電站鍋爐爐墻異常振動(dòng)的分析及建議

摘要：通過(guò)對(duì)某鍋爐爐墻異常振動(dòng)的調(diào)研和分析，確定了爐墻振動(dòng)的主要原因是卡門渦流的聲學(xué)共振及煙道剛性下降?？ㄩT渦流的脫落頻率與管束間煙氣柱聲學(xué)駐波的固有頻率耦合，激發(fā)起煙氣柱發(fā)生強(qiáng)烈的自激振動(dòng)，加之煙道阻尼器老化，煙道剛性降低，繼而引起尾部煙道的振動(dòng)。闡述了卡門渦街門渦流頻率和低溫過(guò)熱器管束間駐波頻率的計(jì)算方法，并提出了防止?fàn)t墻振動(dòng)的措施。

關(guān)鍵詞：爐墻;振動(dòng);卡門渦街;煙道駐波;聲學(xué)共振

1.概述

某鍋爐為東方鍋爐廠DG1900/25.4-Ⅱ1型超臨界參數(shù)、變壓、直流、本生型鍋爐，其尾部豎井煙道前側(cè)為再熱煙道，后側(cè)為過(guò)熱煙道，分別通過(guò)各自的煙氣擋板調(diào)節(jié)汽溫。該機(jī)組在提高負(fù)荷至近600MW工況時(shí)，豎井煙道右后側(cè)處爐管泄漏測(cè)點(diǎn)頻繁報(bào)警，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)查看，發(fā)現(xiàn)此處爐墻振動(dòng)大。

國(guó)際上對(duì)爐墻振動(dòng)的研究始于20世紀(jì)50年代，早期遇到的是由karman（卡門）渦流所引起的振動(dòng)，解決這方面的振動(dòng)在理論和實(shí)踐方面取得了顯著的成效，并且設(shè)計(jì)階段就加以考慮。上世紀(jì)70年代至今，爐墻振動(dòng)研究已轉(zhuǎn)向燃燒方面，主要在控制燃燒的穩(wěn)定性方面取得了某些進(jìn)展，但距理論上解決還有相當(dāng)距離。國(guó)內(nèi)在上世紀(jì)60年代就曾解決過(guò)由于流體流經(jīng)管束而引起的鍋爐振動(dòng)問(wèn)題。

振動(dòng)產(chǎn)生的危害非常大，對(duì)鍋爐的鋼性梁等構(gòu)件會(huì)產(chǎn)生較大的疲勞應(yīng)力，同時(shí)對(duì)爐內(nèi)的受熱面也會(huì)帶來(lái)破壞應(yīng)力，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成爆管。

2.案例問(wèn)題分析

2.130號(hào)爐管泄漏報(bào)警裝置誤報(bào)

查詢歷史曲線發(fā)現(xiàn)，自2020年4月19日3號(hào)鍋爐檢修完成啟動(dòng)至8月10日，機(jī)組負(fù)荷很少高于500MW，30號(hào)爐管泄漏測(cè)點(diǎn)每天10：00左右即出現(xiàn)瞬時(shí)報(bào)警。

經(jīng)查詢歷史曲線，30號(hào)爐管泄漏測(cè)點(diǎn)吹灰時(shí)間關(guān)系相關(guān)性較強(qiáng)，分析發(fā)現(xiàn)，30號(hào)爐管泄漏出現(xiàn)報(bào)警與此處吹灰時(shí)間吻合，且該測(cè)點(diǎn)與吹灰器距離較近，不足0.5m，而其他測(cè)點(diǎn)與吹灰器距離較遠(yuǎn)，且極少出現(xiàn)報(bào)警現(xiàn)象。而報(bào)警與負(fù)荷等其他因素?zé)o相關(guān)性，另外經(jīng)核實(shí)補(bǔ)水量無(wú)明顯變化，不存在爐管泄漏，因此認(rèn)為該測(cè)點(diǎn)爐管泄漏報(bào)警是由于吹灰振動(dòng)所致的誤報(bào)。

2.2聲學(xué)共振

自8月10日起，3號(hào)鍋爐負(fù)荷率大幅提高，當(dāng)機(jī)組負(fù)荷升至600MW時(shí)，豎井煙道后側(cè)區(qū)域的29、30、31、34號(hào)爐管泄漏測(cè)點(diǎn)頻繁報(bào)警，其中位于右側(cè)的30、32號(hào)測(cè)點(diǎn)尤為劇烈，且經(jīng)核實(shí)爐管無(wú)泄漏，依然為振動(dòng)引起的誤報(bào)?，F(xiàn)場(chǎng)查看發(fā)現(xiàn)豎井煙道右側(cè)墻有明顯振動(dòng)，且伴有低沉的噪音，負(fù)荷降低或者降低過(guò)熱器煙氣擋板開(kāi)度后振動(dòng)消除。爐管泄漏測(cè)點(diǎn)報(bào)警與負(fù)荷關(guān)系歷史曲線如圖1所示。

