低溫省煤器煙道振動(dòng)原因分析及消振措施

龔 俊，李 凱，章平衡，孫 堅(jiān)，金建榮，張 洪，談 群，周熠旻

(嘉興新嘉愛斯熱電有限公司，浙江嘉興 314016)

《浙江省全球先進(jìn)制造業(yè)基地建設(shè)“十四五”規(guī)劃(征求意見稿)》中指出大力推進(jìn)工業(yè)節(jié)能降碳，加快實(shí)施重點(diǎn)行業(yè)減污降碳行動(dòng)，培育壯大綠色低碳產(chǎn)業(yè)，發(fā)展節(jié)能環(huán)保產(chǎn)業(yè)，大力培育發(fā)展新一代信息技術(shù)、生物技術(shù)、節(jié)能環(huán)保、新能源等低碳排放、高附加值的新興產(chǎn)業(yè)，著力發(fā)展高效工業(yè)鍋爐、高效電機(jī)系統(tǒng)、余熱余壓余氣回收利用系統(tǒng)等節(jié)能產(chǎn)業(yè)。如果鍋爐排煙溫度降低5 K，燃料利用率得到提高，由此可降低煤耗0.6 g/(kW·h)[1-2]。而煙氣余熱回收利用是能源梯級(jí)利用的重要方式，已成為熱電行業(yè)落實(shí)低碳發(fā)展戰(zhàn)略任務(wù)的關(guān)鍵途徑。

為此，某熱電廠開展了煙氣余熱回收系統(tǒng)改造工程，采取了低溫省煤器+冷凝器兩級(jí)換熱器布置方案。其中，低溫省煤器安裝于濕法脫硫塔與靜電除塵器之間的煙道內(nèi)。然而，在首次安裝運(yùn)行時(shí)，低溫省煤器煙道發(fā)生了異常振動(dòng)，并伴有低沉的聲響。為保障機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行，筆者結(jié)合煙道振動(dòng)的影響因素和機(jī)理，對(duì)低溫省煤器煙道振動(dòng)現(xiàn)象進(jìn)行理論分析，并制定消振的措施。

1 低溫省煤器煙道結(jié)構(gòu)布置

圖1為低溫省煤器煙道的結(jié)構(gòu)布置圖。煙氣自引風(fēng)機(jī)出口先后經(jīng)過大小頭和直段煙道進(jìn)入低溫省煤器。低溫省煤器煙道高度為3 000 mm，寬度為3 200 mm。低溫省煤器內(nèi)部冷卻水采取逆流形式與煙氣進(jìn)行熱交換，煙氣換熱后經(jīng)收口煙道流入吸收塔。低溫省煤器的具體結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)見表1。

圖1 低溫省煤器煙道結(jié)構(gòu)布置

表1 低溫省煤器結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)

2 振動(dòng)原因分析

造成低溫省煤器煙道振動(dòng)的原因[3-5]可能為：(1)煙氣流過換熱管時(shí)形成卡門漩渦，煙氣橫向沖刷過程中卡門漩渦以一定的周期脫落。漩渦脫落將產(chǎn)生周期性的流體力，使換熱管在與煙氣流動(dòng)方向相垂直的方向上產(chǎn)生激振。該激振頻率與煙道聲學(xué)頻率接近時(shí)，煙道內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生共振并發(fā)出噪聲。(2)在節(jié)徑比較小的密排管束中，換熱管成為破渦器，使周期性的漩渦衰減并演變成為湍流漩渦。湍流誘發(fā)的抖振有一個(gè)非常寬的頻帶，當(dāng)頻帶中的頻率與煙道聲學(xué)頻率相近時(shí)，煙道便會(huì)發(fā)生大幅度的振動(dòng)。(3)換熱管的抖振會(huì)改變與其相鄰管子周圍的流場(chǎng)，使流場(chǎng)呈非對(duì)稱振蕩變化，流體力也隨之變化。變化的流體力使附近的換熱管也發(fā)生抖振，換熱管的抖振又反過來改變流體力。這種流體力與彈性位移之間相互作用產(chǎn)生的振動(dòng)即為流體彈性激振。在流體彈性激振的作用下，換熱管將產(chǎn)生大幅度振動(dòng)。

基于上述原因，預(yù)防低溫省煤器煙道振動(dòng)應(yīng)重點(diǎn)考察卡門漩渦頻率、湍流抖振主頻率是否與煙道聲學(xué)頻率接近；同時(shí)，應(yīng)注意煙氣橫流速度是否達(dá)到產(chǎn)生流體彈性激振的臨界值。

管排繞流漩渦的脫落頻率，即卡門漩渦頻率的計(jì)算公式[6-7]為：

(1)

