8#爐空氣預(yù)熱器振動(dòng)原因分析及解決方案

張玉國，徐欣欣，王 琳

(1. 天津大沽化工股份有限公司熱電分廠 天津300455；2. 天津航天長征火箭制造有限公司行政保障處 天津300456)

8#爐空氣預(yù)熱器振動(dòng)原因分析及解決方案

張玉國1，徐欣欣1，王 琳2

(1. 天津大沽化工股份有限公司熱電分廠 天津300455；2. 天津航天長征火箭制造有限公司行政保障處 天津300456)

燃煤電廠污染物NOx的排放日益嚴(yán)重地影響著環(huán)境、氣候和人類的健康，解決電站鍋爐NOx排放對(duì)環(huán)境的影響，已成為一個(gè)重要問題。為了積極響應(yīng)并充分支持《美麗天津·一號(hào)工程：天津市清新空氣行動(dòng)方案》的實(shí)施，探索并實(shí)施了燃煤鍋爐的煙氣脫硝治理改造工作。8#爐在熱態(tài)調(diào)試過程中，低溫空氣預(yù)熱器振動(dòng)異常劇烈，達(dá)到了無法正常運(yùn)行的狀態(tài)，經(jīng)過多次改造，順利找到了空氣預(yù)熱器振動(dòng)原因并徹底解決，為8#爐煙氣脫硝的最終達(dá)標(biāo)打下了基礎(chǔ)。

空氣預(yù)熱器 振動(dòng) 共振 頻率 隔板

0 引 言

《美麗天津·一號(hào)工程：天津市清新空氣行動(dòng)方案》出臺(tái)后，我公司積極行動(dòng)，充分考察并探討旋風(fēng)爐的煙氣脫硝技術(shù)，并進(jìn)入實(shí)施階段。首先對(duì) 8#爐進(jìn)行 SCR煙氣脫硝工藝改造，用時(shí) 2個(gè)月改造完成。在熱態(tài)調(diào)試過程中，低溫空氣預(yù)熱器振動(dòng)異常劇烈，特別是振動(dòng)發(fā)出的聲音使運(yùn)行人員感覺不適，因此停止調(diào)試，著手解決低溫空氣預(yù)熱器的振動(dòng)問題。經(jīng)過 8次改造，順利找到了 8#爐低溫空氣預(yù)熱器振動(dòng)的原因并改造成功。8#爐低溫空氣預(yù)熱器振動(dòng)問題的解決，為 8#爐煙氣脫硝改造項(xiàng)目的成功打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1 空氣預(yù)熱器振動(dòng)原因及解決方案

1.1 鍋爐簡介

我公司8#爐為立式液態(tài)排渣旋風(fēng)爐，于2001年12月份投產(chǎn)運(yùn)行，鍋爐型號(hào)為 WGZ130/5.3-3型，屬于額定蒸發(fā)量為130 t/h的次高溫次高壓燃煤旋風(fēng)爐，為單鍋筒、自然循環(huán)、液態(tài)排渣、懸浮燃燒的煤粉爐。制粉系統(tǒng)為鋼球磨煤機(jī)、中間倉儲(chǔ)式制粉系統(tǒng)，熱風(fēng)送粉，制粉系統(tǒng)的乏氣通過三次風(fēng)口送入二次室內(nèi)。該爐型的主要特點(diǎn)是燃燒熱強(qiáng)度高、NOx生成率高，灰分粒度細(xì)、尾部受熱面易積灰等。

