低溫省煤器振動(dòng)機(jī)理分析及優(yōu)化措施

關(guān)博文

（神華國(guó)華廣投發(fā)電有限責(zé)任公司，廣西 柳州 545000）

低溫省煤器振動(dòng)機(jī)理分析及優(yōu)化措施

關(guān)博文

（神華國(guó)華廣投發(fā)電有限責(zé)任公司，廣西 柳州 545000）

針對(duì)某300 MW亞臨界機(jī)組低溫省煤器，改造投運(yùn)后發(fā)生受熱面振動(dòng)現(xiàn)象，通過數(shù)值模擬方法研究煙氣流場(chǎng)和計(jì)算受熱面共振頻率，研究低溫省煤器產(chǎn)生振動(dòng)的原因，并提出消除振動(dòng)的措施。采用在低溫省煤器入口煙道加裝煙氣導(dǎo)流板的方法，可有效解決低溫省煤器受熱面振動(dòng)問題。

受熱面振動(dòng)；低溫省煤器；治理措施；共振頻率

低溫省煤器利用鍋爐排煙余熱加熱低壓凝結(jié)水，是節(jié)約能源的有效措施之一。低溫省煤器的汽水側(cè)連接汽輪機(jī)回?zé)嵯到y(tǒng)的低壓部分［1］，由于內(nèi)部工質(zhì)是低溫凝結(jié)水，所以稱為低溫省煤器［2－3］。通過在空氣預(yù)熱器出口設(shè)置低溫省煤器，由凝結(jié)水吸收熱量，降低排煙溫度，而自身被加熱，溫度升高后再返回加熱器系統(tǒng)［4－5］。由于外界進(jìn)入凝結(jié)水回?zé)嵯到y(tǒng)，汽輪機(jī)低壓抽汽量減少，更多的蒸汽在汽輪機(jī)低壓缸內(nèi)做功。因此，在汽輪機(jī)進(jìn)汽量不變的情況下，可以降低汽輪機(jī)熱耗，提高機(jī)組效益，如使排煙溫度降低35℃，汽輪機(jī)熱耗降低0.5%。

低溫省煤器的工作環(huán)境極其惡劣，其出口煙溫一般低于100℃，低于煙氣酸露點(diǎn)溫度，為了避免煙氣對(duì)受熱面腐蝕，傳熱端差很小，造成對(duì)流傳熱系數(shù)較小，一般情況下為20～28 W／（m2·℃），需設(shè)置較大的受熱面積才能滿足換熱需要，使布置難度增加，煙氣流場(chǎng)難以控制，若結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，會(huì)導(dǎo)致受熱面堵灰、磨損、振動(dòng)等問題。

本文以300 MW某電廠亞臨界機(jī)組為例，在改造過程中增加了低溫省煤器以提高機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，低溫省煤器布置在除塵器下游出口匯流水平煙道內(nèi)，將除塵器出口煙氣溫度降至90℃，回收空氣預(yù)熱器排煙余熱，低溫省煤器受熱面在鍋爐負(fù)荷超過270 MW時(shí)，發(fā)生強(qiáng)烈振動(dòng)，被迫降低機(jī)組負(fù)荷。因此必須找出受熱面振動(dòng)的原因，并制定消除受熱面振動(dòng)方案。

1 低溫省煤器布置

低溫省煤器為煙—水換熱器，受熱面采用H型鰭片管型式，光管規(guī)格D38×4 mm，鰭片高度155 mm，鰭片寬度75 mm，鰭片厚度2 mm，受熱面橫向間距80 mm，縱向間距80 mm，管組順流布置，受熱面沿?zé)煔饬鲃?dòng)方向布置52排，分前后2組受熱面，2組受熱面之間布置吹灰器，換熱器總長(zhǎng)度5 470 mm，總寬度8 000 mm，低溫省煤器在煙道內(nèi)的布置情況如圖1所示。

