8#炉空气预热器振动原因分析及解决方案

张玉国，徐欣欣，王 琳

(1. 天津大沽化工股份有限公司热电分厂 天津300455；2. 天津航天长征火箭制造有限公司行政保障处 天津300456)

8#炉空气预热器振动原因分析及解决方案

张玉国1，徐欣欣1，王 琳2

(1. 天津大沽化工股份有限公司热电分厂 天津300455；2. 天津航天长征火箭制造有限公司行政保障处 天津300456)

燃煤电厂污染物NOx的排放日益严重地影响着环境、气候和人类的健康，解决电站锅炉NOx排放对环境的影响，已成为一个重要问题。为了积极响应并充分支持《美丽天津·一号工程：天津市清新空气行动方案》的实施，探索并实施了燃煤锅炉的烟气脱硝治理改造工作。8#炉在热态调试过程中，低温空气预热器振动异常剧烈，达到了无法正常运行的状态，经过多次改造，顺利找到了空气预热器振动原因并彻底解决，为8#炉烟气脱硝的最终达标打下了基础。

空气预热器 振动 共振 频率 隔板

0 引 言

《美丽天津·一号工程：天津市清新空气行动方案》出台后，我公司积极行动，充分考察并探讨旋风炉的烟气脱硝技术，并进入实施阶段。首先对 8#炉进行 SCR烟气脱硝工艺改造，用时 2个月改造完成。在热态调试过程中，低温空气预热器振动异常剧烈，特别是振动发出的声音使运行人员感觉不适，因此停止调试，着手解决低温空气预热器的振动问题。经过 8次改造，顺利找到了 8#炉低温空气预热器振动的原因并改造成功。8#炉低温空气预热器振动问题的解决，为 8#炉烟气脱硝改造项目的成功打下了坚实的基础。

1 空气预热器振动原因及解决方案

1.1 锅炉简介

我公司8#炉为立式液态排渣旋风炉，于2001年12月份投产运行，锅炉型号为 WGZ130/5.3-3型，属于额定蒸发量为130 t/h的次高温次高压燃煤旋风炉，为单锅筒、自然循环、液态排渣、悬浮燃烧的煤粉炉。制粉系统为钢球磨煤机、中间仓储式制粉系统，热风送粉，制粉系统的乏气通过三次风口送入二次室内。该炉型的主要特点是燃烧热强度高、NOx生成率高，灰分粒度细、尾部受热面易积灰等。

旋风炉工作过程为：锅炉制粉系统产生的煤粉经一次风携带进入锅炉的燃烧装置(喷燃器)，从喷燃器旋流喷出在旋风筒内燃烧，煤粉在筒内受热后，迅速着火、燃烧，其间在旋风筒中上部加入二次风，以达到强化燃烧的目的。旋风筒中燃烧所产生的高温烟气，全部进入锅炉的燃烬室，进行进一步燃烬和冷却。炉渣因高温熔化而粘在旋风筒筒壁上，形成液态渣膜，液态渣从旋风筒下部排出，形成液态排渣。旋风炉工作过程如图1所示。

1.2 改造要求与内容

1.2.1 改造要求

我公司锅炉为室内布置，要进行烟气脱硝改造空间比较有限，因此需要对锅炉尾部受热面进行改造，改造要求如下：①对锅炉尾部受热面进行重新布置，以确保有 SCR设备安装空间和受热面合理的检修空间；②通过对锅炉尾部受热面改造，适当降低排烟温度，使改造后排烟温度约为 140～150,℃；③中温空气预热器下级管箱和低温空气预热器管箱采用内涂搪瓷管；④锅炉改造后能够长期、安全、稳定地运行。

图1 旋风炉工作过程Fig.1 W ork process of the cyclone furnace

1.2.2 改造内容

锅炉改造在满足锅炉性能的前提下，充分利用现有设备，降低锅炉改造成本，以缩短改造工期为基本原则，对锅炉尾部受热面进行改造，使得改造后满足 SCR烟道安装空间要求，保证锅炉效率、热风温度和排烟温度等均达到改造要求。

