陈海平1 王松岭1 张树芳1 石维柱2 戴日俊2 王 宏2
1.华北电力大学(保定) 2.丰镇发电厂
我国空冷机组经历了从无到有、从引进技术到逐步国产化的过程。“七五”期间，我国在2台200 MW机组上引进了海勒式空冷系统。“八五”期间，某电厂又相继投产了4台国产200 MW机组及国产海勒式空冷系统。这些节水型空冷机组的投入运行，缓解了该地区的电力供需矛盾和用水紧张状况，为发展国民经济发挥了重要作用。但是，由于该机组空冷系统(主要是循环水系统)设计布置不尽合理，致使2台循环水泵并联运行时管路系统振动和噪声很大，随时威胁着机组安全运行，迫使机组不得不采用单泵运行方式，导致在夏季，个别机组的最高负荷仅为120 MW，严重影响了机组的正常出力，降低了机组运行经济性。鉴于以上原因，以该厂5号机组为研究对象，经过实地考查和分析研究，应用水动力学的基本理论，对机组循环冷却水系统进行了彻底的消振改造，改造后1 a多的运行情况证明，机组启动后双循环泵运行，循环水系统运行平稳，消除了2台循环泵并列运行时的振动，机组在相同条件下可满出力运行。
1 振动原因分析
丰镇发电厂5号机是哈尔滨汽轮机厂生产的NK200-130/535/535-1型超高压、中间再热、三缸二排汽、凝汽机组，冷却系统为海勒式空气冷却系统，主要设备有凝汽器、循环水泵、空冷塔、调节阀等。运行时，汽轮机的2个低压缸排汽分别进入2个喷射式凝汽器中，直接与空冷塔返回的冷却水接触，混合后的水一小部分(2%～3%)用凝结水泵送到汽轮机回热系统作为锅炉给水，其余的水由2台50%出力的循环水泵送至空冷塔下部的三角形散热器，由空气进行自然冷却。这是我国自行设计制造的第1台空冷器。该机组自1995年底投入运行后，循环水管道产生严重的振动和尖锐的噪声，因此，机组一直在低负荷单泵状态下运行，使机组运行经济性大大降低。循环水系统原设计如图1所示。
图1 循环水系统原设计布置
首先，对循环水系统振动部位(调节阀后到海勒式冷凝器入口处)在2台循环水泵并列运行状态下的循环水流速、振动及噪声等进行了测试和观测，结果见表1。
表1 循环水系统运行情况
测 点
1
2
3
4
5
6
流速/m.s-1
3.03
7.00
7.00
3.03
2.81
2.51
充满情况
满
满
满
满
不满
不满
振动情况
无
无
大
大
大
大
噪声情况
无
无
一般
尖锐
尖锐
一般
分析图1和表1可以得到：空冷机组循环水系统振动，究其原因主要是因为循环水流速太大、流场分布及压力波动不均匀等因素而造成的边界层脱体、旋涡的产生、水流撞冲、水压强脉动而引起的，主要体现在以下几点：
(1)由于原设计中采用出入口直径为1 000 mm的调节阀来进行调节，致使调节阀出口循环水流速过高(7.0 m/s)，这是诱发下游管系发生振动和噪声的主要原因。
(2)在调节阀后的下游管系中，阀门出口的不稳定(偏心或摇摆)过高水流速进入扩散管(直管段和扩散弯管)，进一步加剧了流场的不稳定，伴随产生的边界层脱体、旋涡产生、水流撞冲、水压强脉动，这是导致管系发生严重振动和噪声的根本原因。
(3)在弯管后直径为1 800 mm的直管道内一般处于充不满水的运行状态，水流大幅度波动和撞击管壁，这也是导致管系发生振动和噪声的原因之一。
2 消振措施
针对上述诸原因，在传统的直线型扩散管的基础上采用小角度的台阶型扩散管，在易形成涡流的部位加装整流格网，以使循环水流速限制在规定范围内，流场趋于均匀，从而达到消振的目的。
将调节阀后的直管段直径由1 000 mm渐扩为1 200 mm后突扩至1 640 mm，即采用台阶型扩散管，扩散角为7°，由于扩散角较小，即使发生边界层脱体，也仅在末端近于突然扩大的断面处才开始，这种扩散管出口处的涡流区域要狭得多，而相毗连的直管段中的水流破坏较小，涡流形成的强度较小，流速分布也较对称，从而有效地缓解了管道振动强度。
在台阶型扩散管后面的直管段中，加装3道相互旋转45°的整流格栅，整流格栅的网孔直径沿水流方向依次减小，相互间的距离沿水流方向依次增大，使直径为1 640 mm的管道内循环水平均流速降为2.6 m/s，大涡破碎为小涡，并消除了偏心摇摆水流，使流场趋于均匀。
突扩后的直径为1 640 mm的直管段与直径为1 800 mm的循环水母管直接连接，并在连接处沿水流方向取45°的倒角。
在直径为1 800 mm的管道适当位置处加装节流网，以消除循环水母管内由于水充不满而引起的水流冲击振荡产生的振动和噪声。
设计方案如图2所示：
图2 改造后的循环水管道布置图
3 实施效果
该项目于1997年3月在5号机上安装投运，运行1 a多来的结果表明，在2台循环水泵并列运行的情况下，循环水系统的振动和噪声消除，即使在夏季7、8、9月份，机组仍能在额定负荷下稳定运行，在相同条件下，比原来约多发电80 MW，年多创产值3 700多万元。此次改造的成功，为该厂空冷机组的安全、经济运行提供了有力的保障。
4 结束语
由于空冷机组的耗水量仅为湿冷机组的1/3，适合于我国富煤缺水的“三北”地区建设大型坑口电站，变输煤为输电，对减轻铁路运煤能力，促进“三北”及相邻地区的经济发展，具有非常重要的现实意义。而空冷机组循环水系统振动的改造成功，为现有同类型机组循环水系统和输水系统的消振改造及今后空冷系统的设计提供了可供参考的科学依据，为机组安全、稳定、满发奠定了有力的基础。
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