式中：fa為卡門漩渦頻率，Hz；v為氣流速度，m/s；Sr為斯特勞哈爾數(shù)；D為換熱管外徑，m。

Owen利用氣體橫向流過管束的實(shí)驗(yàn)結(jié)果提出了計(jì)算湍流抖振主頻率的經(jīng)驗(yàn)公式[8]，即

(2)

式中：ft為湍流抖振主頻率，Hz；L為換熱管縱向節(jié)距，m；T為換熱管橫向節(jié)距，m。

當(dāng)煙氣橫向流過換熱管束時(shí)，可能產(chǎn)生一個(gè)既垂直于換熱管又垂直于煙氣流向的聲學(xué)駐波。當(dāng)?shù)蜏厥∶浩鳠煹罎M足駐波發(fā)生的條件時(shí)，相應(yīng)的煙道聲學(xué)頻率理論計(jì)算式[9-10]為：

(3)

式中：fv為煙道聲學(xué)頻率，Hz；n為波的階次；c為煙氣聲速，m/s；W為空腔的寬度，m。

當(dāng)管束發(fā)生流體彈性激振時(shí)，臨界速度通常利用Connors提出的半經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式[11]進(jìn)行計(jì)算，即

(4)

式中：vc為流體彈性激振臨界速度，m/s；m為包括流體附加質(zhì)量在內(nèi)單位長(zhǎng)度管子的質(zhì)量，kg/m；ρ為管外流體的密度，kg/m3；δ為換熱管的對(duì)數(shù)衰減率；K為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。

根據(jù)卡門漩渦頻率、湍流抖振主頻率及流體彈性激振臨界速度的計(jì)算公式可知，煙氣流速是分析煙道振動(dòng)的重要參數(shù)。然而，煙道內(nèi)煙氣流動(dòng)存在不均勻性，流速的偏差將導(dǎo)致運(yùn)行參數(shù)偏離設(shè)計(jì)值，落入煙道振動(dòng)的誘發(fā)區(qū)間。因此，提高煙道內(nèi)煙氣流動(dòng)的均勻性亦為預(yù)防煙道振動(dòng)的有效措施。

氣流分布均勻性通常采用相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差作為評(píng)定參數(shù)，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差的定義式[12-13]為：

(5)

(6)

表2為低溫省煤器煙道振動(dòng)參數(shù)的計(jì)算結(jié)果。由表2可知：低溫省煤器設(shè)計(jì)存在缺陷，煙氣體積流量設(shè)計(jì)值為80 000 m3/h，與實(shí)際值(120 000 m3/h)存在較大差距。在設(shè)計(jì)條件下，卡門漩渦頻率為83.9 Hz，湍流抖振主頻率為61.7 Hz，均未落入發(fā)生聲學(xué)共振的一階、二階的頻率區(qū)間(0.6fv，1.4fv)[14-15]。另一方面，流體彈性激振臨界速度為10.0 m/s，遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)橫流速度(6.4 m/s)，因此彈性激振并不會(huì)引起明顯的振動(dòng)。而在實(shí)際運(yùn)行條件下，由于煙氣量的大幅度增加，此時(shí)卡門漩渦頻率為125.8 Hz，湍流抖振主頻率為92.6 Hz?？ㄩT漩渦頻率落在了一階聲學(xué)共振頻率區(qū)間內(nèi)，煙道由此發(fā)生共振，此處振動(dòng)的主因即為一階聲學(xué)頻率共振。此外，由于入口煙氣流速的不均勻性，導(dǎo)致局部區(qū)域的橫流速度超過流體彈性激振臨界速度，進(jìn)而加重低溫省煤器煙道的共振。

表2 低溫省煤器煙道振動(dòng)參數(shù)

