機組負荷280 MW以上鍋爐尾部煙道低頻振動問題的防治研究

吉廷偉

（新疆昌吉特變能源有限責任公司，新疆昌吉831100）

1 鍋爐主要參數

我公司2×330 MW亞臨界機組采用的是武漢鍋爐廠制造的WGZ1130/17.5-1型鍋爐。該鍋爐為亞臨界參數、一次中間再熱、自然循環、固態排渣爐，單爐膛，∏型（封閉式）布置，全鋼架懸吊結構，單爐平衡通風，四角切向燃燒，擺動燃燒器調溫，可以采用定壓運行，也可以采用定-滑-定方式運行。

汽包標高65.5 m，爐頂大板梁標高73 m。鍋爐爐膛截面為14 212 mm×14 212 mm，寬深比為1.0，正方形，配有正四角切向燃燒器，為爐膛四周熱負荷均勻提供了良好條件。爐室凈高54.5 m，爐膛截面積202 m2，爐膛容積8 947.95 m3，上排一次風噴口中心線至屏底距離17.02 m，下排一次風噴口中心線至灰斗拐角距離4.15 m。爐膛截面熱負荷4.26 MW/m（2B-MCR），容積熱負荷96.07 kW/m（3B-MCR），爐膛出口煙氣溫度1 021.8 ℃（B-MCR）。鍋爐主要參數如表1所示。

2 尾部煙道結構

該爐型尾部后豎井深度為9 890 mm，包墻過熱器標高40.2 m以上，前、后、側、頂部由管徑φ51×6 mm、材質為20G的管子加焊扁鋼形成膜式壁。低溫過熱器位于包墻區域，分3組布置，自下而上3組管徑分別為φ51×7 mm、φ51×6.5 mm、φ51×6.5 mm，材質分別為20G、15CrMo、12Cr1MoVG。低過熱器管子橫向節距S1=130 mm，爐寬方向共布置112片；管子縱向節距S2=150 mm，每片由5根管子繞成，每組間留有783 mm的檢修空間。省煤器蛇形管束布置在尾部豎井下部，位于標高39.3 m以下，橫向節距94 mm，共104片，管徑為φ51×6 mm，材質為20G，順列布置。

自給水管路出來的水由左、右兩側進入標高32 260 mm處省煤器進口集箱，自下而上流經省煤器蛇形管束，分3路引入3只省煤器中間集箱，再由此3只中間集箱引至出口集箱去汽包。省煤器區域及以下灰斗護板爐墻采用輕質保溫材料復合結構，外表面設有壓型板予以保護。

3 鍋爐振動情況

根據機組運行期間情況分析，尾部煙道振動區域大概在省煤器煙道護板31 000 mm標高上下3 m的范圍（即省煤器灰斗上方大概6 m高度范圍內），并且煙道兩側的振動最明顯。煙道內發出像是煙氣遇阻時發出的很沉悶的低頻聲音。當鍋爐負荷在280 MW左右，風量達到1 060 t/h時，鍋爐出現振動。甘肅電科院通過嘗試過對燃燒器進行擺動調試，起不到明顯的效果。

4 鍋爐尾部振動原因分析

當流體（鍋爐中的煙氣流）掠過圓柱形障礙物時，障礙物后部的煙氣尾流就不再呈規律分層流動了，而是呈現一種周期性有規律的、明顯的順時針方向或逆時針方向旋轉的旋渦。旋渦以一種均勻的、周期性的狀況脫落，此種現象稱為“卡門渦流”。氣流旋渦周期性脫落會激發產生一種各相間有一定差數的頻率。這種在管子或管群兩邊的旋渦交替脫落引起了垂直氣流方向作用于管子上的力的交變。當旋渦脫落頻率和流體介質的駐波的固有頻率接近或重合時，就可能引起爐墻振動、產生強烈的噪聲和煙氣流壓力降增大。