改造范围包括：后包墙管、低温省煤器、低温空气预热器、空气预热器进出口连接风道、低温省煤器护板、尾部连接烟道、平台扶梯、尾部锅炉钢结构以及相应的炉墙保温。

①后包墙管：SCR喷氨格栅布置在高温省煤器上方，从炉后包墙过热器管排间插入烟室，因此本次改造需要将后包墙进行部分让管，以保证SCR喷氨格栅的安装。②低温省煤器：为了满足锅炉新增加的 SCR脱硝装置布置的需要，同时保证锅炉排烟温度(140～150,℃)和提高锅炉效率、降低煤耗，低温省煤器位置下移到锅炉尾部的最下端，管排利旧，受热面积需进行调整。原锅炉设计低温省煤器采用Φ32×4的膜式管排，材质是20,G的普通钢管，管排横向62排，横向节距88,mm，纵向14排，纵向节距45,mm，错列布置。本次改造低温省煤器采用Φ32×4 膜式管排，材质为 20,G，横向由 62排增加到76排，新增 14片低省管排，改造后横向节距减小到 72,mm；纵向14排，纵向节距45,mm，错列布置。管排依旧由通风梁支撑，由于增加了管排，通风梁全部更换。由于管排横向节距的变化，低温省煤器进、出口集箱全部更换。进口集箱安装位置由原来的 13,535,mm下移至 4,760,mm，出口集箱安装位置由原来的15,360,mm下移至6,585,mm。由于低温省煤器安装位置下移，锅炉给水管道及高、低温省煤器连接管道重新设计，管道数量、规格、材质均与改造前一致。③低温空气预热器：现有锅炉低温空气预热器分为低温空气预热器上级(后称中温级)和低温空气预热器下级(后称低温级)两组管箱。由于在锅炉尾部新增加了 SCR脱硝装置，原锅炉的中温级空气预热器和低温级空气预热器无法布置在原锅炉构架内，需在原锅炉房外重新设计新的钢结构来布置中、低温级空气预热器。锅炉投运SCR后，烟气中的SO3与SCR逃逸的NH3会生成硫酸氢氨，硫酸氢氨在 200～150,℃之间呈液态，黏性和腐蚀性很强，低温空气预热器容易堵塞影响传热及增大流通阻力。因此，为了有效防止低温空气预热器烟气出口低温腐蚀及堵塞，将中温段管箱分为两级布置，中温段末级和低温段空气预热器管排的材质更改为内涂搪瓷管，管子规格Φ40×1.5，中温段空气预热器上级管箱回用原低温级空气预热器低温段管箱。改造完成后，中温空气预热器上级、中温空气预热器下级、低温空气预热器从下往上依次布置在锅炉房外新增的钢架上。其中中温上级回用原低温下级空气预热器，管子规格Φ51× 1.5，管箱高度 2,330,mm，安装高度 4,100,mm；中温下级采用搪瓷管，管子规格Φ40×1.5，管箱高度 2,330,mm，安装高度7,635,mm；低温空气预热器亦采用搪瓷管，管子规格Φ40× 1.5，管箱高度2,330,mm，安装高度10,865,mm。④风道： 因低温和中温空气预热器的变动，锅炉风道需重新设计。冷风道从原低温空气预热器入口风箱引出，从锅炉左右两侧穿过锅炉房后墙引至低温空气预热器支撑构架后方，然后斜向上爬升，进入低温空气预热器，在设计时，考虑到冷风道的振动问题，设置了导流板等措施防止震动。热风道从中温空气预热器热段前墙引出，向左右两侧分成两股后沿锅炉房后墙爬升，然后汇合穿过锅炉房后墙进入高温空气预热器。⑤烟道：由于中、低温空气预热器移至锅炉房外，需重新设计低温省煤器出口至中温空气预热器连接烟道。此处设计时已充分考虑了烟道积灰状态下的安全性，飞灰被烟气携带下行落入中温空气预热器热段下方灰斗。灰斗下方布置仓泵，将灰斗中沉积的飞灰送入电除尘器入口。低温空气预热器上方与除尘器进口连接烟道重新设计。⑥护板：分别对SCR催化剂区域护板、低温省煤器护板、低温空气预热器和中温空气预热器的护板以及低、中温空气预热器之间的连通箱进行了重新设计。⑦构架、平台、扶梯：由于锅炉尾部受热面的调整以及 SCR的需要，尾部构架载荷重新核算，增加了 SCR的支撑梁，锅炉房外新增了钢结构来支撑中、低温空气预热器。其他平台、扶梯根据尾部受热面改造作出相应的调整。⑧保温炉墙：对 SCR反应器区域炉墙设计、制造；对低温省煤器区域护板保温设计、制造；对空气预热器护板、连通箱、热风道保温设计、制造；对其他区域由于改造安装过程中损坏的炉墙、保温修复。⑨吹灰器及测量检查装置：高温空气预热器增加一台声波吹灰器，低温省煤器增加一台声波吹灰器，其他地方回用原设备；尾部测点全部回用原设备，现场还原安装；锅炉原有人孔门、检查口均回用原设备，现场恢复安装；锅炉房外尾部构架和连接烟道重新布置人孔。

