脱硫塔出口尾部烟道振动的原因分析与治理技术

2023-07-13余仙敏

电力与能源 2023年2期

余仙敏

（北京青山绿野环保科技有限公司，北京 102200）

锅炉烟道的振动和噪声是比较常见而又难以解决的问题之一［1-2］。某热力有限公司因环保原因，需要对3 台供热锅炉进行超低排放改造。在改造工程完成后进行试运行时发现，3 台脱硫塔的尾部烟道均出现了严重的振动和噪声问题。为了降低尾部烟道的振动和噪声，先后对该3 台脱硫塔的尾部烟道进行了多次改造，包括在弯头处进行导流和均流等［3］。然而，由于没有找到尾部烟道发生振动的根本原因，始终未能有效地降低尾部烟道的振动与噪声。

本文首先对该公司3 台脱硫塔尾部烟道的振动进行现场测试分析，通过对烟道内烟气流动的仿真计算，从理论上分析尾部烟道发生振动的机理。在此基础上提出尾部烟道振动和噪声治理的具体方案，并进行现场验证试验，方案验证通过后，再对3 个尾部烟道进行实施应用。

1 尾部烟道振动及其测试分析

1.1 尾部烟道的结构与布置

3 台锅炉经超低排放改造工程后，锅炉的烟气在变频电机驱动的引风机作用下，首先经过脱硫塔脱硫，然后再通过脱硫塔尾部烟道回收余热后由烟囱排出。脱硫塔及其尾部烟道的结构布置如图1 所示。虽然3 台锅炉受到的空间限制不尽相同，但是其尾部烟道的布置基本相似。图1 中，在异形弯头1 处，烟道截面首先由ϕ2 300 mm 的圆形变成2 200 mm×2 200 mm 的正方形，随之又扩大为2 514 mm×4 340 mm 的长方形，同时进行90°转角，以满足冷凝器对截面尺寸的需要。

图1 脱硫塔及尾部烟道示意

1.2 尾部烟道的振动现象

锅炉在超低排放改造工程后投运时，发现在尾部烟道多个部位产生不同程度的振动并伴随着巨大的噪声。以1 号锅炉为例，在设备安装完毕后投入热态运行时，当锅炉负荷达到 50%以上时，脱硫塔出口尾部烟道开始出现振动现象，噪声极大。现场查看发现，在尾部烟道上出现了较大的振动并发出噪声，甚至在烟道外部就能明显感觉到烟气流动的不均匀，疑似烟气在烟道内部打转，局部位置振动很大，特别是在冷凝器前后的异形弯头1 至异形弯头2 之间，包括冷凝器本体。现场试运行发现，当引风机的工作频率增加到26 Hz时，冷凝器前异形弯头1 处的振动速率已经达到了71.3 mm·s-1，噪声已经超过80 dB。

1.3 尾部烟道振动的测试分析

为了制定尾部烟道振动治理方案，需要对其振动产生原因进行深入分析［4-5］。为此，本文对引风机运行在不同变频频率下烟道沿程进行多测点振动信号的采集和频谱分析。现场振动测试分析发现。

（1）随着引风机运行频率的提高，尾部烟道各测点的振动幅度整体上呈现增大的趋势，这是由于引风机运行频率增加，烟道的负荷增大，导致振动幅度增大；

（2）当引风机运行频率增加到24 Hz时，振动幅度突然增大，此后缓慢增大，但是当频率增加到32 Hz时，振动幅度又再次突增，并且伴随巨大的噪声；

（3）尾部烟道各测点振动的主要频率为68～69 Hz 的基频及其谐波频率，且该频率不随引风机运行频率的变化而变化。

引风机在26 Hz 频率运行时异形弯头1 处中间部位烟道竖壁的水平振动加速度波形和频谱如图2 所示。由图2（a）的加速度波形可以看出，在2 s 采样长度上，振动信号是周期平稳信号。由图2（b）的加速度频谱可以看出，振动最大的频率为68 Hz 基频，并伴有多个谐波频率，整体上谐波振动随谐波次数的增加呈减小趋势。

图2 烟道竖壁的水平振动加速度波形和频谱

本文在引风机停机情况下对尾部烟道主要部位进行了结构固有频率的锤击测试。异形弯头1处中间部位烟道竖壁锤击响应加速度的频谱如图3 所示。由图3 可见，尾部烟道竖壁处局部结构的固有频率在68 Hz 左右。由此可见，脱硫塔尾部烟道在冷凝器段出现了局部的结构共振现象。

图3 烟道竖壁水平锤击振动响应的加速度频谱

2 尾部烟道流动仿真与振动机理分析

为了确定68 Hz 频率振动激励的来源，本文首先对原尾部烟道及其改造后烟道的烟气流动状况进行数值仿真分析，然后对烟气流动的频率进行分析，从而对尾部烟道产生振动的机理进行分析。

