管式空氣預(yù)熱器振動(dòng)分析與消除

林 偉

(中國(guó)石油化工股份有限公司鎮(zhèn)海煉化分公司，浙江 寧波 315200)

管式空氣預(yù)熱器振動(dòng)分析與消除

林 偉

(中國(guó)石油化工股份有限公司鎮(zhèn)海煉化分公司，浙江 寧波 315200)

大型列管式空氣預(yù)熱器存在振動(dòng)問(wèn)題，通過(guò)流體數(shù)值模擬軟件對(duì)其煙氣、空氣系統(tǒng)流場(chǎng)進(jìn)行模擬、分析和計(jì)算，發(fā)現(xiàn)振動(dòng)的原因主要是管束的卡門(mén)渦流頻率與空氣預(yù)熱器固有氣室頻率在低溫段符合產(chǎn)生共振條件、煙氣流動(dòng)不均勻等。通過(guò)加裝隔板改變管箱與煙氣腔體的固有氣室頻率成功消除振動(dòng)，取得了良好的消振效果。

管式空氣預(yù)熱器 流場(chǎng)模擬 振動(dòng) 自激振動(dòng) 卡門(mén)渦流 氣室固有頻率

某裝置加熱爐系統(tǒng)由共用對(duì)流室的四合一爐、帶引風(fēng)和通風(fēng)的底置余熱回收系統(tǒng)及排煙系統(tǒng)等組成，設(shè)計(jì)熱負(fù)荷為185 MW，2004年投用。余熱回收系統(tǒng)為煙氣-空氣換熱的兩級(jí)四程列管式空氣預(yù)熱器，上下兩級(jí)臥式布置，一級(jí)(高溫段)為釘頭管束，有1 396根Φ89 mm×5 800 mm的釘頭管；二級(jí)(低溫段)為搪瓷管束，有3 214根Φ51 mm×5 800 mm的搪瓷管?？諝庾吖艹?，從下部進(jìn)搪瓷管段，各管程之間用集箱連接，熱空氣從上部出預(yù)熱器；煙氣走殼程，從上部進(jìn)釘頭管段，冷煙氣從搪瓷管段下部出預(yù)熱器，通過(guò)引風(fēng)機(jī)進(jìn)入煙囪。

該空氣預(yù)熱器運(yùn)行中存在兩個(gè)問(wèn)題：一是在運(yùn)行5年后，低溫段搪瓷管陸續(xù)出現(xiàn)腐蝕穿孔，2012年將二級(jí)低溫段兩程空氣預(yù)熱器更換為整體設(shè)計(jì)的管束后運(yùn)行良好；二是空氣預(yù)熱器存在較大的振動(dòng)，振動(dòng)特點(diǎn)為在空氣預(yù)熱器壁面振動(dòng)最大，底部比上部大，振動(dòng)頻譜中單一頻率成分的幅值突出，隨著引風(fēng)機(jī)的變頻增加，空氣預(yù)熱器振幅變大，振動(dòng)頻率也發(fā)生轉(zhuǎn)移變大。分析認(rèn)為空氣預(yù)熱器的振動(dòng)為自激振動(dòng)，與煙氣流的流場(chǎng)密切相關(guān)，有必要對(duì)空氣預(yù)熱器的振動(dòng)原因進(jìn)行分析，并提出改進(jìn)措施。

1 空氣預(yù)熱器內(nèi)部流場(chǎng)模擬

利用流體數(shù)值模擬軟件對(duì)空氣預(yù)熱器內(nèi)煙氣、空氣流場(chǎng)進(jìn)行模擬運(yùn)算。入口條件選擇速度入口邊界條件，出口條件選擇壓力出口邊界條件，湍流模型選擇標(biāo)準(zhǔn)的k-ε方程模型。

