燃氣鍋爐煙風(fēng)系統(tǒng)振動和噪聲的分析及優(yōu)化設(shè)計

申 政

(太原市熱力設(shè)計有限公司，山西 太原 030024)

1 概述

某熱源廠二期工程裝機2臺116 MW燃氣熱水鍋爐及其附屬設(shè)施，為2019年開工建設(shè)的工程，也是當年建設(shè)當年投運的熱源項目。二期工程投運后，鍋爐負荷達到80%以上時，尤其是煙氣再循環(huán)系統(tǒng)啟動后，鍋爐系統(tǒng)的風(fēng)道、煙道、燃燒器、燃燒器閥組和鍋爐后墻噪聲大、振動明顯，經(jīng)現(xiàn)場實際測試，爐體1 m范圍內(nèi)噪聲達到 85 dB～90 dB，鍋爐房外1 m達到70 dB～75 dB。

本文結(jié)合熱源廠“煤改氣”工程實例，對燃氣鍋爐高負荷運行工況下鍋爐本體及煙、風(fēng)道系統(tǒng)的振動和噪聲問題進行探討。

2 鍋爐系統(tǒng)振動原因分析

鍋爐正常運行時，需連續(xù)的將燃燒所需的空氣送入爐膛，并將燃燒煙氣排送至大氣，連續(xù)送風(fēng)和排出燃燒產(chǎn)物的過程即是鍋爐的通風(fēng)過程。本工程為大型高溫燃氣熱水鍋爐，采用機械通風(fēng)的正壓通風(fēng)方式，在鍋爐煙、風(fēng)系統(tǒng)中只裝設(shè)送風(fēng)機，利用送風(fēng)機出口壓頭來克服全部煙、風(fēng)道阻力。

本工程為保證氮氧化物NOx≤30 mg/Nm3，實現(xiàn)超低排放，采用擴散式燃燒火焰，燃料與空氣在鍋爐爐膛中邊混合邊燃燒，即FGR煙氣再循環(huán)低氮燃燒技術(shù)，貧燃燃燒以降低火焰溫度，進而減小氮氧化物的生成量，實現(xiàn)低氮排放。

鍋爐鼓風(fēng)機進口冷空氣通過空氣熱交換器預(yù)熱后，與部分煙氣混合進入燃燒器，在爐膛燃燒后依次通過對流管束、一網(wǎng)節(jié)能器、二網(wǎng)冷凝器及煙氣熱交換器等設(shè)備進行換熱，然后進入煙囪排入大氣。由于工程受場地既有框架結(jié)構(gòu)的限制，鍋爐本體至煙囪和吸風(fēng)口至燃燒器之間，出現(xiàn)多個轉(zhuǎn)角彎頭和變徑等異形管件。煙、風(fēng)系統(tǒng)由薄鋼板和支撐桿焊接而成，所以煙、風(fēng)系統(tǒng)強度和剛度較差，而且由于吸風(fēng)量和燃燒產(chǎn)生的煙氣量大，氣流速較快，在通過換熱面、轉(zhuǎn)角和變徑時就會產(chǎn)生渦流，引起煙道系統(tǒng)的振動和產(chǎn)生噪聲[1]。

鍋爐本體和煙、風(fēng)系統(tǒng)振動與噪聲是燃氣鍋爐常見的問題。根據(jù)現(xiàn)場煙、風(fēng)管道系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點，結(jié)合現(xiàn)場運行的測試結(jié)果，對鍋爐的爐體和煙、風(fēng)系統(tǒng)的振動原因進行分析，主要由以下原因引起。

2.1 氣流不均勻引起的振動

由于本工程為既有鍋爐房“煤改氣”項目，利用既有鍋爐廠房進行設(shè)備布置，煙、風(fēng)系統(tǒng)在既有廠房內(nèi)走向設(shè)置復(fù)雜，通過多個變徑異形管道、彎頭和空氣熱交換器的管束，將多個設(shè)備連通。當氣流流過異形結(jié)構(gòu)管路和管束時，會出現(xiàn)斷面流速分布不均勻的現(xiàn)象，由于在彎頭和異形變徑處內(nèi)壓與外壓不同，使得內(nèi)、外側(cè)氣流速度不同，氣流出現(xiàn)雙螺旋流形式的二次流和在彎頭前后岀現(xiàn)局部的渦流區(qū)。一方面，不均勻的氣流分布會導(dǎo)致風(fēng)機葉輪在不均勻的氣流中工作，從而引起通過葉輪后氣流的脈動。另一方面，當氣流流過具有較大擴張角的煙道時，會在有擴張角的壁面附近形成旋渦，旋渦中有一個低壓區(qū)，旋渦的不斷發(fā)生和脫落會使和流體接觸的固體壁面受到交變力的作用，從而產(chǎn)生噪聲和振動[2]。通過現(xiàn)場進行的運行測試分析，鍋爐的振動和噪聲具體表現(xiàn)如下：

