75t/h CFB锅炉管式空气预热器振动问题的分析与处理

宋连华

（济南锅炉集团有限公司，济南250023）

1 设备概况

1.1 振动情况

一台75t/h 次高温、次高压CFB锅炉在某热电公司168h的试运中，当负荷达到65～70t/h时，一、二次风管式空气预热器出现振动，并且伴随刺耳的声响，一次风管式空气预热器尤为严重。在管式空气预热器风道外进行了一些加固后，振动和噪声不但没有改观，反而更加严重，以至于空气预热器管箱外的护板和保温层出现了开裂和脱落；同时强烈的振动和噪声还严重影响了周围的环境，因此不得不降负荷运行。

1.2 锅炉参数

锅炉主要数据见表1。

锅炉为自然循环的水管锅炉，采用由旋风分离器组成的循环燃烧系统，炉膛为膜式水冷壁结构，过热器分高、低两级过热器，中间设喷水减温器，尾部设两级省煤器和一、二次风管式空气预热器。

表1 锅炉主要数据

1.3 管式空气预热器

锅炉的管式空气预热器分上、下两级卧式布置，均由外径40mm、壁厚1.5mm的焊接钢管制成，管束采用顺列布置。空气预热器的布置见图1，上面一级为二次风管式空气预热器，二次风经过两个行程后进入二次风母管，管束横向节距为68mm、纵向节距为75mm；下面一级为一次风管式空气预热器，一次风为上、中、下三个行程，为便于更换和维修，一次风空气预热器分两段布置：上面一段两个行程，管束横向节距为67mm、纵向节距为75mm；下面一段一个行程，管束横向节距为67mm、纵向节距为75mm。空气分别由一次风机和二次风机送入，空气在管内流动作纵向冲刷。烟气在管外自上而下流动，在管外作横向冲刷。为使管箱在热状态下能自由膨胀，在管箱上部设有膨胀节。

图1 空气预热器布置

2 空气预热器管箱振动原因

2.1 卡门涡流

当气流横向冲刷圆管时，在圆管的背面产生旋涡；随后旋涡又在气流的作用下脱离圆管，这种交替生成和脱离的旋涡称为卡门涡流。这些旋涡交替地从管子两侧脱落，产生垂直于气流方向的气压脉动。如果管束中卡门涡流的脱落频率与管束间烟气驻波的固有频率耦合时，就会激发起烟气柱发生严重的自激振动，发出严重的噪声。

卡门涡流频率Fk为［1］：

式中：Sr为斯特劳哈尔数，与管束的相对节距有关；w为管束内气流平均速度，m/s；d为管子外径，m。

卡门涡流频率与管子的布置方式（顺列或错列）、管束的横向和纵向节距及直径有关。

2.2 气室固有频率

气室固有频率Fc为［1］：

式中：c为谐波的阶次，c＝1，2，3…；T为气流平均热力学温度，K；L为气室宽度，m。

在气流温度一定时，气室固有频率仅与气室宽度有关。

2.3 振动条件

卡门涡流效应气压振动条件下，可能产生下列三种振动：

（1）气室固有频率与卡门涡流耦合产生声学共振。

（2）管子固有频率与卡门涡流耦合产生共振。

（3）预热器外壁壳体固有频率与卡门涡流耦合产生机械共振。

管式空气预热器的声学共振过程是：由于锅炉机组升负荷时，卡门涡流频率逐渐接近于气室固有频率而造成。在锅炉低负荷时，卡门涡流频率和气室固有频率可能重合，但这时的激发能还不足以产生强烈的振动；随着锅炉负荷的增加，卡门涡流频率和气室固有频率重合的激发能就会使空气预热器产生强烈的振动，并发出噪声，导致设备疲劳破坏和锅炉机组被迫降负荷运行。

