鍋爐煙道系統(tǒng)強(qiáng)振問題的分析和治理

謝 民

(華菱湘潭鋼鐵有限公司，湖南 湘潭 411101)

1.前言

湘潭鋼鐵有限公司動力廠2#鍋爐型號：JG-130/3.82-Q，額定負(fù)荷為130t/h。它的煙氣由甲、乙兩臺引風(fēng)機(jī)(引風(fēng)機(jī)型號：Y4-73-11-20D，額定轉(zhuǎn)速998r/min)送入2#、4#、5#鍋爐的集合煙道，再由分別位于集合煙道兩端的1#、2#煙囪排出。

當(dāng)2#鍋爐負(fù)荷<90t/h時，只需開一臺引風(fēng)機(jī)，則煙道系統(tǒng)振動正常。當(dāng)2#鍋爐運(yùn)行負(fù)荷＞90t/h時，甲、乙兩臺引風(fēng)機(jī)必須同時運(yùn)行，此時引風(fēng)機(jī)及煙道振動較大，甲引風(fēng)機(jī)風(fēng)門開40%、乙引風(fēng)機(jī)風(fēng)門開60%以上時，肉眼可見管道有大幅擺動，多處煙道保溫和耐火磚脫落，操作人員對引風(fēng)機(jī)擋板開度及鍋爐的運(yùn)行方式進(jìn)行調(diào)整，效果不明顯，對系統(tǒng)的安全運(yùn)行構(gòu)成巨大威脅。

由于煙道系統(tǒng)振動嚴(yán)重超標(biāo)，2#鍋爐一般均只能低負(fù)荷運(yùn)行，嚴(yán)重影響生產(chǎn)和節(jié)能降耗，因此急需進(jìn)行振動治理。

2.振動測試內(nèi)容及數(shù)據(jù)特點(diǎn)分析

(1)振動測試內(nèi)容。

①各工況下引風(fēng)機(jī)及煙道系統(tǒng)不同部位振動幅值測試和評價。

②各工況下引風(fēng)機(jī)及煙道系統(tǒng)不同部位振動頻譜分析及故障診斷。

③引風(fēng)機(jī)及煙道系統(tǒng)不同部位固有頻率的測試。

(2)煙道系統(tǒng)布置圖及振動測點(diǎn)示意圖如圖1所示。

(3)振動測試工況及數(shù)據(jù)列表。

①振動測試。測試時，維持1#、4#、5#鍋爐及其引風(fēng)機(jī)工況不變。2#鍋爐及引風(fēng)機(jī)分為7個工況來進(jìn)行，在每個工況下進(jìn)行以上的測試內(nèi)容，7個工況振動數(shù)據(jù)如表1所示。

圖1 煙道系統(tǒng)布置圖及振動測點(diǎn)示意圖

表1 煙道振動值(只列出振幅大的位置) /μm

②煙道測點(diǎn)固有頻率測試。

鍋爐停爐時,在風(fēng)機(jī)停止運(yùn)行的情況下，采用敲擊法分別對煙道幾處振動較大位置的固有頻率進(jìn)行了測量，結(jié)果如表2所示。

表2 煙道各部分固有頻率

3.振動數(shù)據(jù)特點(diǎn)分析

⑴單開2#鍋爐兩臺引風(fēng)機(jī)中的一臺時(工況1～4)，煙道系統(tǒng)振動相對較小。

⑵2#鍋爐甲乙風(fēng)機(jī)同時運(yùn)行時(工況5～7)，煙道系統(tǒng)振動較強(qiáng)烈，尤其是在煙道接口處及拐彎處，振動相比其他處較強(qiáng)烈，且可以明顯看到保溫護(hù)板在振動。

⑶單開甲引風(fēng)機(jī)時，煙道的振動頻率成分主要為8.21Hz,幅值較小。

工況1測點(diǎn)1的振動頻譜如圖2所示。

圖2 工況1測點(diǎn)1的頻譜

(4)單開乙引風(fēng)機(jī)時，煙道振動頻率成分主要為8.08 Hz、16.54Hz(引風(fēng)機(jī)工頻)，當(dāng)乙引風(fēng)機(jī)開度為100%時，還伴隨著其他低頻成分。工況2測點(diǎn)3的頻譜如圖3所示。

圖3 工況2測點(diǎn)3的頻譜

(5)兩引風(fēng)機(jī)同時運(yùn)行時工況6時9點(diǎn)最大達(dá)6200μm，此時頻譜圖如圖4所示。煙道的振動頻率成分主要為10.34Hz。