1)隨著鍋爐運行負荷增加，氮氧化物排放指標NOx>30 mg/Nm3，為保證均衡燃燒、降低火焰溫度，保持低氮排放，則啟動煙氣再循環(huán)系統(tǒng)。隨著再循環(huán)煙氣混入風(fēng)道后，由于現(xiàn)場安裝空間受限，設(shè)計中未使用混風(fēng)箱，因此混合段較短，造成與冷風(fēng)混合不均勻進入到兩臺燃燒器內(nèi)的煙氣量存在一定偏差，導(dǎo)致風(fēng)道內(nèi)氣流分布不均勻，形成渦流出現(xiàn)振動現(xiàn)象[3]。進而影響了燃燒器正常調(diào)試和出力。原設(shè)計圖見圖1。

2)隨著鍋爐運行從低負荷到高負荷，鼓風(fēng)機頻率逐步升高，通風(fēng)量逐漸增大，冷風(fēng)通過空氣熱交換器管束由于氣流不均勻或氣流流速過大，因而造成鼓風(fēng)機出口至空氣熱交換器振動頻率和噪聲明顯的增大。

3)隨著鍋爐運行負荷增大，煙氣量增大，煙氣通過煙道流速也明顯增大，煙氣氣流在爐膛尾部轉(zhuǎn)彎時形成的渦流越發(fā)明顯，因而鍋爐高負荷運行時會造成后爐墻模式壁振動明顯，形成鍋爐本體的喘振。

4)從鍋爐低負荷運行到高負荷調(diào)整過程中尾部煙道振動頻率和噪聲大幅增大，隨著運行負荷增大，煙氣流速也隨之增大，而尾部煙道由異形變?yōu)橐?guī)則煙道，并未進行明顯的縮徑，主要由于尾部煙道氣流未進行合理的導(dǎo)流設(shè)置，因而在煙道內(nèi)形成了渦流，影響到鍋爐正常煙氣流動，煙氣的波動造成了鍋爐的尾部煙道的振動。

2.2 鍋爐大負荷運行時爐體振動分析

1)爐體振動源主要是燃燒器噴射脈動火焰在爐膛內(nèi)形成震蕩性氣流，造成爐膛膜式水冷壁的大幅震動，其火焰的穩(wěn)定性決定了爐體震動的大小。

2)燃燒器穩(wěn)定性調(diào)試存在一定問題，由于鍋爐急于進行能效測試，匆忙提升至大負荷，燃燒器調(diào)試時間過短，沒能很好的對大負荷燃燒進行穩(wěn)定性調(diào)整。

2.3 鍋爐運行噪聲高分析

1)高壓燃氣管道及閥組在大流量燃氣通過時形成嘯叫，造成鍋爐房整體高頻噪聲高。

2)爐膛內(nèi)火焰運行穩(wěn)定性差，火焰轟鳴聲造成爐體低頻噪聲高。

3)爐體及煙道內(nèi)煙氣流動形成喘振，進一步放大了低頻噪聲。

2.4 煙、風(fēng)道強度不足引起的振動

煙、風(fēng)道由4 mm薄鋼板焊接而成，大截面的煙、風(fēng)道往往存在強度和剛度過低的問題，因此需要在煙、風(fēng)道內(nèi)側(cè)加裝加固肋片對其進行加固。目前煙、風(fēng)道的加固以外側(cè)加裝橫肋為主，管道內(nèi)側(cè)加裝內(nèi)撐桿承擔內(nèi)外荷載的布局設(shè)計方案[4]。根據(jù)現(xiàn)場情況，部分煙道和風(fēng)道管件連接安裝時加固肋片不足，導(dǎo)致強度不夠，引起局部振動。

3 鍋爐煙、風(fēng)系統(tǒng)振動消除的優(yōu)化設(shè)計

通過對鍋爐本體和煙、風(fēng)道系統(tǒng)振動與噪聲源的分析，并對煙、風(fēng)道系統(tǒng)部分階段進行校核計算，同時結(jié)合設(shè)計方案和其結(jié)構(gòu)特點，對部分煙、風(fēng)道結(jié)構(gòu)進行改造，采取相應(yīng)改造調(diào)整措施。