圖1 低溫省煤器平面布置

2 振動(dòng)機(jī)理分析

2.1 入口煙氣流場(chǎng)均勻性

煙氣由除塵器出口的2臺(tái)引風(fēng)機(jī)抽出后，分別向上流動(dòng)進(jìn)入?yún)R流煙道（煙道橫截面為9 500 mm× 5 000 mm），然后進(jìn)入低溫省煤器所在煙道（煙道橫截面為7 500 mm×5 000 mm），通過煙道擴(kuò)口進(jìn)入低溫省煤器換熱。低溫省煤器受原機(jī)組結(jié)構(gòu)限制，其前部煙道較為復(fù)雜，入口處的煙道擴(kuò)口擴(kuò)散角過大，導(dǎo)致低溫省煤器入口流場(chǎng)不均勻性較大。在低溫省煤器煙氣入口平均選擇40個(gè)點(diǎn)，通過數(shù)值模擬方法，對(duì)煙氣流場(chǎng)進(jìn)行均勻性計(jì)算，得到數(shù)據(jù)如圖2所示。寬度方向的偏差大于高度方向的偏差，同一高度位置沿寬度方向測(cè)點(diǎn)最大偏差接近80%，同一寬度位置沿高度方向測(cè)點(diǎn)最大偏差接近27%。通過在低溫省煤器入口加裝導(dǎo)流板，可有效解決入口流場(chǎng)煙氣流動(dòng)的不均勻影響。

圖2 低溫省煤器入口煙道流速分布

低溫省煤器入口煙道結(jié)構(gòu)復(fù)雜，水平匯流煙道與進(jìn)口煙道截面變化較大，省煤器進(jìn)口擴(kuò)口角度較大，煙氣流速偏差較大，煙氣在低溫省煤器入口處形成二次回流，在低溫省煤器入口形成漩渦，影響煙氣流動(dòng)的均勻性。

2.2 受熱面共振頻率

由于受熱面在某些特定條件下能產(chǎn)生強(qiáng)烈的聲學(xué)共振，這種聲學(xué)共振產(chǎn)生的原因是煙氣流過管束時(shí)在管子背后形成小旋渦，稱之為卡門渦流。此種在受熱面管子背面的旋渦不斷產(chǎn)生，不斷脫落的頻率稱為卡門渦流頻率，當(dāng)卡門渦流頻率與受熱面固有的駐波頻率呈高階次耦合時(shí)就會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的聲學(xué)共振。影響受熱面聲學(xué)的主要因素有聲學(xué)駐波頻率、卡門渦流脫落頻率及受熱面管子固有頻率。當(dāng)卡門渦流脫落頻率與煙道聲學(xué)駐波頻率接近時(shí)，會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象。

煙道聲學(xué)駐波頻率公式為

式中：fn為駐波頻率，Hz；n為駐波階數(shù)；T為煙道絕對(duì)溫度，℃；L為煙道壁面距離，mm。

卡門渦流脫落頻率公式為

式中：fs為渦流脫落頻率，Hz；Str為斯特勞哈爾數(shù)；v為受熱面煙氣流速，m／s；d為受熱面管子當(dāng)量直徑，mm。

低溫省煤器入口煙氣溫度為130℃，出口煙氣溫度為90℃，平均煙氣溫度為110℃，受熱面煙氣流速為12 m／s，因雷諾數(shù)大于1 000，Str＝0.21，受熱面管子外徑為38 mm。經(jīng)計(jì)算，煙道一階駐波頻率為f1＝54.37 Hz，卡門渦流脫落頻率為fs＝38.89 Hz。

3 消除振動(dòng)措施與效果

當(dāng)渦流脫落頻率在某階駐波頻率20%范圍內(nèi)時(shí)（0.8≤fs／fn≤1.2），易發(fā)生聲學(xué)共振現(xiàn)象，受熱面卡門渦流脫落頻率是煙道駐波固有頻率的0.715倍，不在聲學(xué)共振區(qū)，且受熱面采用H型鰭片管，有較強(qiáng)的消除渦流作用，受熱面基本上不產(chǎn)生渦流，低溫省煤器振動(dòng)現(xiàn)象不屬于聲學(xué)共振現(xiàn)象。

