機(jī)組負(fù)荷280 MW以上鍋爐尾部煙道低頻振動(dòng)問(wèn)題的防治研究

吉廷偉

（新疆昌吉特變能源有限責(zé)任公司，新疆昌吉831100）

1 鍋爐主要參數(shù)

我公司2×330 MW亞臨界機(jī)組采用的是武漢鍋爐廠制造的WGZ1130/17.5-1型鍋爐。該鍋爐為亞臨界參數(shù)、一次中間再熱、自然循環(huán)、固態(tài)排渣爐，單爐膛，∏型（封閉式）布置，全鋼架懸吊結(jié)構(gòu)，單爐平衡通風(fēng)，四角切向燃燒，擺動(dòng)燃燒器調(diào)溫，可以采用定壓運(yùn)行，也可以采用定-滑-定方式運(yùn)行。

汽包標(biāo)高65.5 m，爐頂大板梁標(biāo)高73 m。鍋爐爐膛截面為14 212 mm×14 212 mm，寬深比為1.0，正方形，配有正四角切向燃燒器，為爐膛四周熱負(fù)荷均勻提供了良好條件。爐室凈高54.5 m，爐膛截面積202 m2，爐膛容積8 947.95 m3，上排一次風(fēng)噴口中心線至屏底距離17.02 m，下排一次風(fēng)噴口中心線至灰斗拐角距離4.15 m。爐膛截面熱負(fù)荷4.26 MW/m（2B-MCR），容積熱負(fù)荷96.07 kW/m（3B-MCR），爐膛出口煙氣溫度1 021.8 ℃（B-MCR）。鍋爐主要參數(shù)如表1所示。

2 尾部煙道結(jié)構(gòu)

該爐型尾部后豎井深度為9 890 mm，包墻過(guò)熱器標(biāo)高40.2 m以上，前、后、側(cè)、頂部由管徑φ51×6 mm、材質(zhì)為20G的管子加焊扁鋼形成膜式壁。低溫過(guò)熱器位于包墻區(qū)域，分3組布置，自下而上3組管徑分別為φ51×7 mm、φ51×6.5 mm、φ51×6.5 mm，材質(zhì)分別為20G、15CrMo、12Cr1MoVG。低過(guò)熱器管子橫向節(jié)距S1=130 mm，爐寬方向共布置112片；管子縱向節(jié)距S2=150 mm，每片由5根管子繞成，每組間留有783 mm的檢修空間。省煤器蛇形管束布置在尾部豎井下部，位于標(biāo)高39.3 m以下，橫向節(jié)距94 mm，共104片，管徑為φ51×6 mm，材質(zhì)為20G，順列布置。

自給水管路出來(lái)的水由左、右兩側(cè)進(jìn)入標(biāo)高32 260 mm處省煤器進(jìn)口集箱，自下而上流經(jīng)省煤器蛇形管束，分3路引入3只省煤器中間集箱，再由此3只中間集箱引至出口集箱去汽包。省煤器區(qū)域及以下灰斗護(hù)板爐墻采用輕質(zhì)保溫材料復(fù)合結(jié)構(gòu)，外表面設(shè)有壓型板予以保護(hù)。

3 鍋爐振動(dòng)情況

根據(jù)機(jī)組運(yùn)行期間情況分析，尾部煙道振動(dòng)區(qū)域大概在省煤器煙道護(hù)板31 000 mm標(biāo)高上下3 m的范圍（即省煤器灰斗上方大概6 m高度范圍內(nèi)），并且煙道兩側(cè)的振動(dòng)最明顯。煙道內(nèi)發(fā)出像是煙氣遇阻時(shí)發(fā)出的很沉悶的低頻聲音。當(dāng)鍋爐負(fù)荷在280 MW左右，風(fēng)量達(dá)到1 060 t/h時(shí)，鍋爐出現(xiàn)振動(dòng)。甘肅電科院通過(guò)嘗試過(guò)對(duì)燃燒器進(jìn)行擺動(dòng)調(diào)試，起不到明顯的效果。

4 鍋爐尾部振動(dòng)原因分析

當(dāng)流體（鍋爐中的煙氣流）掠過(guò)圓柱形障礙物時(shí)，障礙物后部的煙氣尾流就不再呈規(guī)律分層流動(dòng)了，而是呈現(xiàn)一種周期性有規(guī)律的、明顯的順時(shí)針?lè)较蚧蚰鏁r(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)的旋渦。旋渦以一種均勻的、周期性的狀況脫落，此種現(xiàn)象稱為“卡門渦流”。氣流旋渦周期性脫落會(huì)激發(fā)產(chǎn)生一種各相間有一定差數(shù)的頻率。這種在管子或管群兩邊的旋渦交替脫落引起了垂直氣流方向作用于管子上的力的交變。當(dāng)旋渦脫落頻率和流體介質(zhì)的駐波的固有頻率接近或重合時(shí)，就可能引起爐墻振動(dòng)、產(chǎn)生強(qiáng)烈的噪聲和煙氣流壓力降增大。

5 解決尾部煙道振動(dòng)問(wèn)題的思路

解決上述問(wèn)題的方法是將共振氣室分隔成較小的氣室，使煙道的駐波固有頻率不同于渦流脫落的激振頻率，而且不是激振頻率的整數(shù)倍。這種消除共振的方法可在氣流最大位移處裝置隔板來(lái)實(shí)現(xiàn)。從原理上說(shuō)，解決駐波振動(dòng)問(wèn)題的簡(jiǎn)單方法就是只要裝上消除共振的隔板，但事實(shí)上要比這個(gè)更加復(fù)雜。最直接的問(wèn)題是如何確定隔板放置的位置。

