75t/h CFB鍋爐管式空氣預(yù)熱器振動(dòng)問(wèn)題的分析與處理

宋連華

（濟(jì)南鍋爐集團(tuán)有限公司，濟(jì)南250023）

1 設(shè)備概況

1.1 振動(dòng)情況

一臺(tái)75t/h 次高溫、次高壓CFB鍋爐在某熱電公司168h的試運(yùn)中，當(dāng)負(fù)荷達(dá)到65～70t/h時(shí)，一、二次風(fēng)管式空氣預(yù)熱器出現(xiàn)振動(dòng)，并且伴隨刺耳的聲響，一次風(fēng)管式空氣預(yù)熱器尤為嚴(yán)重。在管式空氣預(yù)熱器風(fēng)道外進(jìn)行了一些加固后，振動(dòng)和噪聲不但沒(méi)有改觀，反而更加嚴(yán)重，以至于空氣預(yù)熱器管箱外的護(hù)板和保溫層出現(xiàn)了開(kāi)裂和脫落；同時(shí)強(qiáng)烈的振動(dòng)和噪聲還嚴(yán)重影響了周圍的環(huán)境，因此不得不降負(fù)荷運(yùn)行。

1.2 鍋爐參數(shù)

鍋爐主要數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

鍋爐為自然循環(huán)的水管鍋爐，采用由旋風(fēng)分離器組成的循環(huán)燃燒系統(tǒng)，爐膛為膜式水冷壁結(jié)構(gòu)，過(guò)熱器分高、低兩級(jí)過(guò)熱器，中間設(shè)噴水減溫器，尾部設(shè)兩級(jí)省煤器和一、二次風(fēng)管式空氣預(yù)熱器。

表1 鍋爐主要數(shù)據(jù)

1.3 管式空氣預(yù)熱器

鍋爐的管式空氣預(yù)熱器分上、下兩級(jí)臥式布置，均由外徑40mm、壁厚1.5mm的焊接鋼管制成，管束采用順列布置?？諝忸A(yù)熱器的布置見(jiàn)圖1，上面一級(jí)為二次風(fēng)管式空氣預(yù)熱器，二次風(fēng)經(jīng)過(guò)兩個(gè)行程后進(jìn)入二次風(fēng)母管，管束橫向節(jié)距為68mm、縱向節(jié)距為75mm；下面一級(jí)為一次風(fēng)管式空氣預(yù)熱器，一次風(fēng)為上、中、下三個(gè)行程，為便于更換和維修，一次風(fēng)空氣預(yù)熱器分兩段布置：上面一段兩個(gè)行程，管束橫向節(jié)距為67mm、縱向節(jié)距為75mm；下面一段一個(gè)行程，管束橫向節(jié)距為67mm、縱向節(jié)距為75mm?？諝夥謩e由一次風(fēng)機(jī)和二次風(fēng)機(jī)送入，空氣在管內(nèi)流動(dòng)作縱向沖刷。煙氣在管外自上而下流動(dòng)，在管外作橫向沖刷。為使管箱在熱狀態(tài)下能自由膨脹，在管箱上部設(shè)有膨脹節(jié)。

圖1 空氣預(yù)熱器布置

2 空氣預(yù)熱器管箱振動(dòng)原因

2.1 卡門渦流

當(dāng)氣流橫向沖刷圓管時(shí)，在圓管的背面產(chǎn)生旋渦；隨后旋渦又在氣流的作用下脫離圓管，這種交替生成和脫離的旋渦稱為卡門渦流。這些旋渦交替地從管子兩側(cè)脫落，產(chǎn)生垂直于氣流方向的氣壓脈動(dòng)。如果管束中卡門渦流的脫落頻率與管束間煙氣駐波的固有頻率耦合時(shí)，就會(huì)激發(fā)起煙氣柱發(fā)生嚴(yán)重的自激振動(dòng)，發(fā)出嚴(yán)重的噪聲。

卡門渦流頻率Fk為［1］：

式中：Sr為斯特勞哈爾數(shù)，與管束的相對(duì)節(jié)距有關(guān)；w為管束內(nèi)氣流平均速度，m/s；d為管子外徑，m。

卡門渦流頻率與管子的布置方式（順列或錯(cuò)列）、管束的橫向和縱向節(jié)距及直徑有關(guān)。

2.2 氣室固有頻率

氣室固有頻率Fc為［1］：

式中：c為諧波的階次，c＝1，2，3…；T為氣流平均熱力學(xué)溫度，K；L為氣室寬度，m。

在氣流溫度一定時(shí)，氣室固有頻率僅與氣室寬度有關(guān)。

2.3 振動(dòng)條件

卡門渦流效應(yīng)氣壓振動(dòng)條件下，可能產(chǎn)生下列三種振動(dòng)：

（1）氣室固有頻率與卡門渦流耦合產(chǎn)生聲學(xué)共振。

（2）管子固有頻率與卡門渦流耦合產(chǎn)生共振。

（3）預(yù)熱器外壁殼體固有頻率與卡門渦流耦合產(chǎn)生機(jī)械共振。

管式空氣預(yù)熱器的聲學(xué)共振過(guò)程是：由于鍋爐機(jī)組升負(fù)荷時(shí)，卡門渦流頻率逐漸接近于氣室固有頻率而造成。在鍋爐低負(fù)荷時(shí)，卡門渦流頻率和氣室固有頻率可能重合，但這時(shí)的激發(fā)能還不足以產(chǎn)生強(qiáng)烈的振動(dòng)；隨著鍋爐負(fù)荷的增加，卡門渦流頻率和氣室固有頻率重合的激發(fā)能就會(huì)使空氣預(yù)熱器產(chǎn)生強(qiáng)烈的振動(dòng)，并發(fā)出噪聲，導(dǎo)致設(shè)備疲勞破壞和鍋爐機(jī)組被迫降負(fù)荷運(yùn)行。