2.1 尾部烟道流动的仿真分析

首先建立尾部烟道的物理模型，如图4 所示，然后进行单元划分，确定计算的边界条件。烟道的烟气流量为119 000 Nm3·h-1，脱硫塔出口烟气温度为50°C，系统总压降为220 Pa，忽略冷凝器和再热器的阻力。尾部烟道烟气流动的压力分布和速度分布的流线如图5 所示。由图5 可以看出，烟气在两处异形弯头处均出现明显的卡门涡流现象。通过对尾部烟道的几次导流和均流改造，卡门涡流现象虽有所改善，但是并没有消除。因此，烟气在尾部烟道弯头处出现的卡门涡流是激发烟道振动的一个主要原因［6-7］。

图4 尾部烟道的物理模型

图5 尾部烟道烟气流动的压力分布和速度分布流线

2.2 尾部烟道振动机理分析

根据流-固-声耦合振动理论，分析尾部烟道振动时需要考虑的主要因素包括烟气流的涡动频率、烟气流经冷凝器管排的卡门涡流脱落频率、冷凝器管束的固有频率、烟道结构固有频率以及声驻波频率等［8-9］。当烟气流经冷凝器时，在声驻波频率、卡门涡流脱落频率、气流涡动频率、管束固有频率中，有两种或两种以上频率发生耦合时，即可能发生共振。另外，气流分布的不均匀也可能诱发共振。烟气在经过冷凝器前的异形弯头1 的扩张段时，气流分布均匀性较差，特别是在高负荷工况下，当气流的涡动频率与声驻波频率接近时，必然会发生共振。气流涡动的原因是烟道截面积及流动方向发生大的改变，导致流场的紊乱，从而形成涡流区域。另外，当烟道内流速偏差较大时，也会形成漩涡强度较高的二次流。

尾部烟道改造受到狭窄空间的限制［10］，由图1可以看出，因冷凝器换热需要，在异形弯头1 处首先由圆形烟道变为方形烟道，同时烟道尺寸扩大形成大的扩散角度，随之又进行了90°角转向。因此，当气流流过异形弯头1 时，首先烟道具有较大的扩张角，导致烟气在壁面附近形成漩涡；接着烟气又流过90°弯头，根据烟气的流动特性，由于上侧压力低、下侧压力高的现象，所以必然会出现上侧流速高、下侧流速低的情况，从而使气流出现双螺旋流动形式，产生二次流，形成局部涡流区。上述现象可以从图5 的仿真结果得到印证。

声驻波频率计算公式为［11］

式中fa——声驻波频率，Hz；W——两壁面间的距离，m；c——声速，m·s-1；n——声学驻波的阶数，亦即半波倍数。

声速与烟气温度关系如下［12］：

式中T——烟气温度，°C。

由式（1）和式（2）可以计算得到尾部烟道声驻波频率与烟气温度的关系，结果如表1 所示，其中烟道宽度为W=2.514 m。

表1 尾部烟道声驻波频率与烟气温度的关系

由于尾部烟道结构的固有频率在68 Hz 左右，其共振带宽按10%计算为61.2～74.8 Hz，因此第1 阶声驻波的频率处于结构固有频率共振区内，导致尾部烟道发生声驻波频率与结构频率的耦合共振。这与对尾部烟道振动现场测试分析频谱中出现的68 Hz 基频及其各次谐波现象一致。

因此，由于尾部烟气流动产生的声驻波频率落在冷凝器段烟道结构的共振带宽内，当引风机工作频率增加时，烟气流量也随之增大，当烟气漩涡的扰动能量达到一定程度时，烟道就会产生较大幅度的振动并发出巨大噪声。

3 尾部烟道振动治理方案与效果

根据上述计算仿真和分析结果，尾部烟道振动治理的思路应从如何解耦声驻波频率与结构频率耦合共振的问题如乎。优先考虑的方案是调整声驻波频率。根据式（1），声驻波频率fa与烟道宽度成反比，因此可以通过减小烟道宽度的方法来提高声驻波频率，实现声驻波频率与结构频率的解耦。具体方法是在保持尾部烟道的两个异形弯头之间横截面尺寸不变的情况下，通过在两个异形弯头之间沿烟气流动方向增加垂直隔板，将烟道宽度2 514 mm 分割为几个宽度较小的烟道，以提高声驻波频率，使得声驻波既不会发生自共振，又不会与结构频率耦合发生结构共振。

考虑到3 台脱硫塔尾部烟道现场实施的难度，为了确保一次成功有效，并尽可能减少现场改造施工的工作量，在确定最终方案前首先在其中的1 个尾部烟道上进行验证试验。试验结果表明，加装垂直隔板后在引风机的整个变频运行区间，尾部烟道上均未出现大的振动，表明本文确定的振动治理方案是非常有效的。在此验证试验基础上，确定了最终的实施方案，并在3 台脱硫塔尾部烟道上实施，均取得了预期效果。