圖4 工況6測點(diǎn)9的頻譜圖

從以上試驗測試結(jié)果可以看出：①風(fēng)機(jī)及風(fēng)道的振動主要頻率成分主要為8.08Hz(單開乙引風(fēng)機(jī))、8.21Hz(單開甲引風(fēng)機(jī))、10.34Hz(甲乙風(fēng)機(jī)同開)、16.54Hz(引風(fēng)機(jī)工頻)；②煙道振動已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過相關(guān)振動標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，不宜長期運(yùn)行，必須進(jìn)行振動治理。

4.振動原因分析

(1)氣流分布不均勻誘發(fā)氣柱共振。

煙道系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在引風(fēng)機(jī)進(jìn)、出口煙道存在多個變截面通道及彎頭，如從2#鍋爐尾部出來的煙道先經(jīng)三叉接口將煙氣分為兩部分分別進(jìn)入兩臺引風(fēng)機(jī)，且在進(jìn)入引風(fēng)機(jī)前經(jīng)過了一個90°的大拐角錐形喇叭口形彎頭，在引風(fēng)機(jī)出口與進(jìn)入煙囪的煙道連接段，有一個135°彎頭，有一個變截面的擴(kuò)張管接頭。2#～5#鍋爐煙道系統(tǒng)將幾臺鍋爐的煙道并在了一起，即2#、4#、5#鍋爐的煙氣分別由引風(fēng)機(jī)引出后進(jìn)入煙氣母管，再從煙氣母管兩端分別進(jìn)入1#、2#煙囪排入大氣。其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)和氣流的分布不均勻，極易造成氣流產(chǎn)生脈動，在甲乙風(fēng)機(jī)同開和一定工況下，煙道內(nèi)氣流的渦動頻率與煙道氣柱的固有頻率(10.34Hz)接近，發(fā)生了氣柱共振。

氣流的渦動是多方面的因素造成的：第一，主最要的方面在煙道內(nèi)，流體來自不同方向，流體之間相互混合，產(chǎn)生了渦流形成旋渦；第二，風(fēng)機(jī)入口導(dǎo)流器后面的二次流誘發(fā)振動。由于引風(fēng)機(jī)入口導(dǎo)流器設(shè)計不合理，會在導(dǎo)流器后面形成二次流，二次流是一種附加于主流運(yùn)動之上的同主流方向相垂直的流動，形成二次流的旋渦強(qiáng)度都比較高。二次流的特點(diǎn)是沒有單一的脈動頻率，且脈動頻率不固定，隨流量而變，其脈動強(qiáng)度在流量為風(fēng)機(jī)最大流量的50%左右時最大(工況5和6)；第三，風(fēng)機(jī)出口煙道進(jìn)入主煙道時，由于煙道截面積的改變和流體方向的改變，形成旋渦；第四，風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)脫流誘發(fā)振動。從兩臺引風(fēng)機(jī)熱態(tài)振動試驗結(jié)果看，煙道系統(tǒng)振動與煙氣流量有密切的關(guān)系。當(dāng)引風(fēng)機(jī)進(jìn)口擋板開度在小于40%范圍內(nèi)時，引風(fēng)機(jī)和煙道系統(tǒng)振動很大，振動主要頻率為10Hz左右，當(dāng)擋板開度大于60%以上避開了旋轉(zhuǎn)脫流工況區(qū)后，氣流變得相對平穩(wěn)，煙道振動大幅度降低。說明在進(jìn)口擋板開度較小時，引風(fēng)機(jī)主要存在旋轉(zhuǎn)脫流現(xiàn)象。同時，其結(jié)構(gòu)(變截面、支撐架及彎頭)引起氣流不均勻也是引起振動的原因。

⑵測試系統(tǒng)固有頻率表明它遠(yuǎn)離氣體的氣柱固有頻率，不會發(fā)生系統(tǒng)結(jié)構(gòu)共振。

⑶由于煙道局部剛度不佳在一定程度上放大了煙道的振動。

5.治理方案

根據(jù)振動原因分析，鍋爐煙道系統(tǒng)強(qiáng)振的治理，將從三方面考慮：一是改變氣柱固有頻率；二是減少氣流渦動；三是煙道系統(tǒng)局部加固提高剛度。

⑴引風(fēng)機(jī)治理方案。

圖5 整流器結(jié)構(gòu)圖

①引風(fēng)機(jī)入口煙道加裝整流器。整流器是由空心園管及四周伸出的一些平板組成。整流器的結(jié)構(gòu)和安裝對消振效果和風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀況影響很大，結(jié)構(gòu)如圖5所示。

