管式GGH振動(dòng)原因分析及對(duì)策

潘超群，葛春亮

(浙江天地環(huán)?？萍加邢薰荆憬贾?10003)

管式GGH振動(dòng)原因分析及對(duì)策

潘超群，葛春亮

(浙江天地環(huán)?？萍加邢薰荆憬贾?10003)

隨著管式GGH在超低排放改造中的大量應(yīng)用，設(shè)計(jì)時(shí)容易忽視管束的共振，對(duì)某廠600MW機(jī)組的管式GGH振動(dòng)進(jìn)行分析計(jì)算，判別為卡曼渦街與聲波引起的共振，通過對(duì)腔室加裝隔板，有效地消除了換熱器的振動(dòng)。關(guān)鍵詞:管式GGH;振動(dòng);分析;對(duì)策

管殼式換熱器是石油、化工、食品、醫(yī)藥等行業(yè)廣泛使用的工藝設(shè)備［1］。某廠超低排放改造中的1臺(tái)600MW機(jī)組，已通過運(yùn)行考核并移交生產(chǎn)，但機(jī)組非滿負(fù)荷運(yùn)行過程中，發(fā)現(xiàn)管式GGH煙氣冷卻器的在某負(fù)荷區(qū)間段內(nèi)存在振動(dòng)。

1 管式GGH振動(dòng)現(xiàn)象

管式GGH冷卻器并列布置4只，冷卻器運(yùn)行在420MW負(fù)荷時(shí)開始振動(dòng)。振動(dòng)來(lái)自冷卻器尾部，周圍伴有低沉的轟鳴聲。為找到振動(dòng)對(duì)應(yīng)的機(jī)組負(fù)荷區(qū)間，并觀察振動(dòng)變化情況，進(jìn)了增減負(fù)荷運(yùn)行試驗(yàn)，從300MW升至600MW后再降低至300MW。觀察發(fā)現(xiàn):中間2只冷卻器在500MW負(fù)荷前振動(dòng)隨負(fù)荷增加愈加增強(qiáng)后隨負(fù)荷降低趨于減緩;周邊2只冷卻器與中間兩只情況類似，但振動(dòng)最強(qiáng)時(shí)負(fù)荷為520MW;振動(dòng)負(fù)荷區(qū)間均在420MW～520MW。根據(jù)煙道布置、煙氣流場(chǎng)分布及實(shí)際運(yùn)行情況看，中間兩只冷卻器的煙氣量比周邊兩只冷卻器稍大。

其中較為特殊情況是在機(jī)組600MW負(fù)荷運(yùn)行一段時(shí)間后再降至500MW負(fù)荷附近短期運(yùn)行時(shí)，振動(dòng)強(qiáng)度明顯沒有升負(fù)荷階段相同負(fù)荷的振動(dòng)強(qiáng)烈;但運(yùn)行一段時(shí)間后，冷卻器振動(dòng)程度也會(huì)明顯增強(qiáng)。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)投運(yùn)冷卻器蒸汽吹灰器時(shí)振動(dòng)會(huì)減緩，管束振動(dòng)峰值對(duì)應(yīng)的負(fù)荷點(diǎn)發(fā)生偏移。

從負(fù)荷試驗(yàn)可知，煙氣流速在一定的臨界值區(qū)間，冷卻器管束將發(fā)生振動(dòng);在一定煙氣流速時(shí)，振動(dòng)強(qiáng)度趨于峰值;管束積灰程度對(duì)振動(dòng)有較大影響。

2 振動(dòng)原因分析

2.1 機(jī)理分析

管束式換熱器內(nèi)流體的運(yùn)動(dòng)十分復(fù)雜，煙氣的流速及方向不斷的發(fā)生不規(guī)則的變化，使換熱管束處在不均勻力場(chǎng)中，當(dāng)誘導(dǎo)振動(dòng)的頻率與管束固有頻率接近時(shí)，換熱器就會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的共振［2］。普遍認(rèn)為，橫向流是流體誘導(dǎo)管束振動(dòng)的主要根源［3］。主要有渦街振動(dòng)、紊流抖振、聲振動(dòng)三種型式。

2.1.1 渦街振動(dòng)

卡曼渦流作用力方向的交變性是由于在管子尾流的卡門渦街中，兩列旋轉(zhuǎn)方向相反的漩渦周期性均勻交替脫落所引起的?？鼫u流作用力的交變頻率等于漩渦脫落頻率。振動(dòng)頻率fv公式［4］:

式中:St為斯特羅哈準(zhǔn)數(shù)，無(wú)因次;V為最小界面處流速，m/s;d0為管束外徑，m。

2.1.2 紊流抖振

紊流產(chǎn)生的漩渦使管子受到隨機(jī)的波動(dòng)，當(dāng)其頻帶中的某一頻率與管子任一振型的自振頻率接近或相等時(shí)，便會(huì)導(dǎo)致大振幅的管子振動(dòng)。振動(dòng)頻率公示如下［4］:

式中:V為相鄰兩管道之間的平均流體流速，m/s; d0為管子外徑，m;L為縱向與橫向的管間距，m。2.1.3聲振動(dòng)

