煙道式余熱鍋爐振動情況分析

李發(fā)彪，段維飛，鄒 勇

（涼山礦業(yè)股份有限公司昆鵬公司，四川 會理 615100）

涼山礦業(yè)股份有限公司昆鵬公司艾薩爐余熱鍋爐是配套艾薩爐熔池熔煉而設(shè)計制造的煙道式余熱鍋爐。冶煉原料從頂部加料口進入艾薩爐內(nèi)，在頂部供風(fēng)噴槍的攪拌下，與熔池內(nèi)高溫熔體接觸反應(yīng)。熔煉反應(yīng)生成的煙氣經(jīng)余熱鍋爐上升煙道、下降煙道、水平煙道等受熱面換熱冷卻后至收塵系統(tǒng)。

這臺鍋爐在投運6年后，突然出現(xiàn)了水平煙道劇烈振動的情況；此后該振動情況一直伴隨著整個鍋爐系統(tǒng)運行過程。

圖1 艾薩爐余熱鍋爐示意圖

1 煙道振動原因分析及確認

1.1 對煙道振動部位測量

艾薩爐熔煉可以分為停產(chǎn)保溫、低負荷正生產(chǎn)、正常負荷生產(chǎn)及滿產(chǎn)四種生產(chǎn)狀態(tài)，這四種生產(chǎn)狀態(tài)都有煙道振動的情況。經(jīng)過一段時間的觀察測量，發(fā)現(xiàn)停產(chǎn)保溫時，振動最劇烈的部位是下降煙道；其他生產(chǎn)狀態(tài)，振動最劇烈的部位都是水平煙道。由于整個余熱鍋爐煙道都是包裹在保溫層中影響振動檢測結(jié)果，我們選取了裸露在外的人孔門作為測量點。

表1 艾薩爐余熱鍋爐煙道振動情況測量結(jié)果

上表是通過采用點檢儀對艾薩爐滿負荷生產(chǎn)時各人孔門振動測量數(shù)據(jù)。從表中數(shù)據(jù)可以看出位于水平煙道進口凝渣管束位置附近的人孔門是振動最劇烈的點。

1.2 煙道振動原因分析

造成余熱鍋爐煙道振動原因比較復(fù)雜，通過相關(guān)資料及余熱鍋爐運行情況分析，認為最可能的原因為四種[1]：①風(fēng)機等旋轉(zhuǎn)設(shè)備運行影響、②固定件損壞、③熔池反應(yīng)產(chǎn)生的煙氣駐波、④煙氣通過管束時形成的卡門渦流。考慮到振動持續(xù)時間長、振動部位變化等因素我們排除了旋轉(zhuǎn)設(shè)備影響和固定件損壞是振動的主要原因。

現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)表明波動最劇烈的位置正好處于余熱鍋爐水平煙道進出口位置。該位置內(nèi)設(shè)置有大量縱向布置的換熱管束。煙氣經(jīng)過這些圓形管束，在管束左右兩側(cè)可能形成卡門渦流。

卡門渦流會對管束管壁產(chǎn)生周期性的橫向作用力，引起的煙氣中的壓強場發(fā)生變化，引起余熱鍋爐振動；同時當卡門渦流頻率與余熱鍋爐部件固有頻率一致時，可能產(chǎn)生共振現(xiàn)象，也會引起余熱鍋爐煙道振動。同時這個部位的煙氣壓力波動也是整個余熱鍋爐煙道最大點，達到了±100Pa。我們判斷余熱鍋爐煙道振動的原因是卡門渦流和煙氣駐波共振產(chǎn)生的[2]。