對(duì)駐波的情況作一種微觀分析，為橫跨鍋爐尾部煙道凈寬的4種駐波：基本波（半波）和其他3種諧波。根據(jù)其頻率和煙道實(shí)際凈寬余，任一種駐波必定是上述形狀的一種或幾種。駐波可以表示為位移形式和壓力形式。位移曲線是說(shuō)明任一瞬時(shí)氣流分子的橫向位移振幅。

因此，在基本半波中，側(cè)墻處的氣體不產(chǎn)生脈動(dòng)，但在接近煙道中心處，氣體分子以最大振幅作激烈振動(dòng)。壓力曲線與位移曲線的相位差為90°。在側(cè)墻處，壓力在零值上下作劇烈波動(dòng)；而在煙道中心處壓力波節(jié)隨時(shí)間沒(méi)有明顯變化。全波有3個(gè)位移波節(jié)和2個(gè)壓力波節(jié)。位移波節(jié)和壓力波節(jié)之間的關(guān)系可由伯努利定理說(shuō)明，最大位移點(diǎn)對(duì)應(yīng)于最小壓力點(diǎn)，而零位移點(diǎn)則對(duì)應(yīng)最大壓力點(diǎn)。在固定爐墻處位移均為零，故所有諧波總是半波的倍數(shù)。

從理論上說(shuō)，振動(dòng)的發(fā)生范圍可以由旋渦脫落頻率公式的計(jì)算，以及將其值與氣柱固有頻率進(jìn)行比較后等到。然而，由于煙氣溫度、速度和斯特羅哈數(shù)的誤差和變化，這一方法是不可靠的。本文目的是建立一個(gè)設(shè)計(jì)公式，應(yīng)用這一公式，就有可能在鍋爐安裝時(shí)用設(shè)置隔板的方法去預(yù)防振動(dòng)。

從理論上講，將隔板放在煙道的任何地方總是能消除基本駐波的，而且煙道中心是最佳位置。但是，放在煙道中心對(duì)于第二諧波的消除沒(méi)有任何作用，因?yàn)橹行恼檬侨ǖ奈灰乒?jié)點(diǎn)。故這樣放隔板對(duì)全波沒(méi)有用處，全波會(huì)以基本半波的形式在兩側(cè)運(yùn)動(dòng)。對(duì)于全波來(lái)說(shuō)，最佳位置是在特殊寬度處，這樣可使它遠(yuǎn)離任何一個(gè)波節(jié)點(diǎn)。但是不應(yīng)該在兩個(gè)對(duì)稱處都加隔板，不然的話，將在兩個(gè)隔板之間形成半波。

根據(jù)鍋爐統(tǒng)計(jì)資料來(lái)看，可以斷定凈寬較小的鍋爐是不需要加隔板的。超過(guò)一定寬度的鍋爐，最擔(dān)心的是發(fā)生全波振動(dòng)，因此應(yīng)增加隔板。在煙道內(nèi)加隔板還可以消除1/2和3/2駐波。當(dāng)鍋爐寬度較大時(shí)，為了不出現(xiàn)大于引起聲振的空腔，就必須另加隔板。在裝置多塊隔板時(shí)，要注意不應(yīng)對(duì)稱安裝，即相鄰兩空腔寬度不應(yīng)相等或接近相等，同時(shí)，相鄰兩空腔寬度亦不應(yīng)接近于2倍。如果發(fā)生2倍的情況，就滿足了產(chǎn)生3/2波的條件。所加裝隔板位置除了最后兩個(gè)空腔寬度比為3倍外，其余的寬度自左至右總是保持為4:3。

6 消除振動(dòng)的具體方案

根據(jù)詳細(xì)計(jì)算，從爐左至爐右，在低過(guò)熱器區(qū)域的管屏上布置3塊隔板，理論計(jì)算位置如圖1所示，實(shí)際位置允許在受熱面一個(gè)節(jié)距范圍內(nèi)調(diào)整。

圖1 鍋爐防振隔板安裝理論位置

防振隔板安裝施工圖如圖2所示。

根據(jù)防振隔板理論計(jì)算位置后，豎井低過(guò)管屏區(qū)域加裝了3道隔板，隔板采用厚度δ=3 mm、材質(zhì)為12Cr18Ni9的不銹鋼材料，每組隔板均由3塊鋼板搭接而成，每組隔板均有6個(gè)點(diǎn)與受熱面管子采用U型圓鋼進(jìn)行固定，并且隔板與固定件之間可以產(chǎn)生相互滑動(dòng)，這樣既能保證隔板平整，又能消除膨脹差產(chǎn)生的附加力。防振隔板上部?jī)啥送ㄟ^(guò)銷軸連接掛在前包墻和后包墻上面。

圖2 防振隔板安裝施工圖

7 結(jié)語(yǔ)

為消除鍋爐尾部煙道低頻振動(dòng)問(wèn)題，該鍋爐加裝了防振隔板后，經(jīng)過(guò)機(jī)組長(zhǎng)期運(yùn)行的觀察和驗(yàn)證，機(jī)組在高負(fù)荷區(qū)域尾部煙道的低頻振動(dòng)消失。該防振隔板方案理論依據(jù)充分、明確，實(shí)踐應(yīng)用效果明顯。實(shí)踐證明，鍋爐尾部煙道增設(shè)防振隔板是解決煙道振動(dòng)問(wèn)題的有效手段。