旋風(fēng)爐工作過程為：鍋爐制粉系統(tǒng)產(chǎn)生的煤粉經(jīng)一次風(fēng)攜帶進(jìn)入鍋爐的燃燒裝置(噴燃器)，從噴燃器旋流噴出在旋風(fēng)筒內(nèi)燃燒，煤粉在筒內(nèi)受熱后，迅速著火、燃燒，其間在旋風(fēng)筒中上部加入二次風(fēng)，以達(dá)到強(qiáng)化燃燒的目的。旋風(fēng)筒中燃燒所產(chǎn)生的高溫?zé)煔?，全部進(jìn)入鍋爐的燃燼室，進(jìn)行進(jìn)一步燃燼和冷卻。爐渣因高溫熔化而粘在旋風(fēng)筒筒壁上，形成液態(tài)渣膜，液態(tài)渣從旋風(fēng)筒下部排出，形成液態(tài)排渣。旋風(fēng)爐工作過程如圖1所示。

1.2 改造要求與內(nèi)容

1.2.1 改造要求

我公司鍋爐為室內(nèi)布置，要進(jìn)行煙氣脫硝改造空間比較有限，因此需要對(duì)鍋爐尾部受熱面進(jìn)行改造，改造要求如下：①對(duì)鍋爐尾部受熱面進(jìn)行重新布置，以確保有 SCR設(shè)備安裝空間和受熱面合理的檢修空間；②通過對(duì)鍋爐尾部受熱面改造，適當(dāng)降低排煙溫度，使改造后排煙溫度約為 140～150,℃；③中溫空氣預(yù)熱器下級(jí)管箱和低溫空氣預(yù)熱器管箱采用內(nèi)涂搪瓷管；④鍋爐改造后能夠長期、安全、穩(wěn)定地運(yùn)行。

圖1 旋風(fēng)爐工作過程Fig.1 W ork process of the cyclone furnace

1.2.2 改造內(nèi)容

鍋爐改造在滿足鍋爐性能的前提下，充分利用現(xiàn)有設(shè)備，降低鍋爐改造成本，以縮短改造工期為基本原則，對(duì)鍋爐尾部受熱面進(jìn)行改造，使得改造后滿足 SCR煙道安裝空間要求，保證鍋爐效率、熱風(fēng)溫度和排煙溫度等均達(dá)到改造要求。

改造范圍包括：后包墻管、低溫省煤器、低溫空氣預(yù)熱器、空氣預(yù)熱器進(jìn)出口連接風(fēng)道、低溫省煤器護(hù)板、尾部連接煙道、平臺(tái)扶梯、尾部鍋爐鋼結(jié)構(gòu)以及相應(yīng)的爐墻保溫。

