某煙化爐余熱鍋爐受熱面振動分析

郝玉剛

(中國恩菲工程技術(shù)有限公司，北京 100038)

0 前言

余熱鍋爐是有色冶煉廠中的一個重要節(jié)能減排設(shè)備，與冶金爐緊密相連，可以有效地降低冶金爐排出的高溫煙氣溫度，回收煙氣中的部分煙塵，為后續(xù)煙氣處理的降溫除塵提供必要支撐，實現(xiàn)整個冶煉工藝流程的連續(xù)穩(wěn)定運行。余熱鍋爐吸收煙氣中的熱量，轉(zhuǎn)化成飽和蒸汽或過熱蒸汽用來驅(qū)動汽輪發(fā)電機組發(fā)電，同時可以從汽輪機組第二級抽出低壓蒸汽供生產(chǎn)、生活蒸汽用戶使用，實現(xiàn)有效的節(jié)能減排[1]。

有色冶煉余熱鍋爐非標設(shè)備設(shè)計技術(shù)是中國恩菲工程技術(shù)有限公司的核心專長技術(shù)，從上世紀五六十年代引進國外余熱鍋爐設(shè)計技術(shù)開始，經(jīng)過幾代工程設(shè)計師幾十年的研究、設(shè)計、工程應(yīng)用，并不斷在實踐中修正，解決了余熱鍋爐煙塵結(jié)焦、煙氣腐蝕、受熱面振動、爆管、漏風等多種問題，取得了一次又一次的技術(shù)進步，目前中國恩菲的有色余熱鍋爐設(shè)計技術(shù)處于國內(nèi)領(lǐng)先、世界一流的水平。

早期設(shè)計的余熱鍋爐偶爾有受熱面振動情況，增加了余熱鍋爐的檢修時間，影響了余熱鍋爐及整個冶煉廠的作業(yè)率。本文以某冶煉廠煙化爐余熱鍋爐為例，分析討論該煙化爐余熱鍋爐對流區(qū)左右側(cè)受熱面及爐罩受熱面產(chǎn)生振動的原因及解決措施，對該工程問題進行梳理和總結(jié)，希望對后續(xù)工程設(shè)計和投產(chǎn)后解決問題起到一定的借鑒作用。

1 余熱鍋爐的基本情況

余熱鍋爐作為某余熱回收系統(tǒng)的核心設(shè)備，配置在煙化爐后部，用于吸收煙化爐排出煙氣攜帶的余熱，降低煙化爐排出煙氣溫度?？紤]到煙化爐的工作特點，配置了三通道余熱鍋爐，包括爐罩、上升煙道、下降煙道、輻射區(qū)、對流區(qū)、出口煙道等部件，其中爐罩、上升煙道、下降煙道布置在室內(nèi)，輻射區(qū)、對流區(qū)、出口煙道等布置在室外。余熱鍋爐的工程設(shè)計及現(xiàn)場實際運行工況的主要參數(shù)見表1。

表1 余熱鍋爐的主要參數(shù)

該余熱回收系統(tǒng)的輔助設(shè)備包括電動給水泵、電動循環(huán)泵、除氧器、鍋筒、定期排污擴容器、清灰裝置等。電動給水泵和電動循環(huán)泵布置在室內(nèi)，均為2臺，采用一用一備的運行方式；除氧器為大氣式熱力除氧器，布置在室內(nèi)，用于除鹽水除氧，除氧后由給水泵打入余熱鍋爐鍋筒；鍋筒布置在余熱鍋爐頂部的室內(nèi)，有一定的水容積，使余熱鍋爐穩(wěn)定運行，并保證鍋爐水循環(huán)順利進行；定期排污擴容器布置在室外，用于接收鍋筒、集箱等的排污；清灰裝置包括高能脈沖清灰和彈簧振打清灰兩種形式，高能脈沖清灰主要布置在對流管束頂部，彈性振打清灰裝置布置在余熱鍋爐的爐罩、上升煙道、下降煙道、輻射區(qū)等部位。

