低温省煤器烟道振动原因分析及消振措施

龚 俊，李 凯，章平衡，孙 坚，金建荣，张 洪，谈 群，周熠旻

(嘉兴新嘉爱斯热电有限公司，浙江嘉兴 314016)

《浙江省全球先进制造业基地建设“十四五”规划(征求意见稿)》中指出大力推进工业节能降碳，加快实施重点行业减污降碳行动，培育壮大绿色低碳产业，发展节能环保产业，大力培育发展新一代信息技术、生物技术、节能环保、新能源等低碳排放、高附加值的新兴产业，着力发展高效工业锅炉、高效电机系统、余热余压余气回收利用系统等节能产业。如果锅炉排烟温度降低5 K，燃料利用率得到提高，由此可降低煤耗0.6 g/(kW·h)[1-2]。而烟气余热回收利用是能源梯级利用的重要方式，已成为热电行业落实低碳发展战略任务的关键途径。

为此，某热电厂开展了烟气余热回收系统改造工程，采取了低温省煤器+冷凝器两级换热器布置方案。其中，低温省煤器安装于湿法脱硫塔与静电除尘器之间的烟道内。然而，在首次安装运行时，低温省煤器烟道发生了异常振动，并伴有低沉的声响。为保障机组安全稳定运行，笔者结合烟道振动的影响因素和机理，对低温省煤器烟道振动现象进行理论分析，并制定消振的措施。

1 低温省煤器烟道结构布置

图1为低温省煤器烟道的结构布置图。烟气自引风机出口先后经过大小头和直段烟道进入低温省煤器。低温省煤器烟道高度为3 000 mm，宽度为3 200 mm。低温省煤器内部冷却水采取逆流形式与烟气进行热交换，烟气换热后经收口烟道流入吸收塔。低温省煤器的具体结构尺寸参数见表1。

图1 低温省煤器烟道结构布置

表1 低温省煤器结构尺寸参数

2 振动原因分析

造成低温省煤器烟道振动的原因[3-5]可能为：(1)烟气流过换热管时形成卡门漩涡，烟气横向冲刷过程中卡门漩涡以一定的周期脱落。漩涡脱落将产生周期性的流体力，使换热管在与烟气流动方向相垂直的方向上产生激振。该激振频率与烟道声学频率接近时，烟道内就会产生共振并发出噪声。(2)在节径比较小的密排管束中，换热管成为破涡器，使周期性的漩涡衰减并演变成为湍流漩涡。湍流诱发的抖振有一个非常宽的频带，当频带中的频率与烟道声学频率相近时，烟道便会发生大幅度的振动。(3)换热管的抖振会改变与其相邻管子周围的流场，使流场呈非对称振荡变化，流体力也随之变化。变化的流体力使附近的换热管也发生抖振，换热管的抖振又反过来改变流体力。这种流体力与弹性位移之间相互作用产生的振动即为流体弹性激振。在流体弹性激振的作用下，换热管将产生大幅度振动。

基于上述原因，预防低温省煤器烟道振动应重点考察卡门漩涡频率、湍流抖振主频率是否与烟道声学频率接近；同时，应注意烟气横流速度是否达到产生流体弹性激振的临界值。

管排绕流漩涡的脱落频率，即卡门漩涡频率的计算公式[6-7]为：

(1)

式中：fa为卡门漩涡频率，Hz；v为气流速度，m/s；Sr为斯特劳哈尔数；D为换热管外径，m。

Owen利用气体横向流过管束的实验结果提出了计算湍流抖振主频率的经验公式[8]，即

(2)

式中：ft为湍流抖振主频率，Hz；L为换热管纵向节距，m；T为换热管横向节距，m。

当烟气横向流过换热管束时，可能产生一个既垂直于换热管又垂直于烟气流向的声学驻波。当低温省煤器烟道满足驻波发生的条件时，相应的烟道声学频率理论计算式[9-10]为：

(3)

式中：fv为烟道声学频率，Hz；n为波的阶次；c为烟气声速，m/s；W为空腔的宽度，m。

当管束发生流体弹性激振时，临界速度通常利用Connors提出的半经验关联式[11]进行计算，即

(4)

式中：vc为流体弹性激振临界速度，m/s；m为包括流体附加质量在内单位长度管子的质量，kg/m；ρ为管外流体的密度，kg/m3；δ为换热管的对数衰减率；K为经验系数。

根据卡门漩涡频率、湍流抖振主频率及流体弹性激振临界速度的计算公式可知，烟气流速是分析烟道振动的重要参数。然而，烟道内烟气流动存在不均匀性，流速的偏差将导致运行参数偏离设计值，落入烟道振动的诱发区间。因此，提高烟道内烟气流动的均匀性亦为预防烟道振动的有效措施。

气流分布均匀性通常采用相对标准偏差作为评定参数，相对标准偏差的定义式[12-13]为：

(5)

(6)