3 管式空气预热器防振的必要条件

管式空气预热器的防振设计是按照气室的固有频率的基本频率（c＝1），在所有的锅炉负荷范围内都大于卡门涡流频率来选择气室的宽度［2］，即：

式中：Fc为气室固有频率，Hz；Fk为卡门涡流频率，Hz；m为储备系数，错列管束取1.5，顺列管束取1.4。

75t/h CFB锅炉空气预热器主要参数见表2。

表2 空气预热器主要参数

由表2可知：一次风空气预热器烟气平均温度为170℃；二次风空气预热器烟气平均温度为222.5℃。

管式空气预热器处烟道的宽度为5 828mm。根据上述数据可计算出：

（1）一次风管式空气预热器卡门涡流频率为：

式中：Sr＝0.28可在参考文献［1］中查得。

（2）一次风管式空气预热器气室固有基本频率（c＝1）为：

由式（3）可知：Fc＝36.1Hz＜mFk＝1.4×49＝68.6Hz，一次风管式空气预热器气室固有频率不符合防振必要条件，产生振动和噪声在所难免。

（3）二次风管式空气预热器中卡门涡流频率为：式中：Sr＝0.29可在参考文献［1］中查得。

（4）二次风管式空气预热器气室固有基本频率（c＝1）为：

由式（3）可知：Fc＝38.2Hz＜mFk＝1.4×58＝81.2Hz，二次风管式空气预热器气室固有频率不符合防振必要条件，产生振动和噪声在所难免。

4 振动解决措施

要想解决管式空气预热器的振动和噪声问题，必须满足防振必要条件Fc＞mFk，因此可从改变气室固有频率Fc或卡门涡流频率Fk入手：

（1）改变管子节距，可使Sr增加或减少，从而改变卡门涡流频率的大小；但对于这一点，不论是新设计的锅炉还是改造的锅炉都很难做到。

（2）改变管子的固有频率，将圆管改为螺旋鳍片管，可消除卡门涡流效应；但存在成本提高等问题，从经济角度看是不划算的。

（3）改变气室固有频率，但唯一可以改变的是气室的宽度L，可将气室沿宽度方向加装消振隔板，将气室分成几个空间，从而改变气室固有频率的大小，改变声学共振频率，避免声学共振。

若将气室沿宽度L分隔成n个小的空间，那么管式空气预热器的防振必要条件为nFc＞mFk。

对一次风管式空气预热器，则应满足n×36.1＞1.4×49，那么n＞1.9，即在一次风管式空气预热器中顺烟气流方向加装防振隔板2块，将气室沿宽度方向上分隔成3个小气室。

对二次风管式空气预热器，则应满足n×38.2＞1.4×58，那么n＞2.1，即在二次风管式空气预热器中顺烟气流方向加装防振隔板2块，将气室沿宽度方向上分隔成3个小气室。

因此分别在一次风管式空气预热器上、中、下三组及二次风管式空气预热器的上、下二组中，沿着宽度方向加装厚度3mm防振钢板2块，见图2。

图2 防振隔板加设图（单位：mm）

5 结语

按以上方案对75t/h次高温、次高压CFB锅炉进行了改造，从改造后至今锅炉一直运行良好，再没有出现过空气预热器的振动与噪声。由此可见：增加防振隔板进行防振是行之有效的；但由于锅炉尾部受热面管束密集，受热面多，内部空间非常狭小，在现场安装改造时困难比较大，对以后的检修也带来诸多的不便。在今后新锅炉的设计中，对尾部受热面，尤其是空气预热器部分的设计应防患于未然，在设计制造时对易产生振动和噪声的锅炉尾部各部件进行计算校核，确认是否符合卡门涡流频率和气室固有频率的防振必要条件，在部件出厂前预装好防振隔板，做好防振、防噪声的工作。

［1］陈学俊，陈听宽.锅炉原理［M］.北京：机械工业出版社，1981.

［2］中国动力工程学会.火力发电设备技术手册［M］.北京：机械工业出版社，2000.