余热锅炉水平烟道振动问题分析

茅正东，张海峰，李光耀

余热锅炉水平烟道振动问题分析

茅正东，张海峰，李光耀

针对某工业硅余热锅炉运行过程中产生的水平烟道振动问题，通过大量实际运行工况调研，结合卡门涡流频率与气室固有频率耦合从而产生声学共振的理论分析，确定了合理加装垂直防振隔板，将水平烟道分隔成两个空腔，提高起振风量，避免声学共振的解决方案，最终解决了水平烟道振动问题。

余热锅炉；振动；卡门涡流频率

1 引言

国内某工业硅炉配套建设的余热发电系统正式投运后，其余热锅炉产生了较为严重的尾部水平烟道振动问题，锅炉振动时伴随低沉的轰鸣噪音，锅炉本体各部件均出现不同程度的共振现象，严重威胁余热锅炉的正常运行。

余热锅炉基本设计参数见表1。

2 振动原因分析

表1 余热锅炉基本设计参数

2.1 余热锅炉水平烟道受热面布置（图1）

该余热锅炉水平烟道中共布置六组受热面管束，烟气通过专线烟道后依次通过低压蒸发器管束Ⅰ、低压蒸发器管束Ⅱ、低压蒸发器管束Ⅲ、省煤器管束Ⅰ、省煤器管束Ⅱ、省煤器管束Ⅲ；烟气流通截面尺寸为5 850mm×2 840mm。

2.2 现场运行工况调研

通过现场观察及调研发现：启炉初期，余热锅炉运行平稳；随着余热锅炉负压逐渐增大，余热锅炉出口负压约至-2 000Pa时，尾部水平烟道中布置在后侧的第二、第三组省煤器渐渐产生受热面管束振动现象；负压升至余热锅炉正常运行阶段（-2 300Pa），尾部水平烟道中第三组低温蒸发器对流管束及后侧三组省煤器管束均出现了不同程度的振动；余热锅炉稳定运行一段时间后，其六组受热面管束均出现了严重的振动现象。

通过以上调试结果可以得出如下结论：振动现象与余热锅炉进口烟气参数条件关系密切，而烟气量与通过锅炉尾部受热面的烟气流速成正比，烟气流速正是决定烟气通过时管束横向扰流旋涡脱落频率的关键因素。

工业炉窑工况波动很大，提供给余热锅炉的烟气风量极不稳定，因此现场通过对多个典型振动现象的运行工况进行筛选，确定其中两组实际振动工况运行参数（工况一、工况二），并与设计工况各参数校核结果进行对比。

2.3 各工况下实际烟气量及烟气流速校核计算

运行工况参数的校核需先计算各工况下的热平衡，推算出进口实际烟气量，继而计算出通过各级受热面的平均烟气流速，校核计算结果见表2。

从计算结果分析发现：实际运行工况中计算烟气量、烟气温度均与设计工况存在较大偏差，因此尾部受热面烟气流速、各部件换热平均烟气温度也远大于设计值。

2.4 振动校核计算理论依据

根据声学振动原理，初步判断余热锅炉水平烟道受热面振动机理为管束横向扰流旋涡脱落频率（卡门涡流频率）fk与气室固有频率fc耦合而产生的声学共振。其中锅炉尾部烟道的气室固有频率fc的校核可按式（1）：

式中：

c——谐波的阶次

T——气流平均温度，K

L——气室宽度，m

各部件实际运行中的卡门涡流频率fk的校核可按式（2）：

式中：

St——斯特劳哈尔数

图1 余热锅炉水平烟道受热面布置简图

表2 各工况下实际烟气量及烟气流速校核计算结果

ω——通过管束烟气平均流速，m/s

d——管子外径，m

为了满足受热面防振要求，必须满足以下必要条件：

式中：

m——储备系数，主要考虑了流速不均匀系数、St斯特劳哈尔数的计算误差、超负荷运行引起的流速变化等因素

2.5 振动校核计算

振动理论校核计算汇总见表3、表4、表5。由以上各工况参数的振动校核计算汇总表可以看出，设计工况下，各尾部水平受热面卡门涡流频率与气室固有频率的关系，可以满足fc＞m×fk的理论防振必要条件，且储备系数的选用均已超出理论所需的1.4。而实际运行工况下，实际烟气量随工业炉窑波动变化，且尾部积灰机理复杂、受热面部件传热效率下降、各级受热面进出口烟气温度普遍偏高，最终导致卡门涡流频率在一次谐波阶次上与气室固有频率趋于接近耦合，从而产生了声学共振现象。

表3 振动理论校核计算汇总（一）——设计工况

表4 振动理论校核计算汇总（二）——校核工况一

表5 振动理论校核计算汇总（三）——校核工况二

2.6 解决振动问题的措施

根据理论计算分析结果，结合大量成功消振实例，决定在尾部水平烟道中增加一道烟道防振隔板，以提高气室固有频率，大大避开了卡门涡流频率区间。

增加防振隔板后，实际储备系数m已经接近2.1～3，此时卡门涡流频率远小于气室固有频率。校核工况振动计算结果见表6、表7。

考虑受热面管组安装隔板可行性及减小隔板对蛇形管束运行膨胀的影响，每组管束增加十块防振隔板，每块隔板高度为400mm，隔板总高度4 000mm。每块隔板利用四个U型螺栓固定在受热面蛇形管上，最后将各隔板间焊接牢固，U型螺栓与螺母间点焊，必要时使用圆钢加固隔板方便焊接。防振隔板安装位置如图2、图3所示。

表6 振动理论校核计算汇总（四）——校核工况一（增加防振隔板）

表7 振动理论校核计算汇总（五）——校核工况二（增加防振隔板）

图2 防振隔板安装位置示意图

图3 防振隔板与管束安装节点示意图

余热锅炉的防振改造工作完成后，经过实际运行的持续观测，尾部水平烟道共振现象完全消除，相关防振校核计算分析与实际运行工况相符。

3 结语

针对此类工业炉窑实际运行窑况的特殊性，烟气温度和烟气量波动较大，若其炉窑后置余热锅炉烟道几何尺寸的设计，仅按常规实践经验推荐的储备系数m值＞1.25～1.3进行防振理论分析，将无法适应实际运行的防振需要，仍存在一定的声学共振风险；有条件的情况下，需根据炉窑实际工况提高储备系数，合理加装防振隔板，提高起振风量，才能确保余热锅炉烟道的安全运行。

[1]中国动力工程学会主编.火力发电设备技术手册（第1卷）[K].北京：机械工业出版社，2000.

[2]魏新华.大型电站锅炉尾部烟道的声学振动[J].锅炉技术，1993，（1）:1～5.■

Analysis of Waste Heat Boiler Horizontal Flue Vibration

MAO Zhengdong,ZHANG Haifeng,LI Guangyao
（Nantong Wanda Furnace Limited Company,Jiangsu Nanjing,226006）

There are vibration problems for horizontal gas duct in the WHR boiler.To deal with this problem,we research on the operational states of large amount of projects and analysis theoretically on the acoustic resonant caused by frequency coupling between Karman vortex and inherent frequency of air space,a solution by avoiding acoustic resonant with adding vertical antivibration plate in horizontal gas duct was proposed,separating it into two cavity.Finally,the problem of vibration of horizontal gas duct was solved.

waste heat boiler;vibration;carmen vortex frequency

TQ172.622.22

A

1001-6171（2017）06-0078-05

2017-07-03； 编辑：赵 莲