1.1 管程流場(chǎng)模擬

空氣預(yù)熱器運(yùn)行排煙溫度為115 ℃，預(yù)熱空氣溫度為240 ℃，總質(zhì)量為415 t?？諝庥傻撞渴紫冗M(jìn)入直徑較小的搪瓷管，經(jīng)過(guò)帶導(dǎo)流板的集箱轉(zhuǎn)向進(jìn)入直徑較大的釘頭管。管程的空氣速度分布圖見(jiàn)圖1，由圖1的模擬結(jié)果可知：空氣在管程內(nèi)的流場(chǎng)分布不均勻，由于釘頭管管徑比搪瓷管大，氣體由搪瓷管轉(zhuǎn)入釘頭管后，氣體速度明顯變小。同時(shí)，轉(zhuǎn)向集箱內(nèi)雖設(shè)置了導(dǎo)流板，但受氣體流動(dòng)慣性影響，氣體局部區(qū)域出現(xiàn)了渦流。在轉(zhuǎn)角集箱的管束出口和導(dǎo)流板的轉(zhuǎn)角處存在渦流，渦流不斷產(chǎn)生和脫落會(huì)使氣體與相接觸的壁面受到連續(xù)交變力的作用，導(dǎo)致振動(dòng)和噪聲的產(chǎn)生，其中第二個(gè)轉(zhuǎn)角集箱內(nèi)渦流最大。

圖1 空氣預(yù)熱器管程空氣速度分布

1.2 殼程流場(chǎng)模擬

去空氣預(yù)熱器殼程的煙氣由頂部進(jìn)入釘頭管段，經(jīng)搪瓷管段在下部空腔內(nèi)90°轉(zhuǎn)向后，通過(guò)一個(gè)矩形轉(zhuǎn)圓形的煙道進(jìn)入引風(fēng)機(jī)，整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜。從模擬情況來(lái)看，振動(dòng)的原因涉及流體-結(jié)構(gòu)-聲學(xué)的多物理場(chǎng)耦合問(wèn)題，振動(dòng)是特定結(jié)構(gòu)中流場(chǎng)與聲動(dòng)相互作用導(dǎo)致的結(jié)果，如結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理、流傳運(yùn)行不穩(wěn)定，將誘發(fā)噪聲和振動(dòng)?？諝忸A(yù)熱器底部的煙氣流道是一個(gè)腔體，在特定頻率下與流體不穩(wěn)定流動(dòng)誘發(fā)的噪音發(fā)生聲共振，將加劇空氣預(yù)熱器的振動(dòng)。

根據(jù)模擬空預(yù)器殼層的速度分布情況，殼層內(nèi)流場(chǎng)局部區(qū)域存在高速區(qū)，煙氣流動(dòng)中受管束阻力的影響，部分流體趨向壁面流動(dòng)，故壁面處流體速度較大，在底部空腔轉(zhuǎn)角區(qū)域存在兩個(gè)大漩渦。考慮到空氣預(yù)熱器內(nèi)管子較多、底部空腔內(nèi)流場(chǎng)復(fù)雜，特截取管束局部區(qū)域和底部空腔進(jìn)行分析。

煙氣在上部釘頭管束和下部搪瓷管束流場(chǎng)分布相似，取搪瓷管束局部區(qū)域流場(chǎng)放大，如圖2所示。由圖2可見(jiàn)：管子兩側(cè)的流速較高，而管子背面流速較低，管子背面產(chǎn)生了渦流，這些渦流的產(chǎn)生和脫落會(huì)產(chǎn)生垂直于氣流方向的氣壓脈動(dòng)，當(dāng)渦流的脫落頻率與空氣預(yù)熱器管箱的固有氣室頻率接近或重合時(shí)，會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象。

圖3列出了空氣預(yù)熱器底部空腔內(nèi)煙氣速度分布情況?？傮w來(lái)看，由于煙氣需在底部較小空間內(nèi)改變流動(dòng)方向，使煙氣流動(dòng)變得十分不穩(wěn)定，速度分布不均勻，轉(zhuǎn)彎處速度較低。

圖3 空氣預(yù)熱器底部空腔煙道整體速度分布

空氣預(yù)熱器底部空腔截面煙氣流線見(jiàn)圖4。由圖4可以清晰看出：煙氣在流經(jīng)搪瓷管段后，在無(wú)約束的空腔內(nèi)由較小的漩渦發(fā)展為較大的漩渦，流動(dòng)十分不穩(wěn)定。