①后包墻管：SCR噴氨格柵布置在高溫省煤器上方，從爐后包墻過熱器管排間插入煙室，因此本次改造需要將后包墻進(jìn)行部分讓管，以保證SCR噴氨格柵的安裝。②低溫省煤器：為了滿足鍋爐新增加的 SCR脫硝裝置布置的需要，同時(shí)保證鍋爐排煙溫度(140～150,℃)和提高鍋爐效率、降低煤耗，低溫省煤器位置下移到鍋爐尾部的最下端，管排利舊，受熱面積需進(jìn)行調(diào)整。原鍋爐設(shè)計(jì)低溫省煤器采用Φ32×4的膜式管排，材質(zhì)是20,G的普通鋼管，管排橫向62排，橫向節(jié)距88,mm，縱向14排，縱向節(jié)距45,mm，錯(cuò)列布置。本次改造低溫省煤器采用Φ32×4 膜式管排，材質(zhì)為 20,G，橫向由 62排增加到76排，新增 14片低省管排，改造后橫向節(jié)距減小到 72,mm；縱向14排，縱向節(jié)距45,mm，錯(cuò)列布置。管排依舊由通風(fēng)梁支撐，由于增加了管排，通風(fēng)梁全部更換。由于管排橫向節(jié)距的變化，低溫省煤器進(jìn)、出口集箱全部更換。進(jìn)口集箱安裝位置由原來的 13,535,mm下移至 4,760,mm，出口集箱安裝位置由原來的15,360,mm下移至6,585,mm。由于低溫省煤器安裝位置下移，鍋爐給水管道及高、低溫省煤器連接管道重新設(shè)計(jì)，管道數(shù)量、規(guī)格、材質(zhì)均與改造前一致。③低溫空氣預(yù)熱器：現(xiàn)有鍋爐低溫空氣預(yù)熱器分為低溫空氣預(yù)熱器上級(jí)(后稱中溫級(jí))和低溫空氣預(yù)熱器下級(jí)(后稱低溫級(jí))兩組管箱。由于在鍋爐尾部新增加了 SCR脫硝裝置，原鍋爐的中溫級(jí)空氣預(yù)熱器和低溫級(jí)空氣預(yù)熱器無法布置在原鍋爐構(gòu)架內(nèi)，需在原鍋爐房外重新設(shè)計(jì)新的鋼結(jié)構(gòu)來布置中、低溫級(jí)空氣預(yù)熱器。鍋爐投運(yùn)SCR后，煙氣中的SO3與SCR逃逸的NH3會(huì)生成硫酸氫氨，硫酸氫氨在 200～150,℃之間呈液態(tài)，黏性和腐蝕性很強(qiáng)，低溫空氣預(yù)熱器容易堵塞影響傳熱及增大流通阻力。因此，為了有效防止低溫空氣預(yù)熱器煙氣出口低溫腐蝕及堵塞，將中溫段管箱分為兩級(jí)布置，中溫段末級(jí)和低溫段空氣預(yù)熱器管排的材質(zhì)更改為內(nèi)涂搪瓷管，管子規(guī)格Φ40×1.5，中溫段空氣預(yù)熱器上級(jí)管箱回用原低溫級(jí)空氣預(yù)熱器低溫段管箱。改造完成后，中溫空氣預(yù)熱器上級(jí)、中溫空氣預(yù)熱器下級(jí)、低溫空氣預(yù)熱器從下往上依次布置在鍋爐房外新增的鋼架上。其中中溫上級(jí)回用原低溫下級(jí)空氣預(yù)熱器，管子規(guī)格Φ51× 1.5，管箱高度 2,330,mm，安裝高度 4,100,mm；中溫下級(jí)采用搪瓷管，管子規(guī)格Φ40×1.5，管箱高度 2,330,mm，安裝高度7,635,mm；低溫空氣預(yù)熱器亦采用搪瓷管，管子規(guī)格Φ40× 1.5，管箱高度2,330,mm，安裝高度10,865,mm。④風(fēng)道： 因低溫和中溫空氣預(yù)熱器的變動(dòng)，鍋爐風(fēng)道需重新設(shè)計(jì)。冷風(fēng)道從原低溫空氣預(yù)熱器入口風(fēng)箱引出，從鍋爐左右兩側(cè)穿過鍋爐房后墻引至低溫空氣預(yù)熱器支撐構(gòu)架后方，然后斜向上爬升，進(jìn)入低溫空氣預(yù)熱器，在設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到冷風(fēng)道的振動(dòng)問題，設(shè)置了導(dǎo)流板等措施防止震動(dòng)。熱風(fēng)道從中溫空氣預(yù)熱器熱段前墻引出，向左右兩側(cè)分成兩股后沿鍋爐房后墻爬升，然后匯合穿過鍋爐房后墻進(jìn)入高溫空氣預(yù)熱器。⑤煙道：由于中、低溫空氣預(yù)熱器移至鍋爐房外，需重新設(shè)計(jì)低溫省煤器出口至中溫空氣預(yù)熱器連接煙道。此處設(shè)計(jì)時(shí)已充分考慮了煙道積灰狀態(tài)下的安全性，飛灰被煙氣攜帶下行落入中溫空氣預(yù)熱器熱段下方灰斗?；叶废路讲贾脗}泵，將灰斗中沉積的飛灰送入電除塵器入口。低溫空氣預(yù)熱器上方與除塵器進(jìn)口連接煙道重新設(shè)計(jì)。⑥護(hù)板：分別對(duì)SCR催化劑區(qū)域護(hù)板、低溫省煤器護(hù)板、低溫空氣預(yù)熱器和中溫空氣預(yù)熱器的護(hù)板以及低、中溫空氣預(yù)熱器之間的連通箱進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)。⑦構(gòu)架、平臺(tái)、扶梯：由于鍋爐尾部受熱面的調(diào)整以及 SCR的需要，尾部構(gòu)架載荷重新核算，增加了 SCR的支撐梁，鍋爐房外新增了鋼結(jié)構(gòu)來支撐中、低溫空氣預(yù)熱器。其他平臺(tái)、扶梯根據(jù)尾部受熱面改造作出相應(yīng)的調(diào)整。⑧保溫爐墻：對(duì) SCR反應(yīng)器區(qū)域爐墻設(shè)計(jì)、制造；對(duì)低溫省煤器區(qū)域護(hù)板保溫設(shè)計(jì)、制造；對(duì)空氣預(yù)熱器護(hù)板、連通箱、熱風(fēng)道保溫設(shè)計(jì)、制造；對(duì)其他區(qū)域由于改造安裝過程中損壞的爐墻、保溫修復(fù)。⑨吹灰器及測量檢查裝置：高溫空氣預(yù)熱器增加一臺(tái)聲波吹灰器，低溫省煤器增加一臺(tái)聲波吹灰器，其他地方回用原設(shè)備；尾部測點(diǎn)全部回用原設(shè)備，現(xiàn)場還原安裝；鍋爐原有人孔門、檢查口均回用原設(shè)備，現(xiàn)場恢復(fù)安裝；鍋爐房外尾部構(gòu)架和連接煙道重新布置人孔。