图2 改造后空气预热器示意图Fig.2 Schematic diagram of the air preheater after transformation

1.2.3 改造后空气预热器总图

改造后空气预热器示意图如图2所示：

1.3 振动原因

2015年6月2日，8#炉烟气脱硝及冷态调试完毕，进行热态调试。6月2日23：30左右，8#炉并汽运行。运行过程中，送风机出口冷风道以及中、低温空气预热器振动异常剧烈，达到了无法正常运行的状态，特别是空气预热器产生了一种让人无法接受的噪音，于是6月3日2：30左右停炉，并紧急与设计厂家联系。设计厂家到厂后，对 8#炉实施了一些整改措施，情况出现了好转，冷风道的振动基本消除，但是，低温、中温空气预热器的管箱和联通箱，振动和噪音比较明显。

锅炉运行过程中风道和空气预热器的振动一般有 3个原因：①风机和风道管网的阻力特性不匹配，导致风量在某个区间时，风机发生喘振，引起风道和预热器振动；②风道弯头处导流板布置不合理，流场不均，引起气流脉动不平衡，从而导致风道和空气预热器的振动；③空气预热器的声学驻波频率与气流涡街频率接近时，发生共振现象，引起空气预热器的振动和噪音。

针对以上几个原因，采取相关措施进行逐步排除：①通过调节两侧送风机挡板开度，找到挡板开度的最佳区间，避开风机喘振区间，从而消除因风机引起的喘振现象。②由于受到现场空间所限，锅炉冷风道较长，弯头较多，通过导流板的合理设置，使空气流场更加均匀，减小气流偏心和波动。并增加整个管路的固定装置，加强刚性，调整固有频率。

通过采取以上措施后，风道的振动基本消除，但是空气预热器的振动依然存在，初步怀疑是管箱共振。

1.3.1 振动机理

图3 卡门涡街示意图Fig.3 Schematic diagram of Karman vortex street

在圆柱体后尾流的卡门涡街中，两列旋转方向相反的漩涡周期性的均匀交替脱落，有一定的脱落频率。漩涡的脱落频率n与流体的来流速度V成正比，而与圆柱体的直径d成反比，即：

式中：S称为斯特罗哈数，它只与雷诺数有关。

管式空气预热器中，当空气在管外横向冲刷管束时，在圆管后也会产生卡门涡街，脱落频率 n如上所示，其中管束的斯特罗哈数除取决于圆管直径和气流速度外，还与管束的横向节距 S1和纵向节距 S2有关。根据实测，管束的斯特罗哈数在0.4～0.7的范围内，一般采用 S≈0.5。这样计算出的卡门涡街的脱落频率已有足够的精确度。在管式空气预热器中，卡门涡街的交替脱落会引起空气预热器中以管箱组成的空气道中气柱的振动，而发生声响效应。

空气预热器中以管箱组成的空气道中同时存在着锅炉运行中各种声音诱发的某阶次的声学驻波，所谓驻波就是两列振幅相同，方向相反，并不向前运动的波。

声波频率的基本公式是：

n′＝a/λ

λ——驻波波长。

假如管箱空气道存在驻波，则其波长 λ和管箱空气道的宽度 L之间必须有一定的关系。第一谐波的波长是管箱空气道宽度的两倍，即λ1＝2,L，第二谐波的波长等于管箱空气道宽度，即 λ2＝L，第三谐波的波长是管箱空气道宽度的 2/3，即λ3＝2/3,L，第四谐波的波长是管箱空气道宽度的 1/2，即 λ4＝1/2,L等等，概括起来，各谐波的波长可写成：