煙氣總體上是沿著煙道向出口流動(dòng)，但受搪瓷管段漩渦的影響，在流過(guò)90°彎管時(shí)，氣流出現(xiàn)雙螺旋流形式的二次流，并且在彎頭后還出現(xiàn)局部的渦流區(qū)。

圖4 空氣預(yù)熱器底部空腔煙道截面流線

2 空氣預(yù)熱器振動(dòng)分析與解決措施

通過(guò)分析模擬研究得出空氣預(yù)熱器管程和殼程內(nèi)的流場(chǎng)情況，結(jié)合相關(guān)理論，對(duì)空氣預(yù)熱器振動(dòng)原因進(jìn)行分析，并提出解決措施。

2.1 卡門(mén)渦流與管束振動(dòng)分析

當(dāng)氣流橫向沖刷圓管時(shí)，會(huì)在圓管的背面產(chǎn)生順時(shí)針和逆時(shí)針?lè)较虻匿鰷u，隨后漩渦又在氣流的作用下脫離圓管，這種周期性交替生成和脫離的漩渦被稱為Karman(卡門(mén))渦流。圖5為卡門(mén)渦流示意，對(duì)比煙氣通過(guò)空氣預(yù)熱器管子的流線圖，可見(jiàn)煙氣在流經(jīng)管子背面產(chǎn)生卡門(mén)渦流，這些漩渦從管子的兩側(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(mén)渦流的脫落頻率與管箱固有氣室頻率耦合時(shí)，就會(huì)激發(fā)空氣預(yù)熱器產(chǎn)生自激振動(dòng)，發(fā)出噪聲[1]。

圖5 卡門(mén)渦流示意

卡門(mén)渦流頻率可通過(guò)如下表達(dá)式計(jì)算：

式中：fk——卡門(mén)渦流頻率，Hz；

St——斯特勞哈數(shù)，對(duì)于錯(cuò)列管束，

式中：S1——管束橫向間距，m；

S2——管束縱向間距，m；

v——流體流速，m/s；

d——管子直徑，m。

對(duì)于空氣預(yù)熱器殼程管箱而言，管箱的固有氣室頻率與管箱的寬度有關(guān)，可通過(guò)下達(dá)式計(jì)算：

式中：fn——管箱固有氣室頻率，Hz；

n——駐波階次，n=1,2,3…；

c——工作條件下聲速，m/s；

L——管箱寬度，m。

當(dāng)卡門(mén)渦流脫落頻率和管箱中存在的某階駐波頻率相差不大時(shí)，可能激發(fā)該階駐波，從而產(chǎn)生共振[2～3]，一般以下式作為能否激起某階駐波的判據(jù)：

0.8fk出

式中：fk出——管箱出口處頻率，Hz；

fk入——管箱入口處頻率，Hz。

采用上述方法對(duì)空氣預(yù)熱器不同管箱段的卡門(mén)渦流頻率和管箱固有氣室頻率進(jìn)行計(jì)算，分析各段管箱是否會(huì)發(fā)生共振。根據(jù)管束排列特征，計(jì)算得到各管箱的斯特勞哈數(shù)。對(duì)于釘頭管段，S1=0.312 m，S2=0.185 m；對(duì)于搪瓷管段，S1=0.114 m，S2=0.105 m。一般空氣預(yù)熱器可能的操作彈性為50%～120%，分別針對(duì)操作彈性為50%和120%兩種情況進(jìn)行頻率的核算，計(jì)算得到的各管箱的卡門(mén)渦流頻率和管箱頻率分別見(jiàn)表1和表2。

表1 操作彈性為50%時(shí)不同段管箱的卡門(mén)渦流頻率和管箱固有氣室頻率 Hz

表2 操作彈性為120%時(shí)不同段管箱的卡門(mén)渦流頻率和管箱固有氣室頻率 Hz

根據(jù)振動(dòng)判斷依據(jù)計(jì)算：當(dāng)操作彈性為50%時(shí)，對(duì)于各層釘頭管段，卡門(mén)渦流頻率不會(huì)激發(fā)管箱的駐波。對(duì)于各搪瓷管段，當(dāng)n=1時(shí)，均滿足相應(yīng)的判據(jù)，說(shuō)明對(duì)于搪瓷管段，卡門(mén)渦流頻率會(huì)激發(fā)管箱的駐波。