圖2 改造后空氣預(yù)熱器示意圖Fig.2 Schematic diagram of the air preheater after transformation

1.2.3 改造后空氣預(yù)熱器總圖

改造后空氣預(yù)熱器示意圖如圖2所示：

1.3 振動(dòng)原因

2015年6月2日，8#爐煙氣脫硝及冷態(tài)調(diào)試完畢，進(jìn)行熱態(tài)調(diào)試。6月2日23：30左右，8#爐并汽運(yùn)行。運(yùn)行過程中，送風(fēng)機(jī)出口冷風(fēng)道以及中、低溫空氣預(yù)熱器振動(dòng)異常劇烈，達(dá)到了無法正常運(yùn)行的狀態(tài)，特別是空氣預(yù)熱器產(chǎn)生了一種讓人無法接受的噪音，于是6月3日2：30左右停爐，并緊急與設(shè)計(jì)廠家聯(lián)系。設(shè)計(jì)廠家到廠后，對(duì) 8#爐實(shí)施了一些整改措施，情況出現(xiàn)了好轉(zhuǎn)，冷風(fēng)道的振動(dòng)基本消除，但是，低溫、中溫空氣預(yù)熱器的管箱和聯(lián)通箱，振動(dòng)和噪音比較明顯。

鍋爐運(yùn)行過程中風(fēng)道和空氣預(yù)熱器的振動(dòng)一般有 3個(gè)原因：①風(fēng)機(jī)和風(fēng)道管網(wǎng)的阻力特性不匹配，導(dǎo)致風(fēng)量在某個(gè)區(qū)間時(shí)，風(fēng)機(jī)發(fā)生喘振，引起風(fēng)道和預(yù)熱器振動(dòng)；②風(fēng)道彎頭處導(dǎo)流板布置不合理，流場不均，引起氣流脈動(dòng)不平衡，從而導(dǎo)致風(fēng)道和空氣預(yù)熱器的振動(dòng)；③空氣預(yù)熱器的聲學(xué)駐波頻率與氣流渦街頻率接近時(shí)，發(fā)生共振現(xiàn)象，引起空氣預(yù)熱器的振動(dòng)和噪音。

