鍋爐尾部煙道振動(dòng)原因分析及處理

樓 杰，蔣建偉

(廣東粵電靖海發(fā)電有限公司，廣東 揭陽 515223)

0 引言

某電廠600 MW機(jī)組，鍋爐為東方鍋爐廠生產(chǎn)的DG1900/25.4－П2型超臨界參數(shù)變壓直流爐，一次再熱、單爐膛、雙尾部煙道、平衡通風(fēng)、露天布置、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架、全懸吊結(jié)構(gòu)Π型鍋爐。鍋爐主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 鍋爐主要技術(shù)參數(shù)

1 尾部煙道振動(dòng)情況

2號鍋爐從2009年6月大修后，開始發(fā)生尾部煙道振動(dòng)情況。振動(dòng)主要發(fā)生在尾部后煙道省煤器和低溫再熱器區(qū)域，標(biāo)高44～58 m(如圖1灰色區(qū)域所示)，發(fā)生振動(dòng)時(shí)，尾部煙道可聽到類似拖拉機(jī)馬達(dá)低沉的轟鳴聲。經(jīng)現(xiàn)場試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)振動(dòng)情況跟負(fù)荷有關(guān)，振動(dòng)主要發(fā)生在600 MW負(fù)荷下，其余負(fù)荷未見明顯振動(dòng)。在600MW負(fù)荷下，振動(dòng)又與煙氣擋板的開度有關(guān)，再熱器煙氣擋板開度30%～35%，以及45%～70%的區(qū)間范圍內(nèi)，尾部煙道都會(huì)發(fā)生振動(dòng)，其中，當(dāng)再熱器煙氣擋板開度在32%和55%兩個(gè)位置時(shí)，振動(dòng)最為劇烈。

圖1 2號鍋爐尾部煙道振動(dòng)發(fā)生區(qū)域示意圖

為了確認(rèn)振源，保持600 MW負(fù)荷，手動(dòng)改變過熱器、再熱器煙氣擋板門的開度，利用動(dòng)平衡儀的測振功能，對尾部煙道的振動(dòng)頻率進(jìn)行了測量。經(jīng)試驗(yàn)和測量，發(fā)現(xiàn)振動(dòng)發(fā)生在省煤器區(qū)域，而且主要發(fā)生在再熱器煙氣擋板門開度為30%～35%以及45%～70%兩個(gè)區(qū)間，其中以32%和55%兩個(gè)開度振幅最大，分別為 342.5 μm 和 368.8 μm。發(fā)生振動(dòng)的同一個(gè)區(qū)間內(nèi)，振動(dòng)頻率一致，分別為31.25 Hz和25.25 Hz。而再熱擋板開度在這兩個(gè)區(qū)間之外，不會(huì)發(fā)生明顯的振動(dòng)。測量結(jié)果如表2。

表2 尾部煙道振動(dòng)測量結(jié)果

擋板門開度的改變，主要是引起了煙氣流速的改變，由此推斷振動(dòng)與煙氣流速有關(guān)。

2 振動(dòng)原因分析

經(jīng)過查閱相關(guān)資料和計(jì)算，可以確定該鍋爐尾部煙道振動(dòng)的是由聲學(xué)共振引起。

2.1 煙道聲學(xué)共振機(jī)理

(1)卡門渦流(見圖2):煙氣流經(jīng)一個(gè)圓柱型管子的前緣時(shí)，煙氣受到阻滯，按伯努力定理，其動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫δ埽谇熬壐浇纬闪烁邏簠^(qū)，促使緊貼圓柱體表面的附面層向后側(cè)延伸。在管子最寬截面處的附近，氣流附面層從管子表面的兩側(cè)脫開，并形成兩個(gè)在流動(dòng)中向尾部拖拽的剪切層。因?yàn)樽杂杉羟袑拥淖顑?nèi)層比最外層行移動(dòng)要慢得多，于是在尾流中就形成了一個(gè)規(guī)則的旋渦流動(dòng)。當(dāng)旋渦交替產(chǎn)生脫落時(shí)，其兩側(cè)的流體流速和靜壓是不同的。旋渦形成與長大的一側(cè)流速慢，靜壓高，而另一側(cè)由于流速快，靜壓較低，因此在靜壓較高的一側(cè)產(chǎn)生了一個(gè)垂直于流向的推力。由于旋渦交替從兩側(cè)脫落，在管子上就激發(fā)起周期性的力，使管子在與煙氣流動(dòng)方向相垂直的方向上產(chǎn)生激振。上面所說的旋渦脫落頻率就是卡門渦流頻率。

圖2 卡門渦流示意圖

(2)煙道駐波:周期和振幅相同的波相相對進(jìn)行，互相干涉，形成所謂駐波。當(dāng)?shù)兔芏鹊牧黧w穩(wěn)定地橫向流過管束時(shí)，可能產(chǎn)生一個(gè)既垂直于管子又垂直于流動(dòng)方向的聲學(xué)駐波，尾部煙道滿足駐波發(fā)生條件。駐波是一種縱波，波的傳遞速度與駐波所在介質(zhì)的聲速相同。由于煙道內(nèi)的聲波可以與反射回來的聲波疊加，因此，煙道的駐波有N階，N=1，2，3…，也稱 N 次諧波。

(3)聲學(xué)共振的判定:當(dāng)卡門渦流頻率與煙道某階諧波頻率之比為0.8≤K≤1.2，也就是頻率相差不超過20%時(shí)，就可以引發(fā)聲學(xué)共振。

