锅炉一次风暖风器及附属风道振动机理研究

2013-09-01杜利梅陈志波刘殿玮

黑龙江电力 2013年3期

杜利梅，陈志波，刘殿玮

(1.黑龙江省电力科学研究院，哈尔滨 150030;2.黑龙江华电齐齐哈尔热电有限公司，齐齐哈尔 161000;3.哈尔滨锅炉厂有限责任公司，哈尔滨 150046)

随着机组向大容量、高参数的发展，锅炉附属设备产生振动的原因越来越复杂，其中烟道振动引起了多位学者的研究讨论(这类振动机理并不是简单的机械振动，而是声学振动)，如柴锡强[1]等通过大量试验排除了因省煤器中给水局部沸腾而引起汽水冲击造成振动的可能性，得出烟气经省煤器形成卡门涡流引起风道声学共振的结论;吕健[2]等针对锅炉出口烟道护板振动、声音较大的问题进行了细致的分析，并给出了解决方法。因此，为了分析锅炉一次风暖风器及附属风道振动的原因，本文以某热电有限公司暖风器更换后的振动进行了数值模拟和实验研究，并通过数值模拟对振动机理进行了深入的分析，最后根据计算结果提出了加装防振隔板的改造方案，消除了暖风器及其附属风道振动导致的机组安全运行隐患。

1 风道振动原因与振动机理分析

锅炉各附属风道振动原因比较复杂，主要因素包括风道的谐波频率、气流的卡门涡流的脱落频率、结构的固有频率。当气流流经风道时，其驻波频率、卡门涡流的脱落频率与设备的固有频率或某阶声驻波频率耦合就会发生共振[3-5]。

某热电有限公司进行暖风器更换后，一次暖风器及其附属风道发生严重的共振，并伴随非常刺耳的噪声，给机组运行带来了极大的隐患。根据现场勘察和测试，分析得出发生振动的原因，即空气在流经暖风器过程中所形成的卡门涡流与结构固有频率或某阶声驻波频率耦合时就形成了暖风器及附属风道的共振。其振动机理:空气横向冲刷管束时，形成的卡门涡流以一定的周期脱落产生了压力波，形成了卡门涡流现象，引起共振的激振力一直存在[3]。气流的声驻波具有无限的谐波，只要卡门涡流引起的激振频率与气流声驻波任一谐波频率耦合，就会发生共振现象。

2 数值计算

2.1 物理模型

图1为一次暖风器及其风道截面尺寸示意图，风道尺寸为1 600 mm×2 400 mm，管束外径为60 mm，横、纵向截距分别为100 mm、95 mm。为了提高计算效率，采用雷诺相似的原则，以1∶10的比例进行建模。根据计算模型特点，如果对整个模型进行简单网格划分，则网格结构非常复杂而且网格数量庞大，难以进行数值计算。因此，采用分区画网格，仅管束区域为非结构网格，其它区域为结构化网格，并且在主要计算区域进行网格加密处理，网格总数为7.2×105个，具体网格模型如图2所示。

2.2 数学模型及边界条件

采用空气做流动介质，设流体为不可压，大涡模拟控制方程为

在计算中，μt采用 Smagorinsky-Lilly模型为网格的混合长度。在 Fluent中，Ls=min(κd，CsV1/3)，其中 κ 为常数，d为到最近的壁面的距离，V为计算单元的体积，计算时取 Cs=0.1[6]。

计算中进出口边界条件:入口采用速度边界，υ=9.58 m/s(此速度为暖风器入口的实际流速)，温度为常温;出口边界采用outflow，壁面采用无滑移的边界条件，湍流为壁面函数法。

2.3 计算结果分析与讨论

流体绕圆柱流动时会对圆柱表面产生升力和阻力，主要是因为流体绕圆柱流动时会产生周期性交替脱落的卡门涡流，而涡流会引起脉动，其幅值较大，并在一定条件下形成稳定的变化周期，可以推导得知由升力及阻力变化曲线经傅里叶变换(FFT)后，得到的功率频谱图峰值即为卡门涡脱落频率。

图3、图4为圆柱绕流的频谱特性曲线。从图3可以看出，升力系数曲线经过一定时间后产生有规律的振荡，说明流体在经过圆柱表面后产生了稳定、周期性的卡门涡流。由图4的频谱特性曲线可知，频谱图上存在明显的峰值，表明此处的能量很集中，此时涡流的脱落具有明显的周期性，并且涡流的能量很大。分析研究对象的频谱，可知涡流脱落的频率为50 Hz左右，此时频谱图上出现了很明显的峰值，这是由于空气流经管束具有一定的刚性作用，在圆柱表面边界层引起剧烈的扰动，致使一定的能量的损失，从而出现了很明显的涡流。

图3 升力系数随时间变化的曲线图

图4 频谱特性曲线图

卡门涡的形成和脱落是一个非常复杂的过程，当雷诺数超过某一值时，流动状态不再稳定，流动失去平衡，涡出现拉伸、后移，再向下游流动，导致产生了涡流。图5为1/4T(T为一个周期)卡门涡形成及脱落的过程。卡门涡形成及脱落的原因是由于流体经过圆柱时，在圆柱前缘流体质点的压力升高，促使正在形成的边界层在圆柱体的两侧逐渐发展。但在高雷诺数时，流体流经圆柱表面时，边界层会向两侧分开，自由剪切层的最内层与自由流的最外层相比，移动得较慢，于是这自由剪切层就形成了卷起而不连续的涡，在圆柱背面就出现了规则的涡型，而涡随着时间会呈周期性地产生和脱落。

图5 1/4T卡门涡形成、脱落过程

3 卡门涡脱落频率计算及分析

根据声学振动原理，管排横向绕流的卡门涡流频率的计算公式[1]为

式中:fK为卡门涡流频率，Hz;St为斯特劳哈数;u为气流速度，m/s;D为管子外径，m。

声驻波与烟道宽度、气流速度的关系式[1]为

式中:n为谐波系数，n=1，2，3，…n;C为气流速度，m/s;B为烟道宽度，m。

由式(4)可以看出，只要存在驻波，其波长和风道宽度有很大的关系，第一阶驻波波长是风道宽度的2倍;二阶谐波波长等于风道宽度。

根据式(3)、式(4)、暖风器以及附属风道的结构参数，计算出空气在流经暖风器过程中所形成的卡门涡流频率和风道的阶声驻波频率，如表1所示。

表1 卡门涡流脱落频率和驻波频率计算表

表1中的斯特罗哈数是根据横、纵向截距比值查图6[7]得到的。由表1计算结果可以看出，气流在经过暖风器及其附属风道时，卡门涡流脱落频率与一阶谐波频率耦合即发生共振。

图6 斯特罗哈数St

经过计算可知，由图4得出卡门涡脱落频率约为50 Hz，而现场实际计算后的卡门涡脱落频率为45.97 Hz，数值计算和现场实际计算值相差约8%左右，有一定的误差。主要原因是数值计算未考虑气流温升后粘度、密度变化的影响，进一步验证了现场发生振动是卡门涡脱落导致的。

由数值计算和现场勘查结果计算分析，针对暖风器及其附属风道振动问题，本文在振动区域横向和纵向分别加装了2块防振隔板，隔板厚度为3 mm，加装防振隔板后，把流体截面区域划分为9个小格，如图7所示，破坏了涡的产生，消除了卡门涡脱落频率与某阶声驻波频率的耦合，也就消除了共振。实践证明，加装隔板措施使现场消振达到了很好的效果，从而验证了数值计算的准确性。