針對(duì)以上幾個(gè)原因，采取相關(guān)措施進(jìn)行逐步排除：①通過調(diào)節(jié)兩側(cè)送風(fēng)機(jī)擋板開度，找到擋板開度的最佳區(qū)間，避開風(fēng)機(jī)喘振區(qū)間，從而消除因風(fēng)機(jī)引起的喘振現(xiàn)象。②由于受到現(xiàn)場空間所限，鍋爐冷風(fēng)道較長，彎頭較多，通過導(dǎo)流板的合理設(shè)置，使空氣流場更加均勻，減小氣流偏心和波動(dòng)。并增加整個(gè)管路的固定裝置，加強(qiáng)剛性，調(diào)整固有頻率。

通過采取以上措施后，風(fēng)道的振動(dòng)基本消除，但是空氣預(yù)熱器的振動(dòng)依然存在，初步懷疑是管箱共振。

1.3.1 振動(dòng)機(jī)理

圖3 卡門渦街示意圖Fig.3 Schematic diagram of Karman vortex street

在圓柱體后尾流的卡門渦街中，兩列旋轉(zhuǎn)方向相反的漩渦周期性的均勻交替脫落，有一定的脫落頻率。漩渦的脫落頻率n與流體的來流速度V成正比，而與圓柱體的直徑d成反比，即：

式中：S稱為斯特羅哈數(shù)，它只與雷諾數(shù)有關(guān)。

管式空氣預(yù)熱器中，當(dāng)空氣在管外橫向沖刷管束時(shí)，在圓管后也會(huì)產(chǎn)生卡門渦街，脫落頻率 n如上所示，其中管束的斯特羅哈數(shù)除取決于圓管直徑和氣流速度外，還與管束的橫向節(jié)距 S1和縱向節(jié)距 S2有關(guān)。根據(jù)實(shí)測，管束的斯特羅哈數(shù)在0.4～0.7的范圍內(nèi)，一般采用 S≈0.5。這樣計(jì)算出的卡門渦街的脫落頻率已有足夠的精確度。在管式空氣預(yù)熱器中，卡門渦街的交替脫落會(huì)引起空氣預(yù)熱器中以管箱組成的空氣道中氣柱的振動(dòng)，而發(fā)生聲響效應(yīng)。

空氣預(yù)熱器中以管箱組成的空氣道中同時(shí)存在著鍋爐運(yùn)行中各種聲音誘發(fā)的某階次的聲學(xué)駐波，所謂駐波就是兩列振幅相同，方向相反，并不向前運(yùn)動(dòng)的波。

聲波頻率的基本公式是：

n′＝a/λ

λ——駐波波長。

假如管箱空氣道存在駐波，則其波長 λ和管箱空氣道的寬度 L之間必須有一定的關(guān)系。第一諧波的波長是管箱空氣道寬度的兩倍，即λ1＝2,L，第二諧波的波長等于管箱空氣道寬度，即 λ2＝L，第三諧波的波長是管箱空氣道寬度的 2/3，即λ3＝2/3,L，第四諧波的波長是管箱空氣道寬度的 1/2，即 λ4＝1/2,L等等，概括起來，各諧波的波長可寫成：

如圖4所示：

圖4 諧波的波長Fig.4 Harmonic wavelength

由此，就得到聲學(xué)駐波頻率的通用公式：

式中 i＝1、2、3、4……是管箱空氣道寬度 L中半波的個(gè)數(shù)，也就是聲學(xué)駐波的諧波階次。將a＝20.1T代入公式可得：

從上式可知，聲學(xué)駐波的頻率除與駐波的階次和管箱寬度有關(guān)外，還與空氣的溫度有關(guān)。

當(dāng)卡門渦街的脫落頻率與聲學(xué)駐波頻率相重合(共振)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生很大的噪聲，造成空氣預(yù)熱器管箱的激烈振動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)，會(huì)使空氣預(yù)熱器鋼板破裂，鍋爐整體振動(dòng)，破壞性很大。

