余熱鍋爐水平煙道振動問題分析

茅正東，張海峰，李光耀

余熱鍋爐水平煙道振動問題分析

茅正東，張海峰，李光耀

針對某工業硅余熱鍋爐運行過程中產生的水平煙道振動問題，通過大量實際運行工況調研，結合卡門渦流頻率與氣室固有頻率耦合從而產生聲學共振的理論分析，確定了合理加裝垂直防振隔板，將水平煙道分隔成兩個空腔，提高起振風量，避免聲學共振的解決方案，最終解決了水平煙道振動問題。

余熱鍋爐；振動；卡門渦流頻率

1 引言

國內某工業硅爐配套建設的余熱發電系統正式投運后，其余熱鍋爐產生了較為嚴重的尾部水平煙道振動問題，鍋爐振動時伴隨低沉的轟鳴噪音，鍋爐本體各部件均出現不同程度的共振現象，嚴重威脅余熱鍋爐的正常運行。

余熱鍋爐基本設計參數見表1。

2 振動原因分析

表1 余熱鍋爐基本設計參數

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，煙氣通過專線煙道后依次通過低壓蒸發器管束Ⅰ、低壓蒸發器管束Ⅱ、低壓蒸發器管束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 現場運行工況調研

通過現場觀察及調研發現：啟爐初期，余熱鍋爐運行平穩；隨著余熱鍋爐負壓逐漸增大，余熱鍋爐出口負壓約至-2 000Pa時，尾部水平煙道中布置在后側的第二、第三組省煤器漸漸產生受熱面管束振動現象；負壓升至余熱鍋爐正常運行階段（-2 300Pa），尾部水平煙道中第三組低溫蒸發器對流管束及后側三組省煤器管束均出現了不同程度的振動；余熱鍋爐穩定運行一段時間后，其六組受熱面管束均出現了嚴重的振動現象。

通過以上調試結果可以得出如下結論：振動現象與余熱鍋爐進口煙氣參數條件關系密切，而煙氣量與通過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時管束橫向擾流旋渦脫落頻率的關鍵因素。

工業爐窯工況波動很大，提供給余熱鍋爐的煙氣風量極不穩定，因此現場通過對多個典型振動現象的運行工況進行篩選，確定其中兩組實際振動工況運行參數（工況一、工況二），并與設計工況各參數校核結果進行對比。

2.3 各工況下實際煙氣量及煙氣流速校核計算

運行工況參數的校核需先計算各工況下的熱平衡，推算出進口實際煙氣量，繼而計算出通過各級受熱面的平均煙氣流速，校核計算結果見表2。

從計算結果分析發現：實際運行工況中計算煙氣量、煙氣溫度均與設計工況存在較大偏差，因此尾部受熱面煙氣流速、各部件換熱平均煙氣溫度也遠大于設計值。

2.4 振動校核計算理論依據

根據聲學振動原理，初步判斷余熱鍋爐水平煙道受熱面振動機理為管束橫向擾流旋渦脫落頻率（卡門渦流頻率）fk與氣室固有頻率fc耦合而產生的聲學共振。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——氣流平均溫度，K

L——氣室寬度，m

各部件實際運行中的卡門渦流頻率fk的校核可按式（2）：

式中：

St——斯特勞哈爾數

圖1 余熱鍋爐水平煙道受熱面布置簡圖

表2 各工況下實際煙氣量及煙氣流速校核計算結果

ω——通過管束煙氣平均流速，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——儲備系數，主要考慮了流速不均勻系數、St斯特勞哈爾數的計算誤差、超負荷運行引起的流速變化等因素

2.5 振動校核計算

振動理論校核計算匯總見表3、表4、表5。由以上各工況參數的振動校核計算匯總表可以看出，設計工況下，各尾部水平受熱面卡門渦流頻率與氣室固有頻率的關系，可以滿足fc＞m×fk的理論防振必要條件，且儲備系數的選用均已超出理論所需的1.4。而實際運行工況下，實際煙氣量隨工業爐窯波動變化，且尾部積灰機理復雜、受熱面部件傳熱效率下降、各級受熱面進出口煙氣溫度普遍偏高，最終導致卡門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，從而產生了聲學共振現象。

表3 振動理論校核計算匯總（一）——設計工況

表4 振動理論校核計算匯總（二）——校核工況一

表5 振動理論校核計算匯總（三）——校核工況二

2.6 解決振動問題的措施

根據理論計算分析結果，結合大量成功消振實例，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，大大避開了卡門渦流頻率區間。

增加防振隔板后，實際儲備系數m已經接近2.1～3，此時卡門渦流頻率遠小于氣室固有頻率。校核工況振動計算結果見表6、表7。

考慮受熱面管組安裝隔板可行性及減小隔板對蛇形管束運行膨脹的影響，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型螺栓與螺母間點焊，必要時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 振動理論校核計算匯總（四）——校核工況一（增加防振隔板）

表7 振動理論校核計算匯總（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點示意圖

余熱鍋爐的防振改造工作完成后，經過實際運行的持續觀測，尾部水平煙道共振現象完全消除，相關防振校核計算分析與實際運行工況相符。

3 結語

針對此類工業爐窯實際運行窯況的特殊性，煙氣溫度和煙氣量波動較大，若其爐窯后置余熱鍋爐煙道幾何尺寸的設計，僅按常規實踐經驗推薦的儲備系數m值＞1.25～1.3進行防振理論分析，將無法適應實際運行的防振需要，仍存在一定的聲學共振風險；有條件的情況下，需根據爐窯實際工況提高儲備系數，合理加裝防振隔板，提高起振風量，才能確保余熱鍋爐煙道的安全運行。

[1]中國動力工程學會主編.火力發電設備技術手冊（第1卷）[K].北京：機械工業出版社，2000.

[2]魏新華.大型電站鍋爐尾部煙道的聲學振動[J].鍋爐技術，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