管式空气预热器振动分析与消除

林 伟

(中国石油化工股份有限公司镇海炼化分公司，浙江 宁波 315200)

管式空气预热器振动分析与消除

林 伟

(中国石油化工股份有限公司镇海炼化分公司，浙江 宁波 315200)

大型列管式空气预热器存在振动问题，通过流体数值模拟软件对其烟气、空气系统流场进行模拟、分析和计算，发现振动的原因主要是管束的卡门涡流频率与空气预热器固有气室频率在低温段符合产生共振条件、烟气流动不均匀等。通过加装隔板改变管箱与烟气腔体的固有气室频率成功消除振动，取得了良好的消振效果。

管式空气预热器 流场模拟 振动 自激振动 卡门涡流 气室固有频率

某装置加热炉系统由共用对流室的四合一炉、带引风和通风的底置余热回收系统及排烟系统等组成，设计热负荷为185 MW，2004年投用。余热回收系统为烟气-空气换热的两级四程列管式空气预热器，上下两级卧式布置，一级(高温段)为钉头管束，有1 396根Φ89 mm×5 800 mm的钉头管；二级(低温段)为搪瓷管束，有3 214根Φ51 mm×5 800 mm的搪瓷管。空气走管程，从下部进搪瓷管段，各管程之间用集箱连接，热空气从上部出预热器；烟气走壳程，从上部进钉头管段，冷烟气从搪瓷管段下部出预热器，通过引风机进入烟囱。

该空气预热器运行中存在两个问题：一是在运行5年后，低温段搪瓷管陆续出现腐蚀穿孔，2012年将二级低温段两程空气预热器更换为整体设计的管束后运行良好；二是空气预热器存在较大的振动，振动特点为在空气预热器壁面振动最大，底部比上部大，振动频谱中单一频率成分的幅值突出，随着引风机的变频增加，空气预热器振幅变大，振动频率也发生转移变大。分析认为空气预热器的振动为自激振动，与烟气流的流场密切相关，有必要对空气预热器的振动原因进行分析，并提出改进措施。

1 空气预热器内部流场模拟

利用流体数值模拟软件对空气预热器内烟气、空气流场进行模拟运算。入口条件选择速度入口边界条件，出口条件选择压力出口边界条件，湍流模型选择标准的k-ε方程模型。

1.1 管程流场模拟

空气预热器运行排烟温度为115 ℃，预热空气温度为240 ℃，总质量为415 t。空气由底部首先进入直径较小的搪瓷管，经过带导流板的集箱转向进入直径较大的钉头管。管程的空气速度分布图见图1，由图1的模拟结果可知：空气在管程内的流场分布不均匀，由于钉头管管径比搪瓷管大，气体由搪瓷管转入钉头管后，气体速度明显变小。同时，转向集箱内虽设置了导流板，但受气体流动惯性影响，气体局部区域出现了涡流。在转角集箱的管束出口和导流板的转角处存在涡流，涡流不断产生和脱落会使气体与相接触的壁面受到连续交变力的作用，导致振动和噪声的产生，其中第二个转角集箱内涡流最大。

图1 空气预热器管程空气速度分布

1.2 壳程流场模拟

去空气预热器壳程的烟气由顶部进入钉头管段，经搪瓷管段在下部空腔内90°转向后，通过一个矩形转圆形的烟道进入引风机，整体结构复杂。从模拟情况来看，振动的原因涉及流体-结构-声学的多物理场耦合问题，振动是特定结构中流场与声动相互作用导致的结果，如结构设计不合理、流传运行不稳定，将诱发噪声和振动。空气预热器底部的烟气流道是一个腔体，在特定频率下与流体不稳定流动诱发的噪音发生声共振，将加剧空气预热器的振动。

根据模拟空预器壳层的速度分布情况，壳层内流场局部区域存在高速区，烟气流动中受管束阻力的影响，部分流体趋向壁面流动，故壁面处流体速度较大，在底部空腔转角区域存在两个大漩涡。考虑到空气预热器内管子较多、底部空腔内流场复杂，特截取管束局部区域和底部空腔进行分析。

烟气在上部钉头管束和下部搪瓷管束流场分布相似，取搪瓷管束局部区域流场放大，如图2所示。由图2可见：管子两侧的流速较高，而管子背面流速较低，管子背面产生了涡流，这些涡流的产生和脱落会产生垂直于气流方向的气压脉动，当涡流的脱落频率与空气预热器管箱的固有气室频率接近或重合时，会发生共振现象。