3.1 鼓風(fēng)機出口至空氣熱交換器的風(fēng)道優(yōu)化設(shè)計

為解決本工程鼓風(fēng)機出口至空氣熱交換器風(fēng)管段隨著鍋爐負荷增大而振動頻率和噪聲明顯增大的問題，首先對標準風(fēng)道流速和冷風(fēng)沖刷空氣熱交換器管束流速進行校核，以確定是否由于局部流速過大造成了振動原因。

冷風(fēng)通過空氣熱交換器的流速v：

v=V/(3 600F)。

其中，V為每小時的空氣流量，m3/h；F為風(fēng)道有效截面積。

冷風(fēng)沖刷空氣熱交換器管束時的有效截面積F:

其中，a，b均為風(fēng)管橫截面的凈尺寸，m；n為空氣熱交換器并聯(lián)管的數(shù)量；dw為管束單管外徑，m。

本工程鼓風(fēng)機額定風(fēng)量135 000 m3/h，通過上述校核計算，對本工程標準風(fēng)道流速和冷風(fēng)沖刷空氣熱交換器管束流速對比如表1所示。

表1 標準風(fēng)道和冷風(fēng)沖刷空氣熱交換器管束的流速對比

根據(jù)上述計算結(jié)果對比可知，為盡可能減小燃氣鍋爐煙、風(fēng)管道阻力，本工程在原方案設(shè)計時即考慮了風(fēng)速過大造成的阻力過大，進而造成不節(jié)能和振動、噪聲問題。因而造成鼓風(fēng)機出口至空氣熱交換器風(fēng)管段隨著鍋爐負荷增大而振動頻率和噪聲明顯增大的原因并非由于風(fēng)速過大引起，而是由于鼓風(fēng)機出口的異形結(jié)構(gòu)管件至空氣熱交換器氣流不均勻，造成局部形成渦流現(xiàn)象而引起振動。

針對上述振動問題，通過在鼓風(fēng)機出口位置異形結(jié)構(gòu)管件和空氣熱交換器彎管位置分別增設(shè)倒流板，盡可能使得氣流快速趨于平穩(wěn)流動，可有效減少風(fēng)道冷風(fēng)沖刷空氣熱交換器管束時造成的局部渦流現(xiàn)象，并對風(fēng)道結(jié)構(gòu)進行了密封和加固處理，從而使得鼓風(fēng)機出口至空氣熱交換器風(fēng)管段振動明顯下降。

3.2 再循環(huán)煙道和風(fēng)道連接處的優(yōu)化設(shè)計

再循環(huán)煙氣混入風(fēng)道后，原設(shè)計由于安裝空間受限未使用混風(fēng)箱，混合段較短，造成煙氣與冷風(fēng)混合不均勻，因而進入到兩臺燃燒器內(nèi)的煙氣量也存在一定偏差，導(dǎo)致風(fēng)道內(nèi)氣流分布不均勻，形成渦流出現(xiàn)振動現(xiàn)象，進而影響了燃燒器正常調(diào)試和出力。

為再循環(huán)煙氣混入風(fēng)道不均勻問題，采用增大進入燃燒器前的風(fēng)道容器，形成靜壓箱結(jié)構(gòu)，再將再循環(huán)煙道分兩部分插入風(fēng)箱中，其煙道上開孔與鼓風(fēng)機出風(fēng)均勻混合后，再進入上升的垂直風(fēng)道，進入燃燒器，見圖2。

沿風(fēng)道寬度截面插入兩個煙道，煙道板面上開孔面積與煙氣截面等同，如圖3所示。

按上述方案進行改造后形成了混風(fēng)箱，再循環(huán)煙氣通過煙道板面小孔進入風(fēng)道，與冷風(fēng)進行充分混合，形成分布均勻的氣流，有效解決了再循環(huán)煙氣與冷風(fēng)混合不均勻進入到兩臺燃燒器內(nèi)的煙氣量而引起的渦流出現(xiàn)振動現(xiàn)象，進而保證了兩臺燃燒器的正常調(diào)試和出力。

3.3 鍋爐大負荷運行時爐體振動問題的解決

結(jié)合上述優(yōu)化方案改造后，隨著燃氣鍋爐在高負荷運行時期，啟動煙氣再循環(huán)系統(tǒng)，再循環(huán)煙氣與冷風(fēng)混合均勻后分別進入到兩臺燃燒器。經(jīng)過燃燒器廠家重新調(diào)整校核燃燒器，保持火焰的連續(xù)燃燒，減少了火焰脈動性，基本達到了燃燒穩(wěn)定運行的要求。

