350 MW超临界循环流化床锅炉尾部烟道振动分析及改造

王 珂，王鹏程

（山西河坡发电有限责任公司，山西 阳泉 045000）

0 引言

山西河坡发电有限责任公司2台锅炉为东方锅炉厂制造。锅炉型号为DG1184/25.31-Ⅱ1，与350 MW超临界汽轮发电机组配套。锅炉为超临界参数变压运行直流炉，单炉膛、半露天M型布置、平衡通风、一次中间再热、固态排渣、水冷滚筒式冷渣器、循环流化床燃烧方式，采用高温冷却式旋风分离器进行气固分离，锅炉整体为全钢架结构，整体支吊在锅炉钢架上。每台炉尾部竖井烟道安装烟气挡板8台（前后各4台），左右侧水平布置，安装在低再和低过下部，标高48 m处，挡板一端固定在烟道外与执行器连接，另一端固定在烟道内的框架上。锅炉主要参数见表1。

表1 锅炉主要参数表

2台机组于2016年1月和7月相继通过168试验投入商业运营，但是投产以后发现机组负荷达到300 MW以上时，锅炉尾部烟道标高48～52 m处连带周围的大梁、平台均发生振动。

1 锅炉尾部烟道振动测量与调整

针对烟道振动的问题，采用振动仪分别对1、2号锅炉在不同负荷下对其振动部位进行了振动幅度的测试，测试结果见表2、表3。

通过不同负荷下的试验及现场观察，发现在各个负荷段内，锅炉本体，锅炉炉膛水冷壁、旋风分离器、以及省煤器、空预器等均为运行正常，振动幅度较大的区域为烟气挡板以上2～4 m，也就是尾部烟道标高48～52 m处。且随着负荷的升高，振动幅值呈上升趋势，最大幅值为0.342 mm。调整中隔墙前后的烟气挡板，改变中隔墙前后通道的烟气量，当过热器侧烟气挡板开至45%，再热器侧挡板开至70时，烟道振动明显减小。

表2 不同负荷下烟道的振动幅值（1号机组）

表3 不同负荷下烟道的振动幅值(2号机组)

综上所述，得出3点结论：尾部烟道的振动随着机组负荷的增大而增大；尾部烟道振动和烟气量的大小有关，当烟气量大到某一个值以上时烟道发生振动；通过降负荷和改变烟气挡板的开度可以缓解烟道振动。

2 烟道振动机理分析

2.1 烟气在烟道中产生振动的原因

锅炉烟道振动的原因主要是由于尾部烟道内部烟气气流的脉动频率fp、声学驻波频率fa和烟道本身固有频率fn二者或者三者相互结合引起的共振[2]。烟道本身固有频率fn在烟道安装完毕后结构不发生变化就形成不变了，而烟气气流的脉动频率fp、声学驻波频率fa是会随着负荷和工况的变化而变化的，而尾部烟道振动又主要分为湍流颤振，旋涡脱离等几种方式。

a） 湍流颤振：湍流是流体一种不稳定的运动形态，由于湍流运行的不稳定性，往往会造成流体或者存放流体容器的振动，这就叫湍流颤动。如果锅炉尾部烟道中是稳定的烟气流动，也就是所说的层流状态，那么就不会产生湍流颤动。但是实际生产中，锅炉烟气流动往往是紊流的状态，当锅炉管束受到干扰和扰动产生振动，其频率刚好和锅炉烟气流体的湍流频率相同，那么就会产生共振。

b）锅炉内部的燃烧工况同样也不是稳定的一成不变的工况，有时也会产生炉膛压力的脉动。同样，锅炉受热面管子受到扰动产生振动和炉膛压力脉动几乎一致时，也会产生共振。

c） 旋涡脱离：当锅炉烟气气流经过锅炉受热面管束后，由于管束的形状影响，烟气气流的运动轨迹发生改变，在管束的背风面形成了旋涡。如果该旋涡以一定的频率持续出现，就会使得受热面管束持续地受到一个旋涡作用力，使得管束发生振动。同样，如果旋涡频率和管束固有频率相同时，产生共振。共振严重时，可以造成受热面管束损坏。

2.2 计算分析

根据声学振动原理，卡门涡流频率fs的计算公式[1]为

式中：S——斯特劳哈数；

U——气流速度，m/s；

D——管子外径，m。

烟道声学驻波频率fa计算公式为

式中：C——声速，m/s；

n——驻波的阶数；

W——烟道的宽度，m。

根据公式（1）、（2） 和锅炉热力计算书以及烟道结构的数据，可以计算出烟道挡板附近的驻波频率。通过卡门涡流频率和烟道声学驻波频率的比较，更进一步证明了烟道声学共振的原因[1]。

3 改造方案的确定和实施

基于烟道振动机理及现场试验结果，采用运行调整解决振动的办法主要由以下两种方法：降低机组负荷运行；通过调整烟气挡板的开度。但是这两种方法受负荷和运行工况调整的限制，均不能真正根治烟道振动的问题。所以想要解决问题还是要从根本上消除频率共振。

根据理论分析计算和就地观察确认，决定采用在锅炉尾部烟道的左右侧炉墙上加装导流板（如图1）。通过改变振动区域烟气的流向，来削弱烟道振动。本方案为：在低温再热器与烟气挡板之间49 m处的前、后烟道处加装导流板，导流板采用焊接方式，纵向安装在左右墙受热面管间的密封上，焊后的焊缝全部打磨光滑，导流板规格为2000 mm×100 mm×6 mm， 材质为12Cr1MoVG，数量每台炉18块。现场改造实施结果见图1。

图1 烟道加装导流板改造实施图

4 改造后效果

锅炉经上述方案改造实施后，在机组高负荷段300～350 MW范围内，对锅炉1、2号锅炉的之前烟道振动区域进行了振动测试，测试结果见表3。

表3 锅炉改造前后烟道的振动幅值

测试记录表明：烟道加装导流板后，在高负荷运行工况下，烟道的振动大幅度下降，彻底解决了烟道的振动问题，为机组后续的安全稳定运行奠定了基础[2]。

5 结束语

目前，我国的电站锅炉再热器的调温方式主要采用烟气挡板来调节。烟气在流经烟气挡板时，由于烟气挡板不同开度，烟气流向会随着烟气挡板开度的不同而发生变化，致使烟气挡板某一开度范围内，烟气会产生旋流，发生振动。当振动频率与锅炉烟道和支撑钢架的本体的固有频率接近时，烟道与支撑钢架在烟气周期性作用力下，发生不同程度的共振现象，从而引发烟道的振动。通过加装导流板，改变烟道内流场分布后，经过连续半年的运行观察，2台炉的烟气挡板处再未出现振动现象。从效果上看，烟道振动问题得到了彻底治理，同时采用该种改造方法，工程造价较低，施工工艺简单，是一个比较理想的解决烟道振动的办法。