600 MW机组MGGH烟道振动原因分析及对策

2018-06-04蒋建伟廖晓春

发电设备 2018年3期

蒋建伟，朱伟，廖晓春

(广东粤电靖海发电有限公司, 广东揭阳 515223)

国内火电机组脱硫后净烟气加热多采用烟气换热器(GGH)，但GGH的腐蚀、堵塞和泄漏等问题突出，严重影响燃煤机组的环保达标。因此，低低温烟气处理系统(MGGH)作为一种新型高效的环保工艺系统，克服了传统GGH的问题，相关产品特性及实践应用得到深入的研究[1-4]；但MGGH在实际运行过程中出现异常振动，并伴有明显噪声。

笔者以某600 MW超临界机组为研究对象，结合现场MGGH的结构布置，通过对MGGH进行振动测量，分析MGGH振动频率的变化情况，发现烟气流过换热面时形成的卡门漩涡是烟道振动的关键原因，提出利用增设消振隔板消除MGGH振动。

1 振动测量

某600 MW超临界机组新增MGGH，换热面沿烟气流向分低温、中温和高温三段，管子外径均为38 mm。其中，低温段由8排光管组成(一级换热面)，错列布置；中温段(二级换热面)、高温段(三级换热面)换热面管均采用螺旋鳍片结构，鳍片厚度为2 mm、螺距为11 mm、高为15 mm，顺列布置。MGGH换热面布置见图1。

图1 MGGH换热面布置示意图

由于振动发生在MGGH烟道段，根据换热面布置方向，振动测量选择在MGGH顶部平台。测量试验的机组负荷在300.4～550.3 MW；测量工况的烟气体积流量在1 563～2 124 km3/h。测量点位置在MGGH顶部外壳，对应于各级换热面的出入截面。测点分为三列(A、B、C)，每列设6个点从入口至出口(1～6)，其中：1、2位于一级换热面入口和出口；3、4位于二级换热面入口和出口；5、6位于三级换热面入口和出口。振动测量点位置见图2。

图2 振动测量点位置示意图

在两次不同时刻下对各个测点测得的功率谱结果显示：MGGH的主振频率分别为32 Hz和45 Hz。

2 原因分析

造成烟道振动的原因是烟气流过MGGH换热面时形成的卡门漩涡。当烟气横向冲刷换热面管束时，引发的卡门漩涡以一定的周期脱落，形成了烟气压力波，当烟气压力波频率(激发频率)与某一阶烟道气柱固有频率偶合时，烟道内就会产生强烈的声学驻波共振而发出强烈噪声。

理论计算卡门漩涡脱落频率fs为：

(1)

式中：S为斯特罗哈数；U为烟气速度，m/s；D为管径，m。

理论计算烟道气柱固有频率fn为：

(2)

式中：n为波的阶次；C为烟气声速，m/s；W为空腔的宽度，m。

根据表1换热面管束几何结构参数，由式(1)计算得到各工况的MGGH换热面漩涡脱落频率，见表2。表2中各负荷工况的卡门漩涡激振频率依据设计平均流速计算得到。由于烟道内烟气流速的不均匀性和不稳定性，实际激振频率会与表2的计算数据有些偏差。随着锅炉燃烧和负荷等条件的变化，实际激振频率与烟气流速呈线性关系。另外，烟气入口烟道连续转弯，MGGH入口烟气流场混乱，入口烟气流速不均，实际漩涡激振频率可能存在一定频宽。

表1 换热面管束几何结构参数

表2 换热面的漩涡脱落频率

表3为各工况下烟道的气柱固有频率(烟道高度为12 mm)。

表3 各工况烟道的气柱固有频率 Hz

由表3数据得：烟道气柱一阶固有频率为14.40～15.28 Hz、二阶固有频率为28.81～30.56 Hz、三阶固有频率为43.21～45.84 Hz。在烟道的宽度确定后，烟道的气柱固有频率仅与烟气温度有关，而在锅炉负荷稳定时，烟气温度一般是一个较为稳定值。因此，当锅炉负荷稳定时，烟道的气柱固有频率也是一个较为稳定值。

由于烟道内卡门漩涡激振频率存在一定的频宽带，当与烟道气柱固有频率接近或重合时，该激振频率就会激发声学驻波共振，因此，声学驻波共振具有频率范围较固定、振动幅值差别清晰的特点。分析上述测量及计算数据可以得到：测得的烟道主振频率(32 Hz、45 Hz)与烟道二、三阶固有频率接近。

3 消除措施

要解决烟道振动问题,必须使区域振动系统失谐。消除烟道振动的措施是在换热面管排之间，沿平行于气流方向增设消振隔板，改变烟道的气柱固有频率。消振隔板位置的确定取决于两方面: 一是激振频率；二是烟道固有频率和气柱共振阶数。

以MGGH激振频率为45 Hz来分析，接近烟道三阶气柱固有频率。理论上对于一个半波(n=3)，最理想的消振隔板位置位于1/6烟道处。气柱驻波振动可以表现为位移形式和压力形式，位移波形与压力波形相差90°相位。最理想的消振隔板位置位于压力波形的节点，该处烟气分子横向位移振幅最大，在根据低阶振型设置消振隔板时必须同时考虑避免高阶驻波振动。消振隔板的具体位置可根据换热面的布置间距进行调整，消振隔板理想的间距需小于1/2振动波长。

对于三阶气柱驻波振动，沿烟道宽度方向形成四个位移驻点、三个压力驻点。三个压力驻点分别位于烟道宽度的1/6、1/2和5/6处，共振激振源波长为2/3烟道宽度。如果在三个压力驻点设置隔板，最大隔板间距为1/3烟道宽度，其一阶气柱固有频率与激振源频率重合。因此，必须在1/6～1/2和1/2～5/6隔板间各增设一块隔板，就是每隔1/6(2 m)烟道宽度处设置一块隔板，总共需要设置5块隔板。为了最大限度减少消振隔板层数，可以适当调整隔板间距，减少隔板数目。

MGGH高度方向分为8个模块，每个模块高1.5 m，受该MGGH内部结构限制，消振隔板只能设置在两模块的交界部位(受热面间隙较大、无斜撑阻挡)。在确定消振隔板的位置时，必须根据发生气柱振动的频率和阶数确定隔板个数。最少隔板数是根据烟气音速和发生气柱振动的频率来确定，在12 m宽的烟道内，布置三层隔板，最大空腔间距为4.5 m(三模块)，烟道一阶气柱固有频率为38 Hz,介于32～45 Hz，烟道二阶气柱固有频率为76 Hz，这样能避免气柱振动的发生。具体布置情况见图3。