焦化加熱爐空氣預(yù)熱器振動及減振

顏祥富，侯杰，龍運(yùn)國

(岳陽長嶺設(shè)備研究所有限公司，湖南岳陽 414000)

1 基本情況

焦化裝置加熱爐因工藝原因，對流出口溫度較高，一般為350℃～380℃，如采用單一的熱管空氣預(yù)熱器往往會因煙氣溫度較高，熱管傳熱元件容易失效；為了克服熱管傳熱元件高溫容易失效的問題，并利用熱管傳熱元件低溫運(yùn)行的某些優(yōu)良特性，在某160萬t/年的焦化裝置加熱爐的余熱回收系統(tǒng)空氣預(yù)熱器的設(shè)計(jì)中，采用了擾流子+熱管組合式空氣預(yù)熱器模式[1]，對焦化加熱爐煙氣中的余熱進(jìn)行回收，并確保加熱爐能高效、長周期安全運(yùn)行。

該預(yù)熱器煙氣高溫部分（400℃～265℃段）設(shè)計(jì)為擾流子空氣預(yù)熱器，空氣走管內(nèi)、煙氣走管外，由于溫降較大，擾流子預(yù)熱器采用雙程；低溫部分（265℃～113℃）設(shè)計(jì)為熱管空氣預(yù)熱器，見圖1所示。該預(yù)熱器在竣工后試車時(shí)發(fā)現(xiàn)預(yù)熱器存在強(qiáng)振故障。為此，對該預(yù)熱器產(chǎn)生強(qiáng)振的原因進(jìn)行分析，并采用了相應(yīng)的措施進(jìn)行處理，最終消除了強(qiáng)振，恢復(fù)了預(yù)熱器的正常運(yùn)行。

圖1 預(yù)熱器煙、空氣流程示意圖Fig.1 The preheater flue gas,air flow diagram

2 預(yù)熱器振動原因分析及處理

2.1 預(yù)熱器振動原因分析

在預(yù)熱器的試運(yùn)行過程中，先后開啟鼓風(fēng)機(jī)和引煙機(jī)，調(diào)整通過空氣預(yù)熱器煙氣側(cè)的風(fēng)量在較小水平（余熱回收系統(tǒng)中擋板蝶閥全部全開，引煙機(jī)的轉(zhuǎn)速在43%以下），此時(shí)無異常振動和噪聲產(chǎn)生。逐漸加大鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)量直至接近極限，并無明顯振動和噪聲產(chǎn)生，因此，認(rèn)為振動原因主要在煙氣側(cè)。

然后再調(diào)整引煙機(jī)，當(dāng)引煙機(jī)轉(zhuǎn)速超過44%的時(shí)候，空預(yù)器開始共振，而且風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速越高振動越大。當(dāng)引煙機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到55%時(shí)，振動變成間歇式，發(fā)喘。為防止共振損害設(shè)備，遂停止試車。該振動從擾流子預(yù)熱器處產(chǎn)生，往下傳。此處所產(chǎn)生振動為低頻振動，聲音較大，發(fā)悶，聽起來人心發(fā)慌。試車中，在空預(yù)器煙氣出口后硬連接的煙道上取一振動較大位置做振動測量點(diǎn)，振動烈度最大達(dá)12.3 mm/s。

因此，通過現(xiàn)場觀察分析認(rèn)為，該振動產(chǎn)生的原因?yàn)楣苁娇諝忸A(yù)熱器中，當(dāng)氣流橫向繞流管束時(shí)，卡門渦流的交替脫落會引起風(fēng)聲響效應(yīng)，因?yàn)榭ㄩT渦流的交替脫落會引起空氣預(yù)熱器中氣柱的振動。當(dāng)漩渦的脫落頻率（fK）與管箱的聲學(xué)駐波振動頻率（或稱氣室固有頻率fK）接近或一致時(shí)，會誘發(fā)強(qiáng)烈的管箱聲學(xué)駐波振動，造成空氣預(yù)熱器管箱的共振[2]，同時(shí)伴有較大的噪聲。

式中

St——斯特羅哈數(shù)（反映管子排列方式、管子結(jié)構(gòu)的特性參數(shù)）

V——空氣進(jìn)入空預(yù)器速度（m/s）D——管子的直徑（m）

式中

n——諧波的階次（n=1，2，3，）L——?dú)馐覍挾龋╩）

C——聲速（m/s）

因燃料的成分、燃燒特性和漏風(fēng)系數(shù)直接影響聲速的計(jì)算，所以無法精確計(jì)算煙氣中的聲速，對于一般的工程計(jì)算用下面的經(jīng)驗(yàn)公式求解。

式中T——?dú)饬髌骄鶞囟龋↘）

漩渦脫離的頻率和管箱中存在的某階駐波頻率相差不大，則可能激發(fā)該階駐波，一般以下式作為能否激起某階駐波的判據(jù)。

管式空氣預(yù)熱器的聲學(xué)共振過程是加熱爐升負(fù)荷時(shí)，卡門渦流頻率逐漸接近于氣室固有頻率，首先在加熱爐低負(fù)荷時(shí)可能重合，由于激發(fā)能還不足以產(chǎn)生強(qiáng)烈的振動，隨著加熱爐負(fù)荷的增加，使空氣預(yù)熱器產(chǎn)生強(qiáng)烈的振動，并發(fā)出噪聲，導(dǎo)致于設(shè)備疲勞破壞和加熱爐被迫被迫降負(fù)荷運(yùn)行。由于氣流振動是多階次的，卡門渦流頻率和氣室固有頻率可能在一次階波上重合，也可能在較高階波上重合。表1為空氣預(yù)熱器的性能參數(shù)