②引風(fēng)機(jī)入口90°轉(zhuǎn)角增裝弧形板及加固。引風(fēng)機(jī)口煙道90°轉(zhuǎn)彎渦殼處結(jié)構(gòu)復(fù)雜，截面積變化很大，煙氣流動非常不平穩(wěn)，產(chǎn)生了劇烈渦動。因此，在90°轉(zhuǎn)彎處渦殼內(nèi)部截面接合部加焊厚為5mm的小弧型鋼板，以使氣流沿弧線型鋼板流過。同時，在渦殼外部平板面上沿垂直、水平方向加焊規(guī)格100mm的槽鋼和規(guī)格60mm角鋼加固，兩臺引風(fēng)機(jī)進(jìn)口煙道轉(zhuǎn)彎處兩個平面板之間自上而下用4根100mm的槽鋼電焊連接，以增加其剛度、減小振動。

③阻旋板的設(shè)計和安裝。阻旋板采用厚8mm的普通A3鋼板現(xiàn)場制作，阻旋板安裝于引風(fēng)機(jī)入口錐型管前端中心線正下方，阻旋板與前后支撐架及錐型管底部接觸邊兩側(cè)均須滿焊。為提高阻旋板剛性，在阻旋板中部左右兩側(cè)各焊一根φ30mm圓鋼支撐。

④引風(fēng)機(jī)出口設(shè)計加裝導(dǎo)向葉片。由于引風(fēng)機(jī)出口135°擴(kuò)散彎頭及其后面煙道的振動是渦流引起的。該彎頭本身帶有擴(kuò)散角，氣流流經(jīng)彎頭時，既改變流動方向，同時又進(jìn)行擴(kuò)散，導(dǎo)致轉(zhuǎn)彎的近外壁和近內(nèi)壁處及擴(kuò)散管靠近風(fēng)道壁處出現(xiàn)氣流與管壁分離現(xiàn)象，以至形成渦流區(qū)。運(yùn)行中渦流不斷產(chǎn)生并促使煙道振動。

導(dǎo)向葉片由兩片組成，中心角取45°，葉片寬度為2000mm，弧長為1400mm(半徑取1680mm)。

⑤引風(fēng)機(jī)出口斜煙道的加固。在兩臺引風(fēng)機(jī)出口斜煙道第1節(jié)的四周，每一面都用60mm×60mm角鐵成叉型加固，增加出口煙道剛度，從而減小振動。

(2)煙道治理方案。

①導(dǎo)流板的設(shè)計安裝。在煙道系統(tǒng)中的I、J兩個彎道及G、I與J間的直段等處加裝導(dǎo)流板，每處加2塊導(dǎo)流板，導(dǎo)流板側(cè)面進(jìn)行坡口處理后與煙道頂、底兩壁面滿焊，導(dǎo)流板之間采用支撐杠(φ60mm鋼管)加固，以增強(qiáng)葉片剛度，防止其受氣流的影響而變形。導(dǎo)流板迎風(fēng)面打磨圓角，降低氣體的流動阻力。

②煙道系統(tǒng)外側(cè)的加固。由于煙道系統(tǒng)各點(diǎn)在熱態(tài)所測振動頻譜的頻率較低。因此，運(yùn)行中容易被引風(fēng)機(jī)入口導(dǎo)流器后面的二次流激發(fā)振動。對檢測振動較大的部位需進(jìn)行加固處理。在其煙道外側(cè)F、G、I、J等振動大的部位分別沿周向焊若干圈100的槽型鋼，以增加其剛度，減小振動。每兩圈槽型鋼間相距500mm，同時每圈槽型鋼間加焊12根槽型鋼橫梁，高度方向每側(cè)焊4根，頂上焊4根。

③煙道系統(tǒng)內(nèi)側(cè)的加固。內(nèi)部采用“井”形加固方式進(jìn)行支承加固，選用φ60mm鋼管加工成“井”形件焊接于煙道內(nèi)壁，兩支承件間相距約1.5m，共約25個。

6.方案實施及檢測結(jié)果評價

根據(jù)確定的治理方案，進(jìn)行了分步實施。首先在不停爐的情況下進(jìn)行了煙道外部加固的實施，并檢測到F、G、I 3點(diǎn)的振動明顯減小，其他各點(diǎn)的振動狀況變化不大。在2#鍋爐停爐和切斷煙道系統(tǒng)與其它鍋爐聯(lián)系的情況下，對引風(fēng)機(jī)風(fēng)鼓、煙道內(nèi)部進(jìn)行了治理。根據(jù)驗收標(biāo)準(zhǔn)≤500μm，治理完成后對系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)行檢測，煙道系統(tǒng)治理后的最大振動值為450μm(出現(xiàn)在風(fēng)機(jī)入口煙道處)，滿足驗收標(biāo)準(zhǔn)。

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