某烟化炉余热锅炉受热面振动分析

郝玉刚

(中国恩菲工程技术有限公司，北京 100038)

0 前言

余热锅炉是有色冶炼厂中的一个重要节能减排设备，与冶金炉紧密相连，可以有效地降低冶金炉排出的高温烟气温度，回收烟气中的部分烟尘，为后续烟气处理的降温除尘提供必要支撑，实现整个冶炼工艺流程的连续稳定运行。余热锅炉吸收烟气中的热量，转化成饱和蒸汽或过热蒸汽用来驱动汽轮发电机组发电，同时可以从汽轮机组第二级抽出低压蒸汽供生产、生活蒸汽用户使用，实现有效的节能减排[1]。

有色冶炼余热锅炉非标设备设计技术是中国恩菲工程技术有限公司的核心专长技术，从上世纪五六十年代引进国外余热锅炉设计技术开始，经过几代工程设计师几十年的研究、设计、工程应用，并不断在实践中修正，解决了余热锅炉烟尘结焦、烟气腐蚀、受热面振动、爆管、漏风等多种问题，取得了一次又一次的技术进步，目前中国恩菲的有色余热锅炉设计技术处于国内领先、世界一流的水平。

早期设计的余热锅炉偶尔有受热面振动情况，增加了余热锅炉的检修时间，影响了余热锅炉及整个冶炼厂的作业率。本文以某冶炼厂烟化炉余热锅炉为例，分析讨论该烟化炉余热锅炉对流区左右侧受热面及炉罩受热面产生振动的原因及解决措施，对该工程问题进行梳理和总结，希望对后续工程设计和投产后解决问题起到一定的借鉴作用。

1 余热锅炉的基本情况

余热锅炉作为某余热回收系统的核心设备，配置在烟化炉后部，用于吸收烟化炉排出烟气携带的余热，降低烟化炉排出烟气温度。考虑到烟化炉的工作特点，配置了三通道余热锅炉，包括炉罩、上升烟道、下降烟道、辐射区、对流区、出口烟道等部件，其中炉罩、上升烟道、下降烟道布置在室内，辐射区、对流区、出口烟道等布置在室外。余热锅炉的工程设计及现场实际运行工况的主要参数见表1。

表1 余热锅炉的主要参数

该余热回收系统的辅助设备包括电动给水泵、电动循环泵、除氧器、锅筒、定期排污扩容器、清灰装置等。电动给水泵和电动循环泵布置在室内，均为2台，采用一用一备的运行方式；除氧器为大气式热力除氧器，布置在室内，用于除盐水除氧，除氧后由给水泵打入余热锅炉锅筒；锅筒布置在余热锅炉顶部的室内，有一定的水容积，使余热锅炉稳定运行，并保证锅炉水循环顺利进行；定期排污扩容器布置在室外，用于接收锅筒、集箱等的排污；清灰装置包括高能脉冲清灰和弹簧振打清灰两种形式，高能脉冲清灰主要布置在对流管束顶部，弹性振打清灰装置布置在余热锅炉的炉罩、上升烟道、下降烟道、辐射区等部位。

2 余热锅炉受热面振动的原因及解决措施

该余热锅炉投产后整体运行状态良好，锅炉的蒸发量、工作压力、出口烟气温度都达到了设计的额定值，但是在投产初期出现了受热面振动、管道振动的情况，振动部位主要是在炉罩左右受热面、对流区左右侧受热面和与余热锅炉受热面连接的管道。针对受热面的振动情况，设计人员根据设计图纸、查阅了大量文献，与业主进行了认真的分析讨论，提出了一些较为有效的解决措施。

2.1 优化烟化炉操作

烟化炉为间断作业，每天操作9炉左右，每炉操作周期约140 min，其中加料期约20 min，吹炼期约100 min，出渣期约20 min[2]。每个工作期的烟气量不相同，吹炼期是有效工作期，烟气量最大；加料期和出渣期烟气量为正常吹炼期烟气量的30%～50%。

由于烟化炉的间断性作业制度，产生并进入余热锅炉的烟气量具有很大的波动性，烟气在余热锅炉内的流速和对余热锅炉受热面的侧推力都具有不确定性和波动性，导致余热锅炉左右侧受热面发生振动。

为了从源头上解决上述原因导致的锅炉受热面振动，决定改变烟化炉的传统操作制度，在加料期和出渣期不减少粉煤的喷吹量，使烟化炉在这两个工作期产生的烟气量与吹炼期基本相同，不产生很大的波动。这样，就保证了烟化炉烟气流经余热锅炉的速度相对稳定，对受热面的侧推力相对恒定，在一定程度上减弱了余热锅炉受热面的振动，促进了余热锅炉的安全稳定运行。