3 管式空氣預(yù)熱器防振的必要條件

管式空氣預(yù)熱器的防振設(shè)計(jì)是按照氣室的固有頻率的基本頻率（c＝1），在所有的鍋爐負(fù)荷范圍內(nèi)都大于卡門渦流頻率來(lái)選擇氣室的寬度［2］，即：

式中：Fc為氣室固有頻率，Hz；Fk為卡門渦流頻率，Hz；m為儲(chǔ)備系數(shù)，錯(cuò)列管束取1.5，順列管束取1.4。

75t/h CFB鍋爐空氣預(yù)熱器主要參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 空氣預(yù)熱器主要參數(shù)

由表2可知：一次風(fēng)空氣預(yù)熱器煙氣平均溫度為170℃；二次風(fēng)空氣預(yù)熱器煙氣平均溫度為222.5℃。

管式空氣預(yù)熱器處煙道的寬度為5 828mm。根據(jù)上述數(shù)據(jù)可計(jì)算出：

（1）一次風(fēng)管式空氣預(yù)熱器卡門渦流頻率為：

式中：Sr＝0.28可在參考文獻(xiàn)［1］中查得。

（2）一次風(fēng)管式空氣預(yù)熱器氣室固有基本頻率（c＝1）為：

由式（3）可知：Fc＝36.1Hz＜mFk＝1.4×49＝68.6Hz，一次風(fēng)管式空氣預(yù)熱器氣室固有頻率不符合防振必要條件，產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲在所難免。

（3）二次風(fēng)管式空氣預(yù)熱器中卡門渦流頻率為：式中：Sr＝0.29可在參考文獻(xiàn)［1］中查得。

（4）二次風(fēng)管式空氣預(yù)熱器氣室固有基本頻率（c＝1）為：

由式（3）可知：Fc＝38.2Hz＜mFk＝1.4×58＝81.2Hz，二次風(fēng)管式空氣預(yù)熱器氣室固有頻率不符合防振必要條件，產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲在所難免。

4 振動(dòng)解決措施

要想解決管式空氣預(yù)熱器的振動(dòng)和噪聲問(wèn)題，必須滿足防振必要條件Fc＞mFk，因此可從改變氣室固有頻率Fc或卡門渦流頻率Fk入手：

（1）改變管子節(jié)距，可使Sr增加或減少，從而改變卡門渦流頻率的大小；但對(duì)于這一點(diǎn)，不論是新設(shè)計(jì)的鍋爐還是改造的鍋爐都很難做到。

（2）改變管子的固有頻率，將圓管改為螺旋鰭片管，可消除卡門渦流效應(yīng)；但存在成本提高等問(wèn)題，從經(jīng)濟(jì)角度看是不劃算的。

（3）改變氣室固有頻率，但唯一可以改變的是氣室的寬度L，可將氣室沿寬度方向加裝消振隔板，將氣室分成幾個(gè)空間，從而改變氣室固有頻率的大小，改變聲學(xué)共振頻率，避免聲學(xué)共振。

若將氣室沿寬度L分隔成n個(gè)小的空間，那么管式空氣預(yù)熱器的防振必要條件為nFc＞mFk。

對(duì)一次風(fēng)管式空氣預(yù)熱器，則應(yīng)滿足n×36.1＞1.4×49，那么n＞1.9，即在一次風(fēng)管式空氣預(yù)熱器中順煙氣流方向加裝防振隔板2塊，將氣室沿寬度方向上分隔成3個(gè)小氣室。

對(duì)二次風(fēng)管式空氣預(yù)熱器，則應(yīng)滿足n×38.2＞1.4×58，那么n＞2.1，即在二次風(fēng)管式空氣預(yù)熱器中順煙氣流方向加裝防振隔板2塊，將氣室沿寬度方向上分隔成3個(gè)小氣室。

因此分別在一次風(fēng)管式空氣預(yù)熱器上、中、下三組及二次風(fēng)管式空氣預(yù)熱器的上、下二組中，沿著寬度方向加裝厚度3mm防振鋼板2塊，見(jiàn)圖2。

圖2 防振隔板加設(shè)圖（單位：mm）

5 結(jié)語(yǔ)

按以上方案對(duì)75t/h次高溫、次高壓CFB鍋爐進(jìn)行了改造，從改造后至今鍋爐一直運(yùn)行良好，再?zèng)]有出現(xiàn)過(guò)空氣預(yù)熱器的振動(dòng)與噪聲。由此可見(jiàn)：增加防振隔板進(jìn)行防振是行之有效的；但由于鍋爐尾部受熱面管束密集，受熱面多，內(nèi)部空間非常狹小，在現(xiàn)場(chǎng)安裝改造時(shí)困難比較大，對(duì)以后的檢修也帶來(lái)諸多的不便。在今后新鍋爐的設(shè)計(jì)中，對(duì)尾部受熱面，尤其是空氣預(yù)熱器部分的設(shè)計(jì)應(yīng)防患于未然，在設(shè)計(jì)制造時(shí)對(duì)易產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲的鍋爐尾部各部件進(jìn)行計(jì)算校核，確認(rèn)是否符合卡門渦流頻率和氣室固有頻率的防振必要條件，在部件出廠前預(yù)裝好防振隔板，做好防振、防噪聲的工作。

［1］陳學(xué)俊，陳聽(tīng)寬.鍋爐原理［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1981.

［2］中國(guó)動(dòng)力工程學(xué)會(huì).火力發(fā)電設(shè)備技術(shù)手冊(cè)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.