由流場(chǎng)均勻性計(jì)算可知，低溫省煤器入口煙氣流速不均勻是引起受熱面振動(dòng)的主要原因，通過在入口處加裝導(dǎo)流板，消除復(fù)雜煙道結(jié)構(gòu)對(duì)煙氣流場(chǎng)的影響，減少受熱面入口漩渦生成量，可有效避免受熱面發(fā)生振動(dòng)現(xiàn)象，受熱面進(jìn)口煙道采用大擴(kuò)口結(jié)構(gòu)如圖3所示。圖4為加裝導(dǎo)流板前后低溫省煤器煙道速度流線圖，同一高度位置沿寬度方向的測(cè)點(diǎn)最大偏差降至20.25%（原設(shè)計(jì)偏差最大80%），同一寬度位置沿高度方向的測(cè)點(diǎn)最大偏差降至13.01%（原設(shè)計(jì)偏差最大27%），煙氣流場(chǎng)得到明顯改善，在任何負(fù)荷下，均不會(huì)發(fā)生振動(dòng)現(xiàn)象。

圖3 低溫省煤器入口煙道及導(dǎo)流板示意圖

圖4 低溫省煤器入口煙道速度流線

4 結(jié)束語(yǔ)

某電廠低溫省煤器振動(dòng)影響機(jī)組安全性，其原因?yàn)槭軣崦媲叭肟跓煹澜Y(jié)構(gòu)復(fù)雜，煙氣流動(dòng)均勻性較差，煙氣在入口產(chǎn)生大量漩渦，使煙氣不能順利通過受熱面，煙氣產(chǎn)生較強(qiáng)的二次流效應(yīng)。加裝煙氣導(dǎo)流板后，煙氣流動(dòng)均勻，解決了低溫省煤器受熱面振動(dòng)問題，為其他低溫省煤器設(shè)計(jì)中避免同類問題發(fā)生提供一定借鑒。

［1］易勇智.350 MW燃煤機(jī)組低溫省煤器振動(dòng)機(jī)理分析及對(duì)策［J］.廣東電力，2015，28（7）：34－36.

［2］徐 鋼，許 誠(chéng)，楊勇平，等.電站鍋爐余熱深度利用及尾部受熱面綜合優(yōu)化［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2013，33（14）：1－2.

［3］宋景慧，李永毅，徐齊勝，等.電站低溫省煤器變工況特性分析與運(yùn)行優(yōu)化［J］.電站系統(tǒng)工程，2015，31（6）：17－18.

［4］王政先，張 敏.低壓省煤器經(jīng)濟(jì)性對(duì)比試驗(yàn)研究［J］.東北電力技術(shù)，2014，35（2）：25－26.

［5］李曉輝，張國(guó)新.近零排放機(jī)組加裝低溫省煤器運(yùn)行及效果分析［J］.東北電力技術(shù)，2015，36（5）：57－59.

Analysis and Optimized Measures on Vibration Mechanism of Low Temperature Economizer

GUAN Bo?wen
（Shenhua Guohua Guangtou Power Generation Co.，Ltd.，Liuzhou，Guangxi 545000，China）

The heating surface of low temperature economizer have vibration phenomenon after operation for given 300 MW subcritical power unit.In order to eliminate vibration，numerical simulation is adopted to analyze the gas flow field and frequency of sympathetic vibration is calculated for heating surface，the reason of vibration of low temperature economizer is studied.The countermeasures are ob?tained that guide plate in entrance gas flue channel of low temperature economizer，it is able to totally solve the problem of vibration for heating surface.

Vibration of heating surface；Low temperature economizer；Countermeasures；Frequency of sympathetic vibration

TK621

A

1004－7913（2016）09－0035－03

關(guān)博文（1989—），男，學(xué)士，工程師，從事火電廠集控運(yùn)行及調(diào)試檢修工作。

2016－05－20）