表2为低温省煤器烟道振动参数的计算结果。由表2可知：低温省煤器设计存在缺陷，烟气体积流量设计值为80 000 m3/h，与实际值(120 000 m3/h)存在较大差距。在设计条件下，卡门漩涡频率为83.9 Hz，湍流抖振主频率为61.7 Hz，均未落入发生声学共振的一阶、二阶的频率区间(0.6fv，1.4fv)[14-15]。另一方面，流体弹性激振临界速度为10.0 m/s，远大于设计横流速度(6.4 m/s)，因此弹性激振并不会引起明显的振动。而在实际运行条件下，由于烟气量的大幅度增加，此时卡门漩涡频率为125.8 Hz，湍流抖振主频率为92.6 Hz。卡门漩涡频率落在了一阶声学共振频率区间内，烟道由此发生共振，此处振动的主因即为一阶声学频率共振。此外，由于入口烟气流速的不均匀性，导致局部区域的横流速度超过流体弹性激振临界速度，进而加重低温省煤器烟道的共振。

表2 低温省煤器烟道振动参数

3 消振措施与效果

针对低温省煤器烟道的振动现象，结合烟道振动的影响因素和机理，提出了以下消振措施。

3.1 外部加强措施

在顶部底板横向加肋，将换热器振动限制在可接受的范围内。目前的肋间距为1 m，计划将肋间距控制在0.5 m。

3.2 防振板改造措施

原换热器高度方向的防振板布置为3腔6块，每个腔室布置2块，特征长度为1 m。防振板材料为2205不锈钢板，焊接于支撑管上，故不考虑调整其位置。随着防振板数量的增加，低温省煤器烟道的一阶声学频率逐渐增大(见表3)。当防振板数量为4时，一阶声学频率达到312.6 Hz，其声学共振频率区间的下限也相应上升至187.6 Hz，大幅度偏离了实际运行时125.8 Hz的卡门漩涡频率，进而避免烟道共振的发生。同时，流体弹性激振发生的临界横流速度也进一步提升至16.1 m/s，可以预防流场不均匀引起的流体弹性激振，避免烟道大幅度振动。为了留有一定的工程裕度，在每个腔室内新增3块聚四氟乙烯(PTFE)防振板。增加防振板后，每个腔室布置5块防振板，特征长度降到0.5 m。新增防振板为PTFE材质，固定采用316L的卡箍。在新增的防振板进出口处，焊接2根支撑管作为卡箍的固定点，固定完成后卡箍螺母用电焊焊接。由于材质相当，焊接不会对换热管产生破坏。

表3 消振改造后低温省煤器振动参数计算

3.3 设备支点调整措施

原换热器在入口中间位置2点固定，膨胀方向向后，但后侧到膨胀节位置又隔有汇总风箱和变径烟道。因此，将固定点调整为换热器出口侧，膨胀方向向前，让引风机出口的膨胀节消化膨胀量。

3.4 入口导流措施

入口烟气流场的不均匀将引起局部流速过高而超过流体弹性激振的临界流速，从而导致低温省煤器烟道产生大幅度的振动。不仅如此，不均匀的流速分布会使卡门漩涡频率存在一个较宽的频带，造成卡门漩涡频率落入声学共振频率区间，诱发低温省煤器烟道的共振现象。因此，在低温省煤器入口处布置导流格栅，以此改善入口烟气流场的均匀程度。通过数值模拟手段，对导流格栅加装前后的烟道流场进行了仿真计算，烟道流场的迹线图见图2。

图2 导流格栅加装前后的烟道流场迹线图

由图2可以看出：加装导流格栅后烟道大小头和低温省煤器区域的大涡流得到消除，流场均匀性得到改善。导流格栅加装后，入口烟气的均匀性系数从原来的0.55以上降低至0.28以下，流速分布已较为均匀。

经过上述4项改造后，再次起炉后低温省煤器烟道的异常振动和伴随的低沉声响得以彻底消除，保障了烟气余热回收系统的安全稳定运行。

4 结语

针对低温省煤器烟道异常振动现象，从卡门漩涡频率、湍流抖振主频率及流体弹性激振临界流速3个方面进行了理论分析，并制定消除振动的措施，所得结论如下：

(1)由于实际运行烟气量远超设计值，使得卡门漩涡频率大幅度增加后，落入发生声学共振的频率区间，从而造成低温省煤器烟道发生共振。

(2)随着防振板数量的增加，一阶、二阶声学频率逐渐升高，声学共振频率区间下限得以提升，由此可避开相近的卡门漩涡频率，防止低温省煤器烟道共振的发生。

(3)入口流场的不均匀性可能导致局部流体弹性激振和卡门漩涡频率宽频共振，因此改善入口流场均匀性具有消除共振的作用。加装导流格栅后，入口流场均匀性系数从0.55以上降低至0.28以下，流场均匀性得到明显改善。

(4)采取减小肋间距、增加防振板调整设备支点及加装导流格栅的消振改造措施后，低温省煤器烟道的异常振动和伴随的低沉声响得以彻底消除。