2.2 頻率計(jì)算和驗(yàn)證

根據(jù)卡門渦流頻率公式、駐波公式、鍋爐熱力計(jì)算書、鍋爐說明書，對上述頻率進(jìn)行了計(jì)算。

(1)卡門渦流頻率計(jì)算

管排橫向繞流旋渦的脫落頻率(卡門渦流頻率)的計(jì)算公式為fs=SU/D

式中，S為斯特勞哈數(shù)，可以順列管子的縱向橫向節(jié)距比，從圖3中查得;U為氣流速度，m/s;D為管子外徑，m。

圖3 順列管排中管子縱向橫向節(jié)距比與斯特羅哈數(shù)的關(guān)系曲線

(2)煙道駐波頻率計(jì)算

煙道駐波頻率通用計(jì)算公式中，假如存在駐波，則其波長和煙道凈寬W之間必然有一定的關(guān)系，基本波(1階諧波)波長是煙道凈寬的兩倍;2階諧波中，波長等于煙道凈寬;3階諧波的波長為凈寬的2/3……。

駐波頻率計(jì)算公式為f=nC/2W

式中，C為某一溫度下煙氣介質(zhì)中的聲速;n=1，2，3……;W為煙道寬。

表3 惠來電廠2號鍋爐省煤器煙道駐波計(jì)算數(shù)據(jù)

從表3計(jì)算結(jié)果可以看出:600 MW負(fù)荷時(shí)，省煤器入口卡門渦流頻率與省煤器出口3階駐波頻率之比值為0.96;省煤器出口卡門渦流頻率與省煤器進(jìn)口2階駐波頻率之比為1.08，兩個(gè)比值均在0.8～1.2范圍內(nèi)，且很接近1，因此從理論上可以判斷，振動(dòng)是由于聲學(xué)共振引起。而現(xiàn)場實(shí)測的煙道振動(dòng)頻率 25.25 Hz、31.25 Hz分別與計(jì)算出來的出口 3階和入口2階駐波頻率非常接近，又進(jìn)一步證明了前面計(jì)算結(jié)果是正確的，由此斷定，2號爐尾部煙道的振動(dòng)是由于聲學(xué)共振引起。

3 振動(dòng)處理

解決該類聲學(xué)振動(dòng)常用的方法是在煙道內(nèi)裝設(shè)消除共振的隔板。根據(jù)機(jī)械工程手冊，煙道內(nèi)加裝隔板的依據(jù)如表4。

表4 煙道加裝隔板依據(jù)

另外，考慮到:①三次諧波的頻率為煙道寬度的2/3;②根據(jù)東方鍋爐廠的經(jīng)驗(yàn)，在寬度小于6.7 m的煙道中幾乎未發(fā)生過振動(dòng)案例。基于以上兩點(diǎn)，最后決定采取比機(jī)械工程手冊多一列隔板，即5列防振隔板的方案，防振隔板由東方鍋爐廠設(shè)計(jì)制造。

由于尾部煙道分為前后兩個(gè)煙道，每個(gè)煙道受熱面又分為上、中、下三層。因此采取了加裝5×3×2共30塊隔板的方案。圖4是防振隔板和安裝位置的示意圖。隔板的位置避開煙道寬度2/3節(jié)距位置，左右隔板呈不對稱布置。

2011年2—3月，利用2號爐B級檢修機(jī)會(huì)，該電廠將防振隔板進(jìn)行了安裝。

4 防振效果檢驗(yàn)

該鍋爐B級檢修后開機(jī)運(yùn)行至今，鍋爐尾部煙道未再發(fā)生振動(dòng)現(xiàn)象。為了檢驗(yàn)防振效果，再次到現(xiàn)場進(jìn)行了振動(dòng)測量。測量結(jié)果如表5。

圖4 防振隔板安裝位置示意圖

表5 尾部煙道振動(dòng)測量結(jié)果

結(jié)果表明，防振隔板加裝后，尾部煙道已不再有振動(dòng)現(xiàn)象。

5 結(jié)論

關(guān)于鍋爐尾部煙道振動(dòng)問題，可以得出以下結(jié)論。

(1)該鍋爐尾部煙道的振動(dòng)頻率在22.25 Hz和31.25 Hz，振動(dòng)的原因?yàn)槭∶浩鞴芘诺目ㄩT渦流脫硫頻率與尾部煙道的2階、3階諧波頻率非常接近從而引發(fā)了聲學(xué)共振。

(2)實(shí)踐證明，消除振動(dòng)的有效方法之一是在尾部煙道加裝防震隔板。加裝隔板后，煙道被分隔為若干個(gè)小區(qū)域，每個(gè)區(qū)域越小時(shí)，其駐波頻率越大，當(dāng)其最小的駐波頻率都比卡門渦流的脫落頻率大得多時(shí)，就可以完全避免共振的發(fā)生。

(3)該鍋爐安裝的防振隔板共30塊，總重約10 t，耗材并不多。在檢修期間安裝，由于零件較多，檢修空間受限，安裝相對比較困難。建議類似型號參數(shù)的鍋爐在出廠時(shí)設(shè)計(jì)好防振隔板，受熱面安裝時(shí)直接裝上。

［1］魏新華.大型電站鍋爐尾部煙道的聲學(xué)振動(dòng)［J］.鍋爐技術(shù)，1993(1):1－10.

［2］柴錫強(qiáng)，熊建國，朱云水.鍋爐尾部煙道振動(dòng)原因分析及對策［J］.浙江電力，2004(6):6 －9.

［3］趙建新.電廠鍋爐尾部煙道振動(dòng)分析［J］.現(xiàn)代電力，2009，26(5):49 －51.

［4］董琨.卡門渦流對電站鍋爐安全性的影響及治理措施［J］.熱力發(fā)電，2008，37(10):31 －34.