如图4所示：

图4 谐波的波长Fig.4 Harmonic wavelength

由此，就得到声学驻波频率的通用公式：

式中 i＝1、2、3、4……是管箱空气道宽度 L中半波的个数，也就是声学驻波的谐波阶次。将a＝20.1T代入公式可得：

从上式可知，声学驻波的频率除与驻波的阶次和管箱宽度有关外，还与空气的温度有关。

当卡门涡街的脱落频率与声学驻波频率相重合(共振)时，就会产生很大的噪声，造成空气预热器管箱的激烈振动，严重时，会使空气预热器钢板破裂，锅炉整体振动，破坏性很大。

1.4 解决方案

从理论上来说，要消除这种振动现象，就要避开共振频率。常使用的方法是改变管箱空气道宽度，就是在管箱中加装隔板，把管箱空气道分隔成若干小气室，以提高声学驻波频率，从而避免与卡门涡街的脱落频率重合。这样便会使振动消除或减弱。

加装隔板的数目与驻波阶次有关，就是使管箱空气道宽度L中的半波破坏，两隔板的间距必须小于，避免两种波叠加共振。

通过计算，8#炉中温上级管箱气流涡街频率 n＝92.16，管箱声学驻波频率 n'＝i×33.11(i＝1、2、3…)，当 i＝3时，声学驻波频率非常接近 92.16，因此会引起很大的振动。根据以上计算结果，本次改造解决方案如下：

各级管箱空气道均加装 3块隔板防振，加装隔板位置如图 5所示。加装完成后空气预热器的气流涡街频率不变(n＝92.16)，管箱的声学驻波频率 n'＝i×132.44(i＝1、2、3…)，两者不会有重合区域，因此不会发生共振。

2 结 语

实践证明，在空气预热器各级管箱间加装防振隔板是解决空气预热器振动行之有效的办法。■

图5 空气预热器改造示意图Fig.5 Schematic diagram of transformation of the air preheater

［1］ 韩晓刚，韩虹，朱利珍，等. 锅炉管式空气预热器的振动及其消除方法[J]. 电站系统工程，2001，17(1)：9-11.

［2］ 宋玉宝. SCR设计与烟气参数耦合性分析[R]. 2012年全国燃煤电厂烟气脱硝技术交流会，南京：2012.

［3］ Gutberlet H. GTZ-Seminar on SCR-DeNOx Technology[R]. E. ON，中国苏州：2010.

［4］ 梁衡. SCR空气预热器改造方案设计与实施要点[R].火电厂大气污染物控制研讨会，日照：2011.

［5］ Guffre J. Eliminating Air Heater Plugging and Corrosion Caused by SCR/SNCR System for NOxControl on Coal Fired Boilers [C]. 2007.

Cause Analysis and Solution of the Vibration of 8# Boiler Air Preheater

ZHANG Yuguo1，XU Xinxin1，WANG Lin2
(1．Thermal Power Plant，Tianjin Dagu Chemical Co.，LTD.，Tianjin 300455，China；2．Adm inistrative Protection Division，TianJin Launch Vehicle Long March Manufacture Co.，LTD.，Tianjin 300456，China)

NOxem issions from coal-fired power plants severely impact the environment，climate and human health．To solve the power plant boiler NOxem issions has become an important issue．In order to positively respond to and fully support the implementation of the First Priority Project of Beautiful Tianjin：Tianjin Clean Air Action Programme，a study of the governance and reform of coal-fired boiler flue gas denitration was carried out．During the process of thermal state comm issioning of 8# boiler，severe abnormal vibration of its low temperature air preheater appeared and failed to reach the normal operating state．A fter several transformations，vibration causes were found and solved，which laid a foundation of the qualification of 8# boiler flue gas denitrification results.

air preheater；vibration；resonance；frequency；clapboard

TK229.6

：A

：1006-8945(2015)10-0084-04

2015-09-06