1.4 解決方案

從理論上來說，要消除這種振動(dòng)現(xiàn)象，就要避開共振頻率。常使用的方法是改變管箱空氣道寬度，就是在管箱中加裝隔板，把管箱空氣道分隔成若干小氣室，以提高聲學(xué)駐波頻率，從而避免與卡門渦街的脫落頻率重合。這樣便會(huì)使振動(dòng)消除或減弱。

加裝隔板的數(shù)目與駐波階次有關(guān)，就是使管箱空氣道寬度L中的半波破壞，兩隔板的間距必須小于，避免兩種波疊加共振。

通過計(jì)算，8#爐中溫上級(jí)管箱氣流渦街頻率 n＝92.16，管箱聲學(xué)駐波頻率 n'＝i×33.11(i＝1、2、3…)，當(dāng) i＝3時(shí)，聲學(xué)駐波頻率非常接近 92.16，因此會(huì)引起很大的振動(dòng)。根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，本次改造解決方案如下：

各級(jí)管箱空氣道均加裝 3塊隔板防振，加裝隔板位置如圖 5所示。加裝完成后空氣預(yù)熱器的氣流渦街頻率不變(n＝92.16)，管箱的聲學(xué)駐波頻率 n'＝i×132.44(i＝1、2、3…)，兩者不會(huì)有重合區(qū)域，因此不會(huì)發(fā)生共振。

2 結(jié) 語

實(shí)踐證明，在空氣預(yù)熱器各級(jí)管箱間加裝防振隔板是解決空氣預(yù)熱器振動(dòng)行之有效的辦法。■

圖5 空氣預(yù)熱器改造示意圖Fig.5 Schematic diagram of transformation of the air preheater

［1］ 韓曉剛，韓虹，朱利珍，等. 鍋爐管式空氣預(yù)熱器的振動(dòng)及其消除方法[J]. 電站系統(tǒng)工程，2001，17(1)：9-11.

［2］ 宋玉寶. SCR設(shè)計(jì)與煙氣參數(shù)耦合性分析[R]. 2012年全國燃煤電廠煙氣脫硝技術(shù)交流會(huì)，南京：2012.

［3］ Gutberlet H. GTZ-Seminar on SCR-DeNOx Technology[R]. E. ON，中國蘇州：2010.

［4］ 梁衡. SCR空氣預(yù)熱器改造方案設(shè)計(jì)與實(shí)施要點(diǎn)[R].火電廠大氣污染物控制研討會(huì)，日照：2011.

［5］ Guffre J. Eliminating Air Heater Plugging and Corrosion Caused by SCR/SNCR System for NOxControl on Coal Fired Boilers [C]. 2007.

Cause Analysis and Solution of the Vibration of 8# Boiler Air Preheater

ZHANG Yuguo1，XU Xinxin1，WANG Lin2
(1．Thermal Power Plant，Tianjin Dagu Chemical Co.，LTD.，Tianjin 300455，China；2．Adm inistrative Protection Division，TianJin Launch Vehicle Long March Manufacture Co.，LTD.，Tianjin 300456，China)

NOxem issions from coal-fired power plants severely impact the environment，climate and human health．To solve the power plant boiler NOxem issions has become an important issue．In order to positively respond to and fully support the implementation of the First Priority Project of Beautiful Tianjin：Tianjin Clean Air Action Programme，a study of the governance and reform of coal-fired boiler flue gas denitration was carried out．During the process of thermal state comm issioning of 8# boiler，severe abnormal vibration of its low temperature air preheater appeared and failed to reach the normal operating state．A fter several transformations，vibration causes were found and solved，which laid a foundation of the qualification of 8# boiler flue gas denitrification results.

air preheater；vibration；resonance；frequency；clapboard

TK229.6

：A

：1006-8945(2015)10-0084-04

2015-09-06