茅正東，張海峰，李光耀

余熱鍋爐水平煙道振動(dòng)問(wèn)題分析

茅正東，張海峰，李光耀

針對(duì)某工業(yè)硅余熱鍋爐運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的水平煙道振動(dòng)問(wèn)題，通過(guò)大量實(shí)際運(yùn)行工況調(diào)研，結(jié)合卡門(mén)渦流頻率與氣室固有頻率耦合從而產(chǎn)生聲學(xué)共振的理論分析，確定了合理加裝垂直防振隔板，將水平煙道分隔成兩個(gè)空腔，提高起振風(fēng)量，避免聲學(xué)共振的解決方案，最終解決了水平煙道振動(dòng)問(wèn)題。

余熱鍋爐；振動(dòng)；卡門(mén)渦流頻率

1 引言

國(guó)內(nèi)某工業(yè)硅爐配套建設(shè)的余熱發(fā)電系統(tǒng)正式投運(yùn)后，其余熱鍋爐產(chǎn)生了較為嚴(yán)重的尾部水平煙道振動(dòng)問(wèn)題，鍋爐振動(dòng)時(shí)伴隨低沉的轟鳴噪音，鍋爐本體各部件均出現(xiàn)不同程度的共振現(xiàn)象，嚴(yán)重威脅余熱鍋爐的正常運(yùn)行。

余熱鍋爐基本設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。

2 振動(dòng)原因分析

表1 余熱鍋爐基本設(shè)計(jì)參數(shù)

2.1 余熱鍋爐水平煙道受熱面布置（圖1）

該余熱鍋爐水平煙道中共布置六組受熱面管束，煙氣通過(guò)專線煙道后依次通過(guò)低壓蒸發(fā)器管束Ⅰ、低壓蒸發(fā)器管束Ⅱ、低壓蒸發(fā)器管束Ⅲ、省煤器管束Ⅰ、省煤器管束Ⅱ、省煤器管束Ⅲ；煙氣流通截面尺寸為5 850mm×2 840mm。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行工況調(diào)研

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀察及調(diào)研發(fā)現(xiàn)：?jiǎn)t初期，余熱鍋爐運(yùn)行平穩(wěn)；隨著余熱鍋爐負(fù)壓逐漸增大，余熱鍋爐出口負(fù)壓約至-2 000Pa時(shí)，尾部水平煙道中布置在后側(cè)的第二、第三組省煤器漸漸產(chǎn)生受熱面管束振動(dòng)現(xiàn)象；負(fù)壓升至余熱鍋爐正常運(yùn)行階段（-2 300Pa），尾部水平煙道中第三組低溫蒸發(fā)器對(duì)流管束及后側(cè)三組省煤器管束均出現(xiàn)了不同程度的振動(dòng)；余熱鍋爐穩(wěn)定運(yùn)行一段時(shí)間后，其六組受熱面管束均出現(xiàn)了嚴(yán)重的振動(dòng)現(xiàn)象。

通過(guò)以上調(diào)試結(jié)果可以得出如下結(jié)論：振動(dòng)現(xiàn)象與余熱鍋爐進(jìn)口煙氣參數(shù)條件關(guān)系密切，而煙氣量與通過(guò)鍋爐尾部受熱面的煙氣流速成正比，煙氣流速正是決定煙氣通過(guò)時(shí)管束橫向擾流旋渦脫落頻率的關(guān)鍵因素。

工業(yè)爐窯工況波動(dòng)很大，提供給余熱鍋爐的煙氣風(fēng)量極不穩(wěn)定，因此現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)對(duì)多個(gè)典型振動(dòng)現(xiàn)象的運(yùn)行工況進(jìn)行篩選，確定其中兩組實(shí)際振動(dòng)工況運(yùn)行參數(shù)（工況一、工況二），并與設(shè)計(jì)工況各參數(shù)校核結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

2.3 各工況下實(shí)際煙氣量及煙氣流速校核計(jì)算

運(yùn)行工況參數(shù)的校核需先計(jì)算各工況下的熱平衡，推算出進(jìn)口實(shí)際煙氣量，繼而計(jì)算出通過(guò)各級(jí)受熱面的平均煙氣流速，校核計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

從計(jì)算結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)：實(shí)際運(yùn)行工況中計(jì)算煙氣量、煙氣溫度均與設(shè)計(jì)工況存在較大偏差，因此尾部受熱面煙氣流速、各部件換熱平均煙氣溫度也遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)值。

2.4 振動(dòng)校核計(jì)算理論依據(jù)

根據(jù)聲學(xué)振動(dòng)原理，初步判斷余熱鍋爐水平煙道受熱面振動(dòng)機(jī)理為管束橫向擾流旋渦脫落頻率（卡門(mén)渦流頻率）fk與氣室固有頻率fc耦合而產(chǎn)生的聲學(xué)共振。其中鍋爐尾部煙道的氣室固有頻率fc的校核可按式（1）：

式中：

c——諧波的階次

T——?dú)饬髌骄鶞囟龋琄

L——?dú)馐覍挾?，m

各部件實(shí)際運(yùn)行中的卡門(mén)渦流頻率fk的校核可按式（2）：

式中：

St——斯特勞哈爾數(shù)

