣密度ρ3=0.96kg/m3
  則單位流體在入口的體積流速為：
  qν3=■=39m3/s
  c3 =193m/s，可見(jiàn)在加熱器入口前很短的距離內(nèi)，由于兩側(cè)較大的壓差和加熱器的抽吸作用，蒸汽流速迅速增加。
  根據(jù)《實(shí)用供熱手冊(cè)》介紹，蒸汽管道允許的蒸汽流速：過(guò)熱蒸汽為30~50m/s，飽和蒸汽為20~40m/s。如果管道內(nèi)蒸汽流速過(guò)高，會(huì)使蒸汽擾動(dòng)加劇，這種擾動(dòng)與蒸汽流動(dòng)過(guò)程中在彎頭、閥門、異徑部位等處形成的渦流運(yùn)動(dòng)相互影響，不斷加強(qiáng)，當(dāng)擾動(dòng)頻率與管系固有頻率耦合時(shí)，便會(huì)產(chǎn)生共振現(xiàn)象。而c3 =193m/s大大超出了管道允許蒸汽流速，加熱器管道的振動(dòng)就成為必然。在某些特定流速下，這種振動(dòng)現(xiàn)象會(huì)更加明顯。
  所以蒸汽的高速流動(dòng)是管道振動(dòng)的主要原因，我們要做的主要任務(wù)就是優(yōu)化二次門后汽流流場(chǎng)，降低二次門后蒸汽流速，從而改變汽流的擾動(dòng)頻率，防止振動(dòng)現(xiàn)象的發(fā)生。

  3 熱網(wǎng)加熱器進(jìn)汽管振動(dòng)治理
  3.1 治理方法分析
  根據(jù)實(shí)地測(cè)量結(jié)果分析，管道在二次門前水平和垂直振動(dòng)都在0.030~0.050mm之間，在二次門到加熱器入口這段管道上，水平振動(dòng)最高值超過(guò)0.130mm，可見(jiàn)管道內(nèi)蒸汽的擾動(dòng)主要是在二次門后形成的。
  在正常運(yùn)行中，由于各種原因，我們多采用二次門調(diào)整流量，二次門對(duì)流體的截流加之門后多個(gè)彎頭對(duì)流場(chǎng)的影響和加熱器的抽吸作用，使蒸汽在這段管道中的流動(dòng)狀態(tài)急劇惡化，因此，解決管道振動(dòng)的關(guān)鍵就在這里。
  參考國(guó)內(nèi)相關(guān)問(wèn)題的處理辦法和相關(guān)資料，我們選擇在加熱器蒸汽管道二次門后、加熱器入口前加裝限流孔板，來(lái)解決管道的振動(dòng)。
加裝限流孔板后，可以使二次門后的蒸汽壓力場(chǎng)穩(wěn)定，不會(huì)出現(xiàn)抽吸現(xiàn)象，同時(shí)在滿負(fù)荷時(shí)，二次門可以全開(kāi)，避免了二次門的截流作用。由于限流孔板安裝在加熱器入口處，蒸汽在通過(guò)限流孔板后直接進(jìn)入加熱器，就不會(huì)對(duì)管道造成影響，從而避免了管道的振動(dòng)，也就達(dá)到了我們解決振動(dòng)的目的。 限流孔板在系統(tǒng)內(nèi)的作用就是使蒸汽壓力逐步下降，降低蒸汽流動(dòng)過(guò)程中的壓差，降低蒸汽流速，從而避免蒸汽流速過(guò)高，對(duì)管道產(chǎn)生沖擊。
  3.2 限流孔板的原理和作用
  限流孔板為一同心圓孔板，用于限制流體的流量或降低流體的壓力。流體通過(guò)孔板就會(huì)產(chǎn)生壓力降，通過(guò)孔板的流量隨壓力降的增大而增大。但當(dāng)壓力降超過(guò)一定數(shù)值，即超過(guò)臨界壓力降時(shí)，不論出口壓力如何降低，流量將維持一定的數(shù)值而不再增加。
通過(guò)加裝限流孔板，將管道允許通過(guò)的最大流量控制在加熱器額定流量范圍內(nèi)，就可以避免運(yùn)行中進(jìn)汽二次門的截流作用，同時(shí)限流孔板能減緩二次門后蒸汽的壓降速度，一定程度上減小蒸汽的流速，防止強(qiáng)紊流現(xiàn)象的發(fā)生，避免共振。
  3.3 限流孔板計(jì)算
  3.3.1 計(jì)算參數(shù)選擇