當(dāng)操作彈性為120%時(shí)，對(duì)于各層釘頭管段，卡門(mén)渦流頻率不會(huì)激發(fā)管箱的駐波。對(duì)于搪瓷管(一)，當(dāng)n=3時(shí)，滿足判據(jù)，卡門(mén)渦流頻率會(huì)激發(fā)管箱的三階駐波；對(duì)于搪瓷管(二)和搪瓷管(三)，當(dāng)n=2和3時(shí)，均滿足判據(jù)，卡門(mén)渦流頻率會(huì)激發(fā)管箱的二階或三階駐波；對(duì)于搪瓷管(四)，當(dāng)n=2時(shí)，滿足判據(jù)，卡門(mén)渦流頻率會(huì)激發(fā)管箱的二階駐波。

此外，從卡門(mén)渦流頻率和管箱固有氣室頻率表達(dá)式可以看出，空氣預(yù)熱器入口氣速以及管子的排布方式對(duì)于振動(dòng)的影響很大。因此應(yīng)在生產(chǎn)負(fù)荷允許的范圍內(nèi)適當(dāng)降低流速，以減小卡門(mén)渦流頻率，從而減小振動(dòng)。此外，通過(guò)增加管箱的隔板數(shù)，增大管箱的固有氣室頻率，也可以減弱空氣預(yù)熱器的振動(dòng)。

2.2 空氣預(yù)熱器底部空腔煙道振動(dòng)分析

通過(guò)空氣預(yù)熱器底部空腔內(nèi)流場(chǎng)模擬，結(jié)合相關(guān)聲學(xué)理論，認(rèn)為可引發(fā)空氣預(yù)熱器底部振動(dòng)的原因主要有兩個(gè)：(1)煙氣流經(jīng)搪瓷管后在搪瓷管下方存在漩渦，流經(jīng)90°彎頭后形成雙螺旋流形式的二次流，且出現(xiàn)局部渦流區(qū)，空氣預(yù)熱器底部漩渦不斷發(fā)生和脫落，使和流體接觸的壁面受到交變力的作用，從而產(chǎn)生噪聲和振動(dòng)；而空氣預(yù)熱器底部的煙道也是個(gè)空腔體，當(dāng)漩渦的脈動(dòng)頻率與煙道腔體的固有頻率相近時(shí)會(huì)發(fā)生共振。(2)空氣預(yù)熱器底部上方搪瓷管段由于卡門(mén)渦流引起的聲波共振沿?zé)煔饬鲃?dòng)方向傳播，引風(fēng)機(jī)入口氣流不均所誘發(fā)的引風(fēng)機(jī)噪聲也會(huì)在煙道空腔內(nèi)傳播，當(dāng)其頻率與底部腔體的固有頻率相近時(shí)也會(huì)發(fā)生聲波共振，使空氣預(yù)熱器底部煙道發(fā)生振動(dòng)。

通過(guò)以上振動(dòng)分析，解決空氣預(yù)熱器底部振動(dòng)可以從以下幾方面入手。

(1)增加煙道長(zhǎng)度，使得煙氣流動(dòng)充分發(fā)展，煙氣流動(dòng)穩(wěn)定均勻。當(dāng)流體在管子內(nèi)為湍流流動(dòng)時(shí)，流體充分發(fā)展所需的管段長(zhǎng)度范圍為20～40倍管徑。通過(guò)模擬可知，當(dāng)煙道長(zhǎng)度為17 m左右時(shí)，管子中上方的低速區(qū)基本消失，煙氣在流道內(nèi)流動(dòng)基本均勻。

(2)將煙道系統(tǒng)進(jìn)行內(nèi)部或外部加固，如內(nèi)部“井”字形方式加固或外部沿周向加固等，以達(dá)到增加煙道剛度、改變腔體的固有頻率和均勻氣流的作用。

(3)在煙道中增加隔板，改變煙道腔體的固有頻率，避免發(fā)生聲波共振現(xiàn)象。

3 空氣預(yù)熱器消振措施的實(shí)施與效果

根據(jù)空氣預(yù)熱器振動(dòng)的原因分析，于2014年底檢修期間對(duì)該空氣預(yù)熱器系統(tǒng)實(shí)施消振，消振措施主要包括以下兩個(gè)方面。