2 余熱鍋爐受熱面振動的原因及解決措施

該余熱鍋爐投產(chǎn)后整體運行狀態(tài)良好，鍋爐的蒸發(fā)量、工作壓力、出口煙氣溫度都達到了設(shè)計的額定值，但是在投產(chǎn)初期出現(xiàn)了受熱面振動、管道振動的情況，振動部位主要是在爐罩左右受熱面、對流區(qū)左右側(cè)受熱面和與余熱鍋爐受熱面連接的管道。針對受熱面的振動情況，設(shè)計人員根據(jù)設(shè)計圖紙、查閱了大量文獻，與業(yè)主進行了認真的分析討論，提出了一些較為有效的解決措施。

2.1 優(yōu)化煙化爐操作

煙化爐為間斷作業(yè)，每天操作9爐左右，每爐操作周期約140 min，其中加料期約20 min，吹煉期約100 min，出渣期約20 min[2]。每個工作期的煙氣量不相同，吹煉期是有效工作期，煙氣量最大；加料期和出渣期煙氣量為正常吹煉期煙氣量的30%～50%。

由于煙化爐的間斷性作業(yè)制度，產(chǎn)生并進入余熱鍋爐的煙氣量具有很大的波動性，煙氣在余熱鍋爐內(nèi)的流速和對余熱鍋爐受熱面的側(cè)推力都具有不確定性和波動性，導致余熱鍋爐左右側(cè)受熱面發(fā)生振動。

為了從源頭上解決上述原因?qū)е碌腻仩t受熱面振動，決定改變煙化爐的傳統(tǒng)操作制度，在加料期和出渣期不減少粉煤的噴吹量，使煙化爐在這兩個工作期產(chǎn)生的煙氣量與吹煉期基本相同，不產(chǎn)生很大的波動。這樣，就保證了煙化爐煙氣流經(jīng)余熱鍋爐的速度相對穩(wěn)定，對受熱面的側(cè)推力相對恒定，在一定程度上減弱了余熱鍋爐受熱面的振動，促進了余熱鍋爐的安全穩(wěn)定運行。

2.2 調(diào)整振動頻率

內(nèi)部煙氣的氣動激振力頻率和受熱面管道內(nèi)汽水混合物產(chǎn)生的激振力頻率與受熱面的固有振動頻率接近，當頻率接近時就容易產(chǎn)生共振，在受熱面上表現(xiàn)出較大振幅[3-5]。由于余熱鍋爐受熱面已經(jīng)制造安裝完成，其振動頻率是確定的，不能再改變，只能從以下兩個方面調(diào)整振動頻率：

1)調(diào)整煙氣的氣動激振力頻率。調(diào)整煙化爐投料量和燃燒方式，使煙化爐煙氣量穩(wěn)定在某一數(shù)值，使煙化爐煙氣在余熱鍋爐內(nèi)流動的激振力頻率高于受熱面的固有頻率。

2)調(diào)整受熱面管道汽水混合物的激振力頻率。調(diào)整余熱鍋爐受熱面汽水的運行壓力、溫度等，使汽水混合物的激振力頻率高于受熱面的固有頻率。

通過以上調(diào)整，煙氣的氣動激振力頻率和汽水混合物的激振力頻率均高于受熱面的固有頻率，避免了共振引起受熱面振動。

2.3 減少鍋爐管道振動

圖1 管道支吊架熱膨脹偏移情況

在冶煉廠余熱鍋爐平臺進行現(xiàn)象觀察時，發(fā)現(xiàn)與余熱鍋爐受熱面連接的管道存在較強烈的振動，管道支吊架的偏移量非常大，如圖1所示。管道振動對余熱鍋爐受熱面有較大的推拉力，使得受熱面發(fā)生振動。

根據(jù)李煒煒[6]和邢景偉[7]的研究，消除管道振動的措施有：調(diào)整管道系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的固有頻率，從而避免共振現(xiàn)象的發(fā)生，降低管道對激振力的響應(yīng)程度；小角度轉(zhuǎn)彎法，削減流體脈動作用于管道上的激振力；優(yōu)化剛度法，理論上剛度增大，管道的基頻隨之增加，有利于減少管道振動；通過改變工質(zhì)參數(shù)(如壓力、流速、溫度等)，使管系振動減弱并控制在理想范圍內(nèi)。根據(jù)上述經(jīng)驗，決定采取以下措施消除管道振動：