可以看出，高溫部分（擾流子預(yù)熱器）卡門渦流頻率和氣室固有頻率在二次階波上重合，所以產(chǎn)生強(qiáng)振動，低溫部分卡門渦流頻率和氣室固有頻率相差較大，不會發(fā)生振動。因此，高溫預(yù)熱器擾流子管的卡門渦流是預(yù)熱器產(chǎn)生強(qiáng)振的主要原因。

2.2 改造措施實(shí)施及效果

根據(jù)前面對振動產(chǎn)生原因的分析，管式空氣預(yù)熱器的聲學(xué)共振的消除方法一般有下述三種[3]

(1)圓管改為流線型或螺旋肋片式管子，消除卡門渦流效應(yīng)；

(2)改變管子節(jié)距，使S t系數(shù)增或減，從而改變卡門渦流頻率；

表1 空氣預(yù)熱器性能參數(shù)Tab.1 Air preheater performance parameters

(3)提高氣室固有頻率，加裝消振隔板將氣室分成幾個(gè)空腔，提高振風(fēng)量，避免聲學(xué)共振。

以上三種方法，在預(yù)熱器已經(jīng)安裝完畢情況下情況下方法一和方法二都無法實(shí)施。第三種方法，只需順著煙氣流的方向增加縱向隔板，施工起來相對簡單。

后按方法三對該空預(yù)器進(jìn)行了避振改造。改造措施如下：在擾流子預(yù)熱器內(nèi)將縱向兩列擾流管拆除，然后在空間內(nèi)設(shè)置消振兩組隔板，沿?fù)Q熱管方向?qū)_流子預(yù)熱器從上至下貫通均等分成3個(gè)氣室（相當(dāng)于減小氣室寬度）。此措施目的為提高氣室固有頻率，提高振風(fēng)量，避免聲學(xué)共振。在空預(yù)器煙氣入口的天圓地方內(nèi)設(shè)置導(dǎo)流板三塊，以使進(jìn)入空預(yù)器的風(fēng)速更加均勻，降低局部風(fēng)速。

高溫入口處：f1=218.7 Hz；fK1=123.9 Hz；

高溫出口處：f1=200.8 Hz；fK2=104.1 Hz；

可以看出，改造后理論上卡門渦流頻率和氣室固有頻率不會重合。

避振改造后的空預(yù)器冷空氣試車具體情況如下：控制爐內(nèi)負(fù)壓在20 Pa左右。煙道上的兩手動擋板及自動蝶閥全開。當(dāng)引煙機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到43%的時(shí)候，空預(yù)器出現(xiàn)共振，煙氣出口壁板振動明顯加大。但振動和噪聲與改造前試車相比有了明顯改善，估計(jì)只有改造前的1/3。當(dāng)引煙機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到53%的時(shí)候，空預(yù)器共振聲音開始減小，當(dāng)引煙機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到57%，共振聲音及振動顯著減小，恢復(fù)到煙機(jī)低速運(yùn)行時(shí)的良好情況。引煙機(jī)轉(zhuǎn)速上升至100%，空預(yù)器均正常。在同振動測量點(diǎn)上測量，振動烈度最大為6 mm/s。

前面兩次試車采用的都是冷空氣，而熱煙氣與冷空氣的成分和聲學(xué)性能有所不同，從本空預(yù)器產(chǎn)生共振的機(jī)理上來分析，熱煙氣更有利于避開共振。后該裝置開工后，隨加熱爐負(fù)荷的增加，預(yù)熱器曾出現(xiàn)了3 s左右短暫的共振現(xiàn)象，振動和噪聲較小，共振時(shí)振動烈度不超過為4 mm/s。

表2 加裝隔板后空氣預(yù)熱器性能參數(shù)Tab.2 Air preheater performance parameters after the installation of partitions

3 結(jié)語

擾流管外存在的卡門渦流所引發(fā)的共振，是本預(yù)熱器產(chǎn)生強(qiáng)振的主要原因。要避免預(yù)熱器產(chǎn)生共振，必須改變傳熱管的卡門渦流頻率，使之與氣室固有頻率不重合；通過現(xiàn)場的改造處理，消除了共振現(xiàn)象，恢復(fù)了正常的運(yùn)行。

在余熱回收預(yù)熱器的設(shè)計(jì)中越來越多地采用這類組合式空氣預(yù)熱器。因此，要密切關(guān)注傳熱管外卡門渦流所引發(fā)預(yù)熱器共振，通過改變傳熱管的結(jié)構(gòu)、尺寸或預(yù)熱器空腔的結(jié)構(gòu)或尺寸來改變傳熱管或空腔的固有頻率，避免或消除卡門渦流引發(fā)共振對預(yù)熱器運(yùn)行的影響，確保煉化加熱爐高效、長期安全穩(wěn)定運(yùn)行。

[1]龍運(yùn)國，周麗純.擾流子與熱管組合式預(yù)熱器的應(yīng)用[J].廣東化工，2011，（08）.

[2]電站鍋爐空氣預(yù)熱器[M].中國電力出版社，2002.

[3]揭釗.管式空氣預(yù)熱器振動原因分析及其處理方案[J].大眾科技 2006，（02）.