5 解決尾部煙道振動問題的思路

解決上述問題的方法是將共振氣室分隔成較小的氣室，使煙道的駐波固有頻率不同于渦流脫落的激振頻率，而且不是激振頻率的整數倍。這種消除共振的方法可在氣流最大位移處裝置隔板來實現。從原理上說，解決駐波振動問題的簡單方法就是只要裝上消除共振的隔板，但事實上要比這個更加復雜。最直接的問題是如何確定隔板放置的位置。

對駐波的情況作一種微觀分析，為橫跨鍋爐尾部煙道凈寬的4種駐波：基本波（半波）和其他3種諧波。根據其頻率和煙道實際凈寬余，任一種駐波必定是上述形狀的一種或幾種。駐波可以表示為位移形式和壓力形式。位移曲線是說明任一瞬時氣流分子的橫向位移振幅。

因此，在基本半波中，側墻處的氣體不產生脈動，但在接近煙道中心處，氣體分子以最大振幅作激烈振動。壓力曲線與位移曲線的相位差為90°。在側墻處，壓力在零值上下作劇烈波動；而在煙道中心處壓力波節隨時間沒有明顯變化。全波有3個位移波節和2個壓力波節。位移波節和壓力波節之間的關系可由伯努利定理說明，最大位移點對應于最小壓力點，而零位移點則對應最大壓力點。在固定爐墻處位移均為零，故所有諧波總是半波的倍數。

從理論上說，振動的發生范圍可以由旋渦脫落頻率公式的計算，以及將其值與氣柱固有頻率進行比較后等到。然而，由于煙氣溫度、速度和斯特羅哈數的誤差和變化，這一方法是不可靠的。本文目的是建立一個設計公式，應用這一公式，就有可能在鍋爐安裝時用設置隔板的方法去預防振動。

從理論上講，將隔板放在煙道的任何地方總是能消除基本駐波的，而且煙道中心是最佳位置。但是，放在煙道中心對于第二諧波的消除沒有任何作用，因為中心正好是全波的位移節點。故這樣放隔板對全波沒有用處，全波會以基本半波的形式在兩側運動。對于全波來說，最佳位置是在特殊寬度處，這樣可使它遠離任何一個波節點。但是不應該在兩個對稱處都加隔板，不然的話，將在兩個隔板之間形成半波。

根據鍋爐統計資料來看，可以斷定凈寬較小的鍋爐是不需要加隔板的。超過一定寬度的鍋爐，最擔心的是發生全波振動，因此應增加隔板。在煙道內加隔板還可以消除1/2和3/2駐波。當鍋爐寬度較大時，為了不出現大于引起聲振的空腔，就必須另加隔板。在裝置多塊隔板時，要注意不應對稱安裝，即相鄰兩空腔寬度不應相等或接近相等，同時，相鄰兩空腔寬度亦不應接近于2倍。如果發生2倍的情況，就滿足了產生3/2波的條件。所加裝隔板位置除了最后兩個空腔寬度比為3倍外，其余的寬度自左至右總是保持為4:3。

6 消除振動的具體方案

根據詳細計算，從爐左至爐右，在低過熱器區域的管屏上布置3塊隔板，理論計算位置如圖1所示，實際位置允許在受熱面一個節距范圍內調整。

圖1 鍋爐防振隔板安裝理論位置

防振隔板安裝施工圖如圖2所示。

根據防振隔板理論計算位置后，豎井低過管屏區域加裝了3道隔板，隔板采用厚度δ=3 mm、材質為12Cr18Ni9的不銹鋼材料，每組隔板均由3塊鋼板搭接而成，每組隔板均有6個點與受熱面管子采用U型圓鋼進行固定，并且隔板與固定件之間可以產生相互滑動，這樣既能保證隔板平整，又能消除膨脹差產生的附加力。防振隔板上部兩端通過銷軸連接掛在前包墻和后包墻上面。

圖2 防振隔板安裝施工圖

7 結語

為消除鍋爐尾部煙道低頻振動問題，該鍋爐加裝了防振隔板后，經過機組長期運行的觀察和驗證，機組在高負荷區域尾部煙道的低頻振動消失。該防振隔板方案理論依據充分、明確，實踐應用效果明顯。實踐證明，鍋爐尾部煙道增設防振隔板是解決煙道振動問題的有效手段。