图3列出了空气预热器底部空腔内烟气速度分布情况。总体来看，由于烟气需在底部较小空间内改变流动方向，使烟气流动变得十分不稳定，速度分布不均匀，转弯处速度较低。

图3 空气预热器底部空腔烟道整体速度分布

空气预热器底部空腔截面烟气流线见图4。由图4可以清晰看出：烟气在流经搪瓷管段后，在无约束的空腔内由较小的漩涡发展为较大的漩涡，流动十分不稳定。

烟气总体上是沿着烟道向出口流动，但受搪瓷管段漩涡的影响，在流过90°弯管时，气流出现双螺旋流形式的二次流，并且在弯头后还出现局部的涡流区。

图4 空气预热器底部空腔烟道截面流线

2 空气预热器振动分析与解决措施

通过分析模拟研究得出空气预热器管程和壳程内的流场情况，结合相关理论，对空气预热器振动原因进行分析，并提出解决措施。

2.1 卡门涡流与管束振动分析

当气流横向冲刷圆管时，会在圆管的背面产生顺时针和逆时针方向的漩涡，随后漩涡又在气流的作用下脱离圆管，这种周期性交替生成和脱离的漩涡被称为Karman(卡门)涡流。图5为卡门涡流示意，对比烟气通过空气预热器管子的流线图，可见烟气在流经管子背面产生卡门涡流，这些漩涡从管子的两侧脱落，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箱固有气室频率耦合时，就会激发空气预热器产生自激振动，发出噪声[1]。

图5 卡门涡流示意

卡门涡流频率可通过如下表达式计算：

式中：fk——卡门涡流频率，Hz；

St——斯特劳哈数，对于错列管束，

式中：S1——管束横向间距，m；

S2——管束纵向间距，m；

v——流体流速，m/s；

d——管子直径，m。

对于空气预热器壳程管箱而言，管箱的固有气室频率与管箱的宽度有关，可通过下达式计算：

式中：fn——管箱固有气室频率，Hz；

n——驻波阶次，n=1,2,3…；

c——工作条件下声速，m/s；

L——管箱宽度，m。

当卡门涡流脱落频率和管箱中存在的某阶驻波频率相差不大时，可能激发该阶驻波，从而产生共振[2～3]，一般以下式作为能否激起某阶驻波的判据：

0.8fk出

式中：fk出——管箱出口处频率，Hz；

fk入——管箱入口处频率，Hz。

采用上述方法对空气预热器不同管箱段的卡门涡流频率和管箱固有气室频率进行计算，分析各段管箱是否会发生共振。根据管束排列特征，计算得到各管箱的斯特劳哈数。对于钉头管段，S1=0.312 m，S2=0.185 m；对于搪瓷管段，S1=0.114 m，S2=0.105 m。一般空气预热器可能的操作弹性为50%～120%，分别针对操作弹性为50%和120%两种情况进行频率的核算，计算得到的各管箱的卡门涡流频率和管箱频率分别见表1和表2。

表1 操作弹性为50%时不同段管箱的卡门涡流频率和管箱固有气室频率 Hz

表2 操作弹性为120%时不同段管箱的卡门涡流频率和管箱固有气室频率 Hz

根据振动判断依据计算：当操作弹性为50%时，对于各层钉头管段，卡门涡流频率不会激发管箱的驻波。对于各搪瓷管段，当n=1时，均满足相应的判据，说明对于搪瓷管段，卡门涡流频率会激发管箱的驻波。

当操作弹性为120%时，对于各层钉头管段，卡门涡流频率不会激发管箱的驻波。对于搪瓷管(一)，当n=3时，满足判据，卡门涡流频率会激发管箱的三阶驻波；对于搪瓷管(二)和搪瓷管(三)，当n=2和3时，均满足判据，卡门涡流频率会激发管箱的二阶或三阶驻波；对于搪瓷管(四)，当n=2时，满足判据，卡门涡流频率会激发管箱的二阶驻波。

此外，从卡门涡流频率和管箱固有气室频率表达式可以看出，空气预热器入口气速以及管子的排布方式对于振动的影响很大。因此应在生产负荷允许的范围内适当降低流速，以减小卡门涡流频率，从而减小振动。此外，通过增加管箱的隔板数，增大管箱的固有气室频率，也可以减弱空气预热器的振动。