(1)第一、二層搪瓷管束為固定管板，管箱固有氣室頻率無(wú)法改變，第三、四層搪瓷管束可整體抽出，沿搪瓷管方向增加兩塊隔板，改變管箱固有氣室頻率，可消除共振。增加中間隔板后的管箱固有氣室頻率、卡門(mén)渦流頻率計(jì)算見(jiàn)表3，管束增加隔板后見(jiàn)圖6。

表3 第四層搪瓷管段增加中間隔板后的管箱固有氣室頻率、卡門(mén)渦流頻率 Hz

圖6 搪瓷管段增加中間隔板

(2)在空氣預(yù)熱器底部空腔內(nèi)部增加“井”字形隔墻，增加煙道強(qiáng)度，均勻氣流，并避免聲波共振現(xiàn)象。

消振措施實(shí)施運(yùn)行一年半，途中歷經(jīng)兩次開(kāi)停，該空氣預(yù)熱器系統(tǒng)運(yùn)行正常，空氣預(yù)熱器操作負(fù)荷、引風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)牡偷礁?，未出現(xiàn)明顯的振動(dòng)、噪聲，消除了該空氣預(yù)熱器系統(tǒng)多年來(lái)的運(yùn)行安全隱患，消振工作取得圓滿成功。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)管式空氣預(yù)熱器系統(tǒng)進(jìn)行流體場(chǎng)模擬，分析振動(dòng)原因提出消振措施，并通過(guò)實(shí)踐消除空氣預(yù)熱器振動(dòng)，得出以下結(jié)論。

(1)管式空氣預(yù)熱器進(jìn)行流體流場(chǎng)數(shù)值分析可顯化存在的問(wèn)題，找到解決方案。

(2)空氣預(yù)熱器管束中增加隔板改變管箱固有氣室頻率是解決空氣預(yù)熱器振動(dòng)行之有效的方法。

(3)較大型的空氣預(yù)熱器設(shè)計(jì)階段要確認(rèn)是否符合卡門(mén)渦流頻率和氣室固有頻率的防振必要條件，尾部煙道是否會(huì)產(chǎn)生共振等，在出廠前預(yù)裝防振隔板。

(4)大型化后的空氣預(yù)熱器的振動(dòng)分析涉及到流體學(xué)、聲學(xué)等多物理場(chǎng)的耦合，要綜合多個(gè)因素考慮。

[1] 孔瓏.工程流體力學(xué)[M].北京：水利電力出版社,1992.

[2] 張玉國(guó)，徐欣欣，王琳.8#爐空氣預(yù)熱器振動(dòng)原因分析與解決方案[J].天津科技，2015，42(10)：84-87.

[3] 樓杰，蔣建偉，廖曉春.1 900 t/h鍋爐為部煙道振動(dòng)原因分析及處理[J].發(fā)電設(shè)備，2012，26(5)：365-368.

Analysis and Elimination of Vibration in Tubular Air Preheater

Lin Wei

(SINOPECZhenhaiRefining&ChemicalCompany,Ningbo，Zhejiang315200)

In order to solve the vibration problem of large-scale tubular air preheaters,the flow field of the flue gas and air system was simulated,analyzed and calculated with the fluid numerical simulation software.It was found that the vibration is mainly caused by the resonance due to the consistence of Karman vortex frequency and the natural frequency in the gas chamber of air preheater at the low temperature range,as well as inhomogeneous flue gas flow.Through installation of partitions to change the inherent frequency of air chamber in tube and flue gas chamber,the vibration was successfully eliminated,which achieved good results.

tubular air preheater,flow field simulation,vibration,self-excited vibration,Karman vortex,gas chamber natural frequency

2016-07-19。

林偉，男，1980年出生，2005畢業(yè)于遼寧石油化工大學(xué)化工過(guò)程機(jī)械專業(yè)，碩士，工程師，目前從事石化行業(yè)設(shè)備技術(shù)管理工作。

1674-1099 (2016)06-0019-05

TK229

A