  由于蒸汽管道中氣體流速高，管道中的阻力損失相對(duì)就比較小，為了方便計(jì)算，這里將管道中的阻力損失忽略。
  孔板前壓力：p2=0.988Mpa
  孔板前流速：c2=40.59m/s
  孔板前溫度：t2=288.67℃
  管道內(nèi)徑：D=0.507m
  孔板前流體密度：ρ2=3.81kg/m3
  3.3.2 孔板參數(shù)計(jì)算
  3.3.2.1 孔板選擇原則
  限流孔板按孔板上開(kāi)孔數(shù)分為單孔板和多孔板；按板數(shù)可分為單板和多板。蒸汽為了避免使用限流孔板的管路出現(xiàn)噎塞流，限流孔板后壓力（P2）不能小于板前壓力（P1）的55%，即P2≥0.55P1，因此當(dāng)P2<0.55P1時(shí)，不能用單板，要選擇多板，其板數(shù)要保證每板后壓力大于板前壓力的55%。管道公稱直徑小于或等于150mm的管路，通常采用單孔孔板；大于150mm時(shí)，采用多孔孔板。多孔孔板的孔徑（do），一般可選用12.5mm，20mm，25mm，40mm。
  根據(jù)以上原則，計(jì)算可知，孔板應(yīng)選擇多板、多孔孔板。
  3.3.2.2 參數(shù)計(jì)算
 （1）計(jì)算臨界壓力
  σcr=■■，查表得過(guò)熱水蒸氣的絕熱系數(shù)K=1.3
  則σcr=0.546
 （2）板數(shù)選擇
  當(dāng)孔板用于汽體限流時(shí)，欲限制汽體流量，須使孔板后壓力和孔板前壓力的比值滿足p末≤σcr p2，即p末≤0.54MPa，蒸汽為了避免使用限流孔板的管路出現(xiàn)噎塞流，限流孔板后壓力不能小于板前壓力的55%，即p后≥0.55p前。對(duì)于本題目，如果選用單板，就容易出現(xiàn)噎塞流，所以，選用多板進(jìn)行設(shè)計(jì)。
 （3）孔徑計(jì)算
  公式：d1=2.812■
  代入數(shù)值，計(jì)算得d1=192.4mm
  板前后壓差計(jì)算：
  qm=?準(zhǔn)F■
  Δp=0.385MPa
  根據(jù)相互串聯(lián)安裝的限流孔板，其壓降ΔP=2ΔP1=4ΔP2=……
  則ΔP1=0.193MPa，ΔP2=0.097MPa
  p末=0.988-0.385-0.193=0.41MPa≤σcr，孔板選用兩級(jí)孔板即可限制流量為135t/h。
  根據(jù)上式計(jì)算得d2=410mm
  管道公稱直徑小于或等于150mm的管路，通常采用單孔孔板；大于150mm時(shí)，采用多孔孔板。多孔孔板的孔徑（do），一般可選用12.5mm，20mm，25mm，40mm。本管道管徑相對(duì)較粗，取do=40mm計(jì)算。
 （4）孔數(shù)計(jì)算
  N1=■=23.15，取N1=24
  N2=■=105
  3.3.3 計(jì)算結(jié)果分析
  通過(guò)計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)，在加裝兩塊限流孔板后，孔板后壓力=0.41MPa，即滿足了孔板的限流作用。通過(guò)計(jì)算得出，在限制流量為135t/h時(shí)，孔板的基本參數(shù)如下表：

  通過(guò)以上分析和計(jì)算，在二次門后，加熱器入口前加裝限流孔板后，有效地控制了二次門蒸汽的壓降速度，降低了加熱器入口蒸汽流速，優(yōu)化了該段管道的汽流流場(chǎng)，可以較大程度地降低管道的振動(dòng)和噪聲，達(dá)到了本設(shè)計(jì)的目的。--大慶油田電力集團(tuán)宏偉熱電廠 郭霄 高革超 莊海濤
  參考文獻(xiàn)
 ［1］沈維道.蔣智敏.工程熱力學(xué).高等教育出版社.2000
 ［2］張敬明.主蒸汽管道振動(dòng)分析.2003
 ［3］大慶宏偉熱電廠二期擴(kuò)建工程施工圖設(shè)計(jì).第六卷.第一冊(cè).高壓熱網(wǎng)加熱器蒸汽管道。