2.2 空气预热器底部空腔烟道振动分析

通过空气预热器底部空腔内流场模拟，结合相关声学理论，认为可引发空气预热器底部振动的原因主要有两个：(1)烟气流经搪瓷管后在搪瓷管下方存在漩涡，流经90°弯头后形成双螺旋流形式的二次流，且出现局部涡流区，空气预热器底部漩涡不断发生和脱落，使和流体接触的壁面受到交变力的作用，从而产生噪声和振动；而空气预热器底部的烟道也是个空腔体，当漩涡的脉动频率与烟道腔体的固有频率相近时会发生共振。(2)空气预热器底部上方搪瓷管段由于卡门涡流引起的声波共振沿烟气流动方向传播，引风机入口气流不均所诱发的引风机噪声也会在烟道空腔内传播，当其频率与底部腔体的固有频率相近时也会发生声波共振，使空气预热器底部烟道发生振动。

通过以上振动分析，解决空气预热器底部振动可以从以下几方面入手。

(1)增加烟道长度，使得烟气流动充分发展，烟气流动稳定均匀。当流体在管子内为湍流流动时，流体充分发展所需的管段长度范围为20～40倍管径。通过模拟可知，当烟道长度为17 m左右时，管子中上方的低速区基本消失，烟气在流道内流动基本均匀。

(2)将烟道系统进行内部或外部加固，如内部“井”字形方式加固或外部沿周向加固等，以达到增加烟道刚度、改变腔体的固有频率和均匀气流的作用。

(3)在烟道中增加隔板，改变烟道腔体的固有频率，避免发生声波共振现象。

3 空气预热器消振措施的实施与效果

根据空气预热器振动的原因分析，于2014年底检修期间对该空气预热器系统实施消振，消振措施主要包括以下两个方面。

(1)第一、二层搪瓷管束为固定管板，管箱固有气室频率无法改变，第三、四层搪瓷管束可整体抽出，沿搪瓷管方向增加两块隔板，改变管箱固有气室频率，可消除共振。增加中间隔板后的管箱固有气室频率、卡门涡流频率计算见表3，管束增加隔板后见图6。

表3 第四层搪瓷管段增加中间隔板后的管箱固有气室频率、卡门涡流频率 Hz

图6 搪瓷管段增加中间隔板

(2)在空气预热器底部空腔内部增加“井”字形隔墙，增加烟道强度，均匀气流，并避免声波共振现象。

消振措施实施运行一年半，途中历经两次开停，该空气预热器系统运行正常，空气预热器操作负荷、引风机转速从低到高，未出现明显的振动、噪声，消除了该空气预热器系统多年来的运行安全隐患，消振工作取得圆满成功。

4 结论

通过对管式空气预热器系统进行流体场模拟，分析振动原因提出消振措施，并通过实践消除空气预热器振动，得出以下结论。

(1)管式空气预热器进行流体流场数值分析可显化存在的问题，找到解决方案。

(2)空气预热器管束中增加隔板改变管箱固有气室频率是解决空气预热器振动行之有效的方法。

(3)较大型的空气预热器设计阶段要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，尾部烟道是否会产生共振等，在出厂前预装防振隔板。

(4)大型化后的空气预热器的振动分析涉及到流体学、声学等多物理场的耦合，要综合多个因素考虑。

[1] 孔珑.工程流体力学[M].北京：水利电力出版社,1992.

[2] 张玉国，徐欣欣，王琳.8#炉空气预热器振动原因分析与解决方案[J].天津科技，2015，42(10)：84-87.

[3] 楼杰，蒋建伟，廖晓春.1 900 t/h锅炉为部烟道振动原因分析及处理[J].发电设备，2012，26(5)：365-368.

Analysis and Elimination of Vibration in Tubular Air Preheater

Lin Wei

(SINOPECZhenhaiRefining&ChemicalCompany,Ningbo，Zhejiang315200)

In order to solve the vibration problem of large-scale tubular air preheaters,the flow field of the flue gas and air system was simulated,analyzed and calculated with the fluid numerical simulation software.It was found that the vibration is mainly caused by the resonance due to the consistence of Karman vortex frequency and the natural frequency in the gas chamber of air preheater at the low temperature range,as well as inhomogeneous flue gas flow.Through installation of partitions to change the inherent frequency of air chamber in tube and flue gas chamber,the vibration was successfully eliminated,which achieved good results.

tubular air preheater,flow field simulation,vibration,self-excited vibration,Karman vortex,gas chamber natural frequency

2016-07-19。

林伟，男，1980年出生，2005毕业于辽宁石油化工大学化工过程机械专业，硕士，工程师，目前从事石化行业设备技术管理工作。

1674-1099 (2016)06-0019-05

TK229

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