圖1 余熱鍋爐水平煙道受熱面布置簡(jiǎn)圖

表2 各工況下實(shí)際煙氣量及煙氣流速校核計(jì)算結(jié)果

ω——通過(guò)管束煙氣平均流速，m/s

d——管子外徑，m

為了滿足受熱面防振要求，必須滿足以下必要條件：

式中：

m——儲(chǔ)備系數(shù)，主要考慮了流速不均勻系數(shù)、St斯特勞哈爾數(shù)的計(jì)算誤差、超負(fù)荷運(yùn)行引起的流速變化等因素

2.5 振動(dòng)校核計(jì)算

振動(dòng)理論校核計(jì)算匯總見(jiàn)表3、表4、表5。由以上各工況參數(shù)的振動(dòng)校核計(jì)算匯總表可以看出，設(shè)計(jì)工況下，各尾部水平受熱面卡門(mén)渦流頻率與氣室固有頻率的關(guān)系，可以滿足fc＞m×fk的理論防振必要條件，且儲(chǔ)備系數(shù)的選用均已超出理論所需的1.4。而實(shí)際運(yùn)行工況下，實(shí)際煙氣量隨工業(yè)爐窯波動(dòng)變化，且尾部積灰機(jī)理復(fù)雜、受熱面部件傳熱效率下降、各級(jí)受熱面進(jìn)出口煙氣溫度普遍偏高，最終導(dǎo)致卡門(mén)渦流頻率在一次諧波階次上與氣室固有頻率趨于接近耦合，從而產(chǎn)生了聲學(xué)共振現(xiàn)象。

表3 振動(dòng)理論校核計(jì)算匯總（一）——設(shè)計(jì)工況

表4 振動(dòng)理論校核計(jì)算匯總（二）——校核工況一

表5 振動(dòng)理論校核計(jì)算匯總（三）——校核工況二

2.6 解決振動(dòng)問(wèn)題的措施

根據(jù)理論計(jì)算分析結(jié)果，結(jié)合大量成功消振實(shí)例，決定在尾部水平煙道中增加一道煙道防振隔板，以提高氣室固有頻率，大大避開(kāi)了卡門(mén)渦流頻率區(qū)間。

增加防振隔板后，實(shí)際儲(chǔ)備系數(shù)m已經(jīng)接近2.1～3，此時(shí)卡門(mén)渦流頻率遠(yuǎn)小于氣室固有頻率。校核工況振動(dòng)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表6、表7。

考慮受熱面管組安裝隔板可行性及減小隔板對(duì)蛇形管束運(yùn)行膨脹的影響，每組管束增加十塊防振隔板，每塊隔板高度為400mm，隔板總高度4 000mm。每塊隔板利用四個(gè)U型螺栓固定在受熱面蛇形管上，最后將各隔板間焊接牢固，U型螺栓與螺母間點(diǎn)焊，必要時(shí)使用圓鋼加固隔板方便焊接。防振隔板安裝位置如圖2、圖3所示。

表6 振動(dòng)理論校核計(jì)算匯總（四）——校核工況一（增加防振隔板）

表7 振動(dòng)理論校核計(jì)算匯總（五）——校核工況二（增加防振隔板）

圖2 防振隔板安裝位置示意圖

圖3 防振隔板與管束安裝節(jié)點(diǎn)示意圖

余熱鍋爐的防振改造工作完成后，經(jīng)過(guò)實(shí)際運(yùn)行的持續(xù)觀測(cè)，尾部水平煙道共振現(xiàn)象完全消除，相關(guān)防振校核計(jì)算分析與實(shí)際運(yùn)行工況相符。

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)此類工業(yè)爐窯實(shí)際運(yùn)行窯況的特殊性，煙氣溫度和煙氣量波動(dòng)較大，若其爐窯后置余熱鍋爐煙道幾何尺寸的設(shè)計(jì)，僅按常規(guī)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)推薦的儲(chǔ)備系數(shù)m值＞1.25～1.3進(jìn)行防振理論分析，將無(wú)法適應(yīng)實(shí)際運(yùn)行的防振需要，仍存在一定的聲學(xué)共振風(fēng)險(xiǎn)；有條件的情況下，需根據(jù)爐窯實(shí)際工況提高儲(chǔ)備系數(shù)，合理加裝防振隔板，提高起振風(fēng)量，才能確保余熱鍋爐煙道的安全運(yùn)行。

[1]中國(guó)動(dòng)力工程學(xué)會(huì)主編.火力發(fā)電設(shè)備技術(shù)手冊(cè)（第1卷）[K].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

[2]魏新華.大型電站鍋爐尾部煙道的聲學(xué)振動(dòng)[J].鍋爐技術(shù)，1993，（1）:1～5.■

Analysis of Waste Heat Boiler Horizontal Flue Vibration

MAO Zhengdong,ZHANG Haifeng,LI Guangyao
（Nantong Wanda Furnace Limited Company,Jiangsu Nanjing,226006）

There are vibration problems for horizontal gas duct in the WHR boiler.To deal with this problem,we research on the operational states of large amount of projects and analysis theoretically on the acoustic resonant caused by frequency coupling between Karman vortex and inherent frequency of air space,a solution by avoiding acoustic resonant with adding vertical antivibration plate in horizontal gas duct was proposed,separating it into two cavity.Finally,the problem of vibration of horizontal gas duct was solved.

waste heat boiler;vibration;carmen vortex frequency

TQ172.622.22

A

1001-6171（2017）06-0078-05

2017-07-03； 編輯：趙 蓮