鍋爐本體的喘振隨著鍋爐運行負荷從低到高越發(fā)明顯的現(xiàn)象，經(jīng)過分析研究，主要原因由于煙氣氣流在爐膛尾部轉(zhuǎn)彎時形成了渦流而引起的。運行負荷越高，渦流現(xiàn)象越嚴重，后爐墻模式壁振動明顯，鍋爐本體的喘振現(xiàn)象也越突顯。結(jié)合現(xiàn)狀結(jié)構(gòu)形式，對爐體結(jié)構(gòu)進行整改，增加爐膛后墻與左側(cè)墻的導(dǎo)流膜式壁，以避免在該角落形成煙氣渦流。經(jīng)過改造后運行試驗，證明能夠有效降低后墻的振動量，具體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計改造見圖4。

煙氣從鍋爐尾部進入不規(guī)則煙道，煙道由不規(guī)則通過變徑和轉(zhuǎn)彎變?yōu)橐?guī)則煙道，煙氣隨著運行負荷增大，流速也隨之增大，煙氣容易在變徑和轉(zhuǎn)彎處形成渦流，造成鍋爐的尾部煙道的振動。在鍋爐本體出口即尾部煙道異形結(jié)構(gòu)向規(guī)則改變位置和轉(zhuǎn)彎處分別增加了3片導(dǎo)流板，有效避免了煙道內(nèi)形成渦流現(xiàn)象。同時，也在節(jié)能器之后的煙道轉(zhuǎn)彎位置增設(shè)了導(dǎo)流板，保障了煙氣氣流的平穩(wěn)流動。

3.4 鍋爐運行噪聲高問題的解決

1)針對爐前燃氣管道和閥組高流量時的嘯叫噪聲進行了整改，整個方案是將燃氣管道增大一個口徑，可降低燃氣管道的燃氣流速，進而有效減小了爐前燃氣管道和閥組嘯叫的噪聲。

2)針對爐膛內(nèi)火焰轟鳴噪聲，通過優(yōu)化設(shè)計再循環(huán)煙道與風(fēng)道，將再循環(huán)煙氣和冷風(fēng)均勻的氣流，同時通過對燃燒器穩(wěn)定燃燒調(diào)試以后，有效提高了火焰燃燒穩(wěn)定性，爐膛內(nèi)火焰轟鳴噪聲明顯降低。

3)針對鍋爐高負荷運行時，冷風(fēng)通過鼓風(fēng)機出口、空氣熱交換器至彎管位置噪聲問題，通過在鼓風(fēng)機出口位置異形結(jié)構(gòu)管件和空氣熱交換器彎管位置分別增設(shè)倒流板，盡可能使得氣流快速趨于平穩(wěn)流動，較少風(fēng)道冷風(fēng)沖刷空氣熱交換器管束時造成的局部渦流現(xiàn)象，并對風(fēng)道結(jié)構(gòu)進行了密封和加固處理。經(jīng)過上述優(yōu)化調(diào)整后，風(fēng)道振動減小的同時噪聲明顯下降。

4)針對爐體尾部煙道喘振的噪聲問題，通過上述在尾部煙道異形結(jié)構(gòu)向規(guī)則改變位置和轉(zhuǎn)彎處分別增設(shè)導(dǎo)流板，有效避免了煙道內(nèi)形成渦流現(xiàn)象，并對煙道結(jié)構(gòu)進行了密封和加固處理，爐體尾部煙道喘振的噪聲也得以明顯下降。

4 改造效果和結(jié)論

通過上述優(yōu)化設(shè)計方案對燃氣鍋爐的煙、風(fēng)系統(tǒng)和鍋爐本體進行優(yōu)化設(shè)計改造調(diào)整，通過2020—2021和2021—2022兩個采暖季現(xiàn)場實測，鍋爐負荷達到80%以上時，同時啟動煙氣再循環(huán)系統(tǒng)，風(fēng)道、煙道、燃燒器、燃燒器閥組和鍋爐后墻振動與噪聲明顯降低，爐體1 m范圍內(nèi)噪聲為62 dB～65 dB，較優(yōu)化改造以前降低27%，鍋爐房外1 m為50 dB～53 dB，較優(yōu)化改造以前降低29%，取得良好的改造效果，達到了設(shè)計要求。