換熱器殼程中氣體或蒸汽流過換熱管時(shí)，在與流體和換熱管軸線均垂直的方向上形成聲學(xué)駐波。當(dāng)聲學(xué)駐波頻率與卡曼渦街頻率或紊流抖振主導(dǎo)頻率相耦合時(shí)，會(huì)使氣體介質(zhì)所具有的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為聲壓波，便發(fā)生聲學(xué)共振［5］。振動(dòng)頻率公式［4］:

fa=nC/2D(3)

式中:n為駐波的階數(shù)，1、2、3、4;C為特性長(zhǎng)度，一般情況下是指氣室的內(nèi)徑，即煙道的寬度，m;D為氣室中聲音傳播的速度，m/s。

2.2 計(jì)算分析

換熱管束發(fā)生振動(dòng)的基本條件是各種激發(fā)力的頻率等于或者接近管束的固有頻率;或者當(dāng)渦街頻率接近聲學(xué)駐波某階諧波的20%以內(nèi)時(shí)，比較容易發(fā)生聲學(xué)共振［6］。根據(jù)《鋼制管殼式換熱器》(GB 151－2014)，U型管束固有頻率計(jì)算公式如下［4］:

依據(jù)上述振動(dòng)分析計(jì)算式并結(jié)合廠家提供的冷卻器結(jié)構(gòu)圖紙，計(jì)算出各振動(dòng)頻率見表1。

表1 管式GGH冷卻器500MW負(fù)荷下各種頻率數(shù)據(jù)

從計(jì)算結(jié)果可以看出:

(1)三種主要振動(dòng)頻率皆與固有頻率有較大差距，不會(huì)引起共振;

(2)卡曼渦街、紊流抖振與聲駐波的二階諧波頻率比較接近，可引發(fā)聲學(xué)共振。

3 減振方案及處理效果

從振動(dòng)的發(fā)生機(jī)理看，防振措施主要有［4］:改變殼程流速，采取折流板的型式，改變流通面積或者改變機(jī)組運(yùn)行負(fù)荷。改變換熱管的固有頻率;在殼程沿平行氣流的方向插入隔板，減少氣室的寬度，可提高聲頻;在換熱管束外表面纏繞金屬絲或沿軸向安裝金屬條，可抑制周期性渦街的形成。

為方便施工且保證傳熱效率，解決聲學(xué)共振的常用辦法就是換熱器管束間加隔板。冷卻器的腔室加裝隔板后聲振頻率計(jì)算見表2。

表2 管式GGH冷卻器增設(shè)隔板后的計(jì)算結(jié)果

考慮到冷卻器的模塊高度方向上為8只，增加2層隔板不能將腔室等分，故考慮增設(shè)三層隔板，將原來(lái)的一個(gè)氣室分割成四個(gè)氣室。

經(jīng)冷卻器加裝隔板改造后，對(duì)冷卻器振動(dòng)進(jìn)行了緩慢升負(fù)荷的動(dòng)態(tài)觀察試驗(yàn)，結(jié)果表明:鍋爐全負(fù)荷段內(nèi)冷卻器無(wú)振動(dòng)情況發(fā)生，運(yùn)行平穩(wěn)。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，管式GGH的管束振動(dòng)比較復(fù)雜，引發(fā)原因主要為卡門渦街振動(dòng)、紊流抖振或聲振動(dòng)的頻率與管束固有頻率相近產(chǎn)生的共振。該機(jī)組通過增加防振隔板改變換熱器的聲振動(dòng)頻率，減振效果明顯，成功解決了管式GGH冷卻器的振動(dòng)問題，對(duì)類似管束式振動(dòng)問題的處理及管束換熱器的設(shè)計(jì)具有顯著地借鑒和指導(dǎo)意義。

［1］劉曉紅.螺旋隔板換熱器的研究現(xiàn)狀及應(yīng)用［J］.機(jī)電工程技術(shù)，2008，37(7):52－54.

［2］童魯海.管殼式換熱器的振動(dòng)特性分析與模態(tài)試驗(yàn)［J］.機(jī)電工程，2009，26(7):46－48.

［3］符興承，吳金星.管殼式換熱器管束振動(dòng)分析及防振措施［J］.化學(xué)工業(yè)與工程技術(shù)，2003(3):26－28.

［4］GB 151－2014，管殼式換熱器［S］.

［5］吳翔.管殼式換熱器管束振動(dòng)機(jī)理及改進(jìn)措施［J］.石油與化工設(shè)備，2012，15(10):62－64.

［6］柴錫強(qiáng)，熊建國(guó)，朱云水.鍋爐尾部煙道振動(dòng)原因分析及對(duì)策［J］.浙江電力，2004(6):6－9.

Analysis and countermeasures of the tubular－GGH vibration

As the tubular－GGH equipments are commonly and widely used in ultra－low emissions reform project in power plants，it may be that the design of the resonance tubes is overlooked.The vibration for tubular－GGH in a 600MW power－unit can be recognised as the resonation which caused by the Karman vortex streets and sound waves.But hopefully it can be effectively removed by installing the anti－vibration separator.

tubular－GGH;vibration;analysis;countermeasures

X701.3

B

1674－8069(2016)04－048－02

2016-01-04;

2016-01-22

潘超群(1984-)，男，本科，工程師，主要從事火電廠脫硫、脫硝等環(huán)保工程工藝設(shè)計(jì)工作。E－mail:pcq_68@163.com