1)重新對管道進行應(yīng)力計算。根據(jù)投產(chǎn)后的實際運行工況，重新對管道進行運行工況模擬計算，重點關(guān)注模擬計算管道的振動情況、存在較大熱位移的位置等，分析管道振動原因。

2)根據(jù)應(yīng)力計算結(jié)果和現(xiàn)場實際運行情況，局部調(diào)整管道布置。在滿足設(shè)計和工藝要求時，盡可能使管道走向平直，減少彎頭的使用；需要選擇彎頭時，盡量使用轉(zhuǎn)彎角度小的彎頭，以減小管道流通阻力，減少管道運行中的晃動。

3)在應(yīng)力計算分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)場實際運行情況，調(diào)整設(shè)置支吊架。對于熱位移大的地方，部分彈簧支架更改成彈簧吊架；對于側(cè)位移大的地方，增加限位支架，減少側(cè)向位移；克服原來管道大多為彈簧支架導致管系過于柔軟的情況，在適當位置增加滑動支架、固定支架，提高整個管系的剛度。

通過對管道布置和管道支吊架的調(diào)整，提高了管系的剛度，增加了管道的基頻，削減了流體脈動作用于管道上的激振力，從而減少了整個管系的振動。

2.4 設(shè)置導向裝置

在現(xiàn)場查看余熱鍋爐振動區(qū)域時，發(fā)現(xiàn)余熱鍋爐對流區(qū)左右側(cè)振動較大，爐罩左右側(cè)振動較大，撥開余熱鍋爐保溫層，發(fā)現(xiàn)原有的對流區(qū)導向裝置制造間隙較大。導向裝置現(xiàn)場施工安裝情況如圖2所示，余熱鍋爐對流區(qū)左右側(cè)振動較大區(qū)域如圖3所示。

針對余熱鍋爐對流區(qū)左右側(cè)和爐罩受熱面的振動情況，就導向裝置設(shè)置的問題采取以下措施：

1)增加導向裝置。由于撥開保溫的區(qū)域振動比較大，結(jié)合原有設(shè)計圖紙，擬定在該區(qū)域增加3層導向裝置，導向裝置可以限制受熱面的機械振動，減緩受熱面的振動幅度。

圖2 導向裝置安裝圖

圖3 對流區(qū)左右側(cè)振動較大區(qū)域

2)減小導向裝置的間隙。原設(shè)計的導向裝置斜面距離滾軸的間距為1 mm，實際施工間距約為2 mm。間距過大，滾軸在導向槽中移動時出現(xiàn)晃動，引起受熱面振動，針對這個問題，嚴格按照設(shè)計圖紙調(diào)整了部分導向裝置的做法。

3)調(diào)整爐罩導向裝置。原設(shè)計爐罩支撐導向裝置為圓孔，爐罩向四周的膨脹是無組織、不受約束的，這樣容易使爐罩受熱面出現(xiàn)振動。結(jié)合工程實際情況，調(diào)整了設(shè)計圖紙，將爐罩左右兩側(cè)的支撐導向裝置中間點設(shè)計成固定的圓孔，兩邊的設(shè)計成長孔，長孔方向沿著受熱面膨脹的方向。

通過上述增加導向裝置及對導向裝置的調(diào)整，在一定程度上解決了導向裝置引起的余熱鍋爐受熱面的振動。

3 結(jié)束語

余熱鍋爐是有色冶煉廠生產(chǎn)過程中的一個重要設(shè)備，其安全連續(xù)穩(wěn)定運行對冶煉工藝的連續(xù)性、實現(xiàn)煙氣降溫除塵、實現(xiàn)節(jié)能減排都具有重要的意義。本文就早期設(shè)計的煙化爐余熱鍋爐出現(xiàn)受熱面振動情況及原因進行了分析，包括煙化爐操作制度、振動頻率、鍋爐受熱面連接管道振動、導向裝置的設(shè)置等多個方面，并采取了相應(yīng)的綜合措施，在一定程度上減緩和解決了該余熱鍋爐受熱面振動的問題，同時為后續(xù)其他類似工程問題的解決提供一定的借鑒。