1.2.1 煙氣駐波頻率計算

根據(jù)煙氣駐波頻率計算公式[3]：

余熱鍋爐水平煙道入口共振區(qū)域特性長度L約為7m，溫度T約為873K，計算的煙氣駐波頻率為42.2Hz。

1.2.2 卡門渦流頻率計算

根據(jù)卡門渦流頻率計算公式

fk=St＊V/D

余熱煙道內(nèi)管束為順序排列，其中橫向間距為140mm、縱向間距為100mm。而在生產(chǎn)過程中受管束外表面結(jié)灰影響，管子外徑由38mm增加到65mm。根據(jù)St-Xt關(guān)系曲線，當管子外徑為38mm時，取斯特勞哈爾數(shù)St=0.13；當管子外徑為65mm時，取斯特勞哈爾數(shù)St=0.4。經(jīng)測量核算余熱鍋爐水平煙道入口煙氣流速為7.1m/s。經(jīng)計算新裝余熱鍋爐卡門渦流頻率為24Hz，而現(xiàn)余熱鍋爐卡門渦流頻率為43.6Hz。

圖2 St-Xt關(guān)系圖曲線

鍋爐卡門渦流頻率計算結(jié)果與駐波頻率計算值相吻合，證明卡門渦流是鍋爐煙道振動的主要原因。

2 應(yīng)對措施

通過上述分析，解決余熱鍋爐煙道振動可以從兩方面解決。

2.1 穩(wěn)定煙氣駐波

行業(yè)內(nèi)常見解決鍋爐煙道共振的方法是增加煙氣隔板，減少煙道共振區(qū)域?qū)挾?，以提高煙道駐波頻率。此方法也在實際生產(chǎn)過程中證明了其良好效果。但是對于本文研究的余熱鍋爐來說，需要考慮冶金爐生產(chǎn)的連續(xù)性，此方法只能作為下一步實施的備用方案。

昆鵬公司從穩(wěn)定艾薩爐熔池熔煉入手，通過采取穩(wěn)定加料量、供風(fēng)等措施，減少煙氣劇烈波動。平穩(wěn)了艾薩爐熔池熔煉反應(yīng)過程，熔煉產(chǎn)生的煙氣量就會恒定在一定區(qū)間，使振動位置負壓波動范圍減少，達到減少振動的目的。同時也避免了將未反應(yīng)的原料吸入余熱鍋爐煙道，造成熔煉反應(yīng)在煙道內(nèi)進行，引起煙氣共振區(qū)域特性長度變化的情況。

2.2 調(diào)整卡門渦流頻率，避免共振

通過上述分析可知，余熱鍋爐煙道振動重要原因是煙道管束外徑增加造成煙道卡門渦流頻率上升引起的。降低卡門渦流頻率，讓卡門渦流頻率與余熱鍋爐煙氣頻率拉開差距，避免共振，從而有效緩解余熱鍋爐煙道振動問題。可以通過一定方式清理管束結(jié)灰，重新恢復(fù)管束外徑，能夠有效降低卡門渦流頻率。也可以通過對余熱鍋爐煙道結(jié)渣控制，使煙道阻力降低，降低鍋爐負壓的方法；通過降低煙氣流速，來降低卡門渦流頻率。

昆鵬公司通過對艾薩爐補充二次燃燒風(fēng)等方法，使物料在艾薩爐內(nèi)充分反應(yīng)。同時在物料中配入一定的CaO，使余熱鍋爐煙道內(nèi)灰渣疏松脆化，易于清理。通過這些措施，結(jié)合著余熱鍋爐煙道上布置的清灰裝置，使煙道結(jié)灰情況明顯減少，振動情況也得到了有效緩解。

3 總結(jié)

鍋爐煙道振動影響因素很多，需要根據(jù)具體原因采取不同對策。尤其是對于冶煉爐余熱鍋爐來說，其是受冶煉反應(yīng)影響很大，在原因分析和措施實施過程中，一定要充分考慮冶煉工藝的影響。

本次艾薩爐余熱鍋爐煙道振動是卡門渦流頻率和煙氣駐波耦合產(chǎn)生的，如何在以后運行的過程中，避免振動的發(fā)生還需要我們繼續(xù)論證。