圖1爐管泄漏測(cè)點(diǎn)與負(fù)荷關(guān)系歷史曲線

當(dāng)負(fù)荷較高時(shí)，煙氣量增大，鍋爐過(guò)熱器煙氣擋板開(kāi)大，過(guò)熱器側(cè)的煙氣流速較大，再熱器側(cè)的煙氣流速較小，此時(shí)煙氣流經(jīng)低溫過(guò)熱器水平段管排產(chǎn)生卡門渦流，這些漩渦交替地從管子兩側(cè)脫落，脫落頻率與來(lái)流

速度成正比。當(dāng)管束中卡門渦流的脫落頻率與管束間煙氣柱聲學(xué)駐波的固有頻率耦合，就會(huì)激發(fā)起煙氣柱發(fā)生強(qiáng)烈的自激振動(dòng)，加之煙道阻尼器老化，煙道剛性降低，繼而引起尾部煙道的振動(dòng)。此外，600MW負(fù)荷下調(diào)節(jié)煙氣擋，減小過(guò)熱側(cè)的煙氣量和流速，振動(dòng)消除，同樣說(shuō)明該振動(dòng)與煙氣流速有關(guān)。

2.3振動(dòng)的計(jì)算

（1）卡門渦流頻率

卡門渦流脫落頻率f的計(jì)算式為：

?

?

式中，u為煙氣速度（m/s）;d為受熱面管子外徑（m）;S為Strouhal數(shù)，是一個(gè)與雷諾數(shù)有關(guān)的無(wú)因次量。

設(shè)管排的縱向節(jié)距為L(zhǎng)，橫向節(jié)距為T，則順列管排的S為：

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（2）低溫過(guò)熱器管束間駐波頻率

周期和振幅相同的波向順列管束間傳播時(shí)互相干涉，形成駐波。當(dāng)?shù)兔芏鹊牧黧w穩(wěn)定地橫向流過(guò)管束時(shí)，可能產(chǎn)生一個(gè)既垂直于管子、又垂直于流動(dòng)方向的聲學(xué)駐波，尾部煙道滿足駐波發(fā)生條件。駐波是一種縱波，波的傳遞速度與駐波所在介質(zhì)的聲速相同。由于煙道內(nèi)的聲波可以與反射回來(lái)的聲波疊加，因此煙道的駐波有n階（n=1，2，3……），也稱n次諧波。

假如低溫過(guò)熱器所在煙道內(nèi)存在駐波，則其波長(zhǎng)和煙道寬度W之間必然有一定的關(guān)系，基波（一階諧波）波長(zhǎng)是煙道寬度的兩倍;二階諧波波長(zhǎng)等于煙道寬度;三階諧波波長(zhǎng)為煙道寬度的2/3……駐波頻率fz計(jì)算公式為：

z?·

式中，c為某一溫度下煙氣介質(zhì)中的聲速;n=1，2，3……;W為煙道寬度。

某一溫度下的聲速可由下式求出：

?

式中，煙氣絕熱指數(shù)K=1.333;煙氣氣體常數(shù)R=276J/kg·K;T為氣體熱力學(xué)溫度。

3.結(jié)論建議

通過(guò)分析，初步認(rèn)為該鍋爐豎井煙道右側(cè)墻振動(dòng)的原因?yàn)闊煹绖傂韵陆导奥晫W(xué)共振，需進(jìn)一步對(duì)振動(dòng)進(jìn)行頻譜分析。為此建議如下：

（1）進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，對(duì)振動(dòng)進(jìn)行頻譜分析，計(jì)算出共振頻率，找出振動(dòng)位置，進(jìn)行增加隔板等改造，消除振動(dòng)。

（2）對(duì)振動(dòng)位置的煙道阻尼器維護(hù)更換或者加固煙道，提高煙道剛性。

（3）調(diào)節(jié)豎井煙道煙氣擋板，改變流經(jīng)過(guò)熱器煙氣流速，避開(kāi)共振。

作者簡(jiǎn)介：趙瑞松（1988-04），男，漢族，河南鄭州，工程師，碩士，中國(guó)大唐集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司中南電力試驗(yàn)研究院（大唐中南電力試驗(yàn)研究院），研究方向：電站鍋爐節(jié)能及環(huán)保。