2.2 调整振动频率

内部烟气的气动激振力频率和受热面管道内汽水混合物产生的激振力频率与受热面的固有振动频率接近，当频率接近时就容易产生共振，在受热面上表现出较大振幅[3-5]。由于余热锅炉受热面已经制造安装完成，其振动频率是确定的，不能再改变，只能从以下两个方面调整振动频率：

1)调整烟气的气动激振力频率。调整烟化炉投料量和燃烧方式，使烟化炉烟气量稳定在某一数值，使烟化炉烟气在余热锅炉内流动的激振力频率高于受热面的固有频率。

2)调整受热面管道汽水混合物的激振力频率。调整余热锅炉受热面汽水的运行压力、温度等，使汽水混合物的激振力频率高于受热面的固有频率。

通过以上调整，烟气的气动激振力频率和汽水混合物的激振力频率均高于受热面的固有频率，避免了共振引起受热面振动。

2.3 减少锅炉管道振动

图1 管道支吊架热膨胀偏移情况

在冶炼厂余热锅炉平台进行现象观察时，发现与余热锅炉受热面连接的管道存在较强烈的振动，管道支吊架的偏移量非常大，如图1所示。管道振动对余热锅炉受热面有较大的推拉力，使得受热面发生振动。

根据李炜炜[6]和邢景伟[7]的研究，消除管道振动的措施有：调整管道系统结构的固有频率，从而避免共振现象的发生，降低管道对激振力的响应程度；小角度转弯法，削减流体脉动作用于管道上的激振力；优化刚度法，理论上刚度增大，管道的基频随之增加，有利于减少管道振动；通过改变工质参数(如压力、流速、温度等)，使管系振动减弱并控制在理想范围内。根据上述经验，决定采取以下措施消除管道振动：

1)重新对管道进行应力计算。根据投产后的实际运行工况，重新对管道进行运行工况模拟计算，重点关注模拟计算管道的振动情况、存在较大热位移的位置等，分析管道振动原因。

2)根据应力计算结果和现场实际运行情况，局部调整管道布置。在满足设计和工艺要求时，尽可能使管道走向平直，减少弯头的使用；需要选择弯头时，尽量使用转弯角度小的弯头，以减小管道流通阻力，减少管道运行中的晃动。

3)在应力计算分析的基础上，结合现场实际运行情况，调整设置支吊架。对于热位移大的地方，部分弹簧支架更改成弹簧吊架；对于侧位移大的地方，增加限位支架，减少侧向位移；克服原来管道大多为弹簧支架导致管系过于柔软的情况，在适当位置增加滑动支架、固定支架，提高整个管系的刚度。

通过对管道布置和管道支吊架的调整，提高了管系的刚度，增加了管道的基频，削减了流体脉动作用于管道上的激振力，从而减少了整个管系的振动。

2.4 设置导向装置

在现场查看余热锅炉振动区域时，发现余热锅炉对流区左右侧振动较大，炉罩左右侧振动较大，拨开余热锅炉保温层，发现原有的对流区导向装置制造间隙较大。导向装置现场施工安装情况如图2所示，余热锅炉对流区左右侧振动较大区域如图3所示。

针对余热锅炉对流区左右侧和炉罩受热面的振动情况，就导向装置设置的问题采取以下措施：

1)增加导向装置。由于拨开保温的区域振动比较大，结合原有设计图纸，拟定在该区域增加3层导向装置，导向装置可以限制受热面的机械振动，减缓受热面的振动幅度。

图2 导向装置安装图

图3 对流区左右侧振动较大区域

2)减小导向装置的间隙。原设计的导向装置斜面距离滚轴的间距为1 mm，实际施工间距约为2 mm。间距过大，滚轴在导向槽中移动时出现晃动，引起受热面振动，针对这个问题，严格按照设计图纸调整了部分导向装置的做法。

3)调整炉罩导向装置。原设计炉罩支撑导向装置为圆孔，炉罩向四周的膨胀是无组织、不受约束的，这样容易使炉罩受热面出现振动。结合工程实际情况，调整了设计图纸，将炉罩左右两侧的支撑导向装置中间点设计成固定的圆孔，两边的设计成长孔，长孔方向沿着受热面膨胀的方向。

通过上述增加导向装置及对导向装置的调整，在一定程度上解决了导向装置引起的余热锅炉受热面的振动。

3 结束语

余热锅炉是有色冶炼厂生产过程中的一个重要设备，其安全连续稳定运行对冶炼工艺的连续性、实现烟气降温除尘、实现节能减排都具有重要的意义。本文就早期设计的烟化炉余热锅炉出现受热面振动情况及原因进行了分析，包括烟化炉操作制度、振动频率、锅炉受热面连接管道振动、导向装置的设置等多个方面，并采取了相应的综合措施，在一定程度上减缓和解决了该余热锅炉受热面振动的问题，同时为后续其他类似工程问题的解决提供一定的借鉴。