焦化加热炉空气预热器振动及减振

2013-02-24颜祥富侯杰龙运国

噪声与振动控制 2013年2期

颜祥富，侯杰，龙运国

(岳阳长岭设备研究所有限公司，湖南岳阳 414000)

1 基本情况

焦化装置加热炉因工艺原因，对流出口温度较高，一般为350℃～380℃，如采用单一的热管空气预热器往往会因烟气温度较高，热管传热元件容易失效；为了克服热管传热元件高温容易失效的问题，并利用热管传热元件低温运行的某些优良特性，在某160万t/年的焦化装置加热炉的余热回收系统空气预热器的设计中，采用了扰流子+热管组合式空气预热器模式[1]，对焦化加热炉烟气中的余热进行回收，并确保加热炉能高效、长周期安全运行。

该预热器烟气高温部分（400℃～265℃段）设计为扰流子空气预热器，空气走管内、烟气走管外，由于温降较大，扰流子预热器采用双程；低温部分（265℃～113℃）设计为热管空气预热器，见图1所示。该预热器在竣工后试车时发现预热器存在强振故障。为此，对该预热器产生强振的原因进行分析，并采用了相应的措施进行处理，最终消除了强振，恢复了预热器的正常运行。

图1 预热器烟、空气流程示意图Fig.1 The preheater flue gas,air flow diagram

2 预热器振动原因分析及处理

2.1 预热器振动原因分析

在预热器的试运行过程中，先后开启鼓风机和引烟机，调整通过空气预热器烟气侧的风量在较小水平（余热回收系统中挡板蝶阀全部全开，引烟机的转速在43%以下），此时无异常振动和噪声产生。逐渐加大鼓风机风量直至接近极限，并无明显振动和噪声产生，因此，认为振动原因主要在烟气侧。

然后再调整引烟机，当引烟机转速超过44%的时候，空预器开始共振，而且风机转速越高振动越大。当引烟机转速达到55%时，振动变成间歇式，发喘。为防止共振损害设备，遂停止试车。该振动从扰流子预热器处产生，往下传。此处所产生振动为低频振动，声音较大，发闷，听起来人心发慌。试车中，在空预器烟气出口后硬连接的烟道上取一振动较大位置做振动测量点，振动烈度最大达12.3 mm/s。

因此，通过现场观察分析认为，该振动产生的原因为管式空气预热器中，当气流横向绕流管束时，卡门涡流的交替脱落会引起风声响效应，因为卡门涡流的交替脱落会引起空气预热器中气柱的振动。当漩涡的脱落频率（fK）与管箱的声学驻波振动频率（或称气室固有频率fK）接近或一致时，会诱发强烈的管箱声学驻波振动，造成空气预热器管箱的共振[2]，同时伴有较大的噪声。

式中

St——斯特罗哈数（反映管子排列方式、管子结构的特性参数）

V——空气进入空预器速度（m/s）D——管子的直径（m）

式中

n——谐波的阶次（n=1，2，3，）L——气室宽度（m）

C——声速（m/s）

因燃料的成分、燃烧特性和漏风系数直接影响声速的计算，所以无法精确计算烟气中的声速，对于一般的工程计算用下面的经验公式求解。

式中T——气流平均温度（K）

漩涡脱离的频率和管箱中存在的某阶驻波频率相差不大，则可能激发该阶驻波，一般以下式作为能否激起某阶驻波的判据。

管式空气预热器的声学共振过程是加热炉升负荷时，卡门涡流频率逐渐接近于气室固有频率，首先在加热炉低负荷时可能重合，由于激发能还不足以产生强烈的振动，随着加热炉负荷的增加，使空气预热器产生强烈的振动，并发出噪声，导致于设备疲劳破坏和加热炉被迫被迫降负荷运行。由于气流振动是多阶次的，卡门涡流频率和气室固有频率可能在一次阶波上重合，也可能在较高阶波上重合。表1为空气预热器的性能参数

可以看出，高温部分（扰流子预热器）卡门涡流频率和气室固有频率在二次阶波上重合，所以产生强振动，低温部分卡门涡流频率和气室固有频率相差较大，不会发生振动。因此，高温预热器扰流子管的卡门涡流是预热器产生强振的主要原因。

2.2 改造措施实施及效果

根据前面对振动产生原因的分析，管式空气预热器的声学共振的消除方法一般有下述三种[3]

(1)圆管改为流线型或螺旋肋片式管子，消除卡门涡流效应；

(2)改变管子节距，使S t系数增或减，从而改变卡门涡流频率；

表1 空气预热器性能参数Tab.1 Air preheater performance parameters

(3)提高气室固有频率，加装消振隔板将气室分成几个空腔，提高振风量，避免声学共振。

以上三种方法，在预热器已经安装完毕情况下情况下方法一和方法二都无法实施。第三种方法，只需顺着烟气流的方向增加纵向隔板，施工起来相对简单。

后按方法三对该空预器进行了避振改造。改造措施如下：在扰流子预热器内将纵向两列扰流管拆除，然后在空间内设置消振两组隔板，沿换热管方向将扰流子预热器从上至下贯通均等分成3个气室（相当于减小气室宽度）。此措施目的为提高气室固有频率，提高振风量，避免声学共振。在空预器烟气入口的天圆地方内设置导流板三块，以使进入空预器的风速更加均匀，降低局部风速。

高温入口处：f1=218.7 Hz；fK1=123.9 Hz；

高温出口处：f1=200.8 Hz；fK2=104.1 Hz；

可以看出，改造后理论上卡门涡流频率和气室固有频率不会重合。

避振改造后的空预器冷空气试车具体情况如下：控制炉内负压在20 Pa左右。烟道上的两手动挡板及自动蝶阀全开。当引烟机转速达到43%的时候，空预器出现共振，烟气出口壁板振动明显加大。但振动和噪声与改造前试车相比有了明显改善，估计只有改造前的1/3。当引烟机转速达到53%的时候，空预器共振声音开始减小，当引烟机转速达到57%，共振声音及振动显著减小，恢复到烟机低速运行时的良好情况。引烟机转速上升至100%，空预器均正常。在同振动测量点上测量，振动烈度最大为6 mm/s。

前面两次试车采用的都是冷空气，而热烟气与冷空气的成分和声学性能有所不同，从本空预器产生共振的机理上来分析，热烟气更有利于避开共振。后该装置开工后，随加热炉负荷的增加，预热器曾出现了3 s左右短暂的共振现象，振动和噪声较小，共振时振动烈度不超过为4 mm/s。