3 消振措施與效果

針對(duì)低溫省煤器煙道的振動(dòng)現(xiàn)象，結(jié)合煙道振動(dòng)的影響因素和機(jī)理，提出了以下消振措施。

3.1 外部加強(qiáng)措施

在頂部底板橫向加肋，將換熱器振動(dòng)限制在可接受的范圍內(nèi)。目前的肋間距為1 m，計(jì)劃將肋間距控制在0.5 m。

3.2 防振板改造措施

原換熱器高度方向的防振板布置為3腔6塊，每個(gè)腔室布置2塊，特征長(zhǎng)度為1 m。防振板材料為2205不銹鋼板，焊接于支撐管上，故不考慮調(diào)整其位置。隨著防振板數(shù)量的增加，低溫省煤器煙道的一階聲學(xué)頻率逐漸增大(見表3)。當(dāng)防振板數(shù)量為4時(shí)，一階聲學(xué)頻率達(dá)到312.6 Hz，其聲學(xué)共振頻率區(qū)間的下限也相應(yīng)上升至187.6 Hz，大幅度偏離了實(shí)際運(yùn)行時(shí)125.8 Hz的卡門漩渦頻率，進(jìn)而避免煙道共振的發(fā)生。同時(shí)，流體彈性激振發(fā)生的臨界橫流速度也進(jìn)一步提升至16.1 m/s，可以預(yù)防流場(chǎng)不均勻引起的流體彈性激振，避免煙道大幅度振動(dòng)。為了留有一定的工程裕度，在每個(gè)腔室內(nèi)新增3塊聚四氟乙烯(PTFE)防振板。增加防振板后，每個(gè)腔室布置5塊防振板，特征長(zhǎng)度降到0.5 m。新增防振板為PTFE材質(zhì)，固定采用316L的卡箍。在新增的防振板進(jìn)出口處，焊接2根支撐管作為卡箍的固定點(diǎn)，固定完成后卡箍螺母用電焊焊接。由于材質(zhì)相當(dāng)，焊接不會(huì)對(duì)換熱管產(chǎn)生破壞。

表3 消振改造后低溫省煤器振動(dòng)參數(shù)計(jì)算

3.3 設(shè)備支點(diǎn)調(diào)整措施

原換熱器在入口中間位置2點(diǎn)固定，膨脹方向向后，但后側(cè)到膨脹節(jié)位置又隔有匯總風(fēng)箱和變徑煙道。因此，將固定點(diǎn)調(diào)整為換熱器出口側(cè)，膨脹方向向前，讓引風(fēng)機(jī)出口的膨脹節(jié)消化膨脹量。

3.4 入口導(dǎo)流措施

入口煙氣流場(chǎng)的不均勻?qū)⒁鹁植苛魉龠^高而超過流體彈性激振的臨界流速，從而導(dǎo)致低溫省煤器煙道產(chǎn)生大幅度的振動(dòng)。不僅如此，不均勻的流速分布會(huì)使卡門漩渦頻率存在一個(gè)較寬的頻帶，造成卡門漩渦頻率落入聲學(xué)共振頻率區(qū)間，誘發(fā)低溫省煤器煙道的共振現(xiàn)象。因此，在低溫省煤器入口處布置導(dǎo)流格柵，以此改善入口煙氣流場(chǎng)的均勻程度。通過數(shù)值模擬手段，對(duì)導(dǎo)流格柵加裝前后的煙道流場(chǎng)進(jìn)行了仿真計(jì)算，煙道流場(chǎng)的跡線圖見圖2。

圖2 導(dǎo)流格柵加裝前后的煙道流場(chǎng)跡線圖

由圖2可以看出：加裝導(dǎo)流格柵后煙道大小頭和低溫省煤器區(qū)域的大渦流得到消除，流場(chǎng)均勻性得到改善。導(dǎo)流格柵加裝后，入口煙氣的均勻性系數(shù)從原來的0.55以上降低至0.28以下，流速分布已較為均勻。

經(jīng)過上述4項(xiàng)改造后，再次起爐后低溫省煤器煙道的異常振動(dòng)和伴隨的低沉聲響得以徹底消除，保障了煙氣余熱回收系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)低溫省煤器煙道異常振動(dòng)現(xiàn)象，從卡門漩渦頻率、湍流抖振主頻率及流體彈性激振臨界流速3個(gè)方面進(jìn)行了理論分析，并制定消除振動(dòng)的措施，所得結(jié)論如下：

(1)由于實(shí)際運(yùn)行煙氣量遠(yuǎn)超設(shè)計(jì)值，使得卡門漩渦頻率大幅度增加后，落入發(fā)生聲學(xué)共振的頻率區(qū)間，從而造成低溫省煤器煙道發(fā)生共振。

(2)隨著防振板數(shù)量的增加，一階、二階聲學(xué)頻率逐漸升高，聲學(xué)共振頻率區(qū)間下限得以提升，由此可避開相近的卡門漩渦頻率，防止低溫省煤器煙道共振的發(fā)生。

(3)入口流場(chǎng)的不均勻性可能導(dǎo)致局部流體彈性激振和卡門漩渦頻率寬頻共振，因此改善入口流場(chǎng)均勻性具有消除共振的作用。加裝導(dǎo)流格柵后，入口流場(chǎng)均勻性系數(shù)從0.55以上降低至0.28以下，流場(chǎng)均勻性得到明顯改善。

(4)采取減小肋間距、增加防振板調(diào)整設(shè)備支點(diǎn)及加裝導(dǎo)流格柵的消振改造措施后，低溫省煤器煙道的異常振動(dòng)和伴隨的低沉聲響得以徹底消除。