工業(yè)鍋爐管式空氣預(yù)熱器的振動(dòng)分析及消除

劉甲斌，袁少鋒，孫 燁，趙 磊

(1.陜西能源職業(yè)技術(shù)學(xué)院 煤炭與化工產(chǎn)業(yè)學(xué)院，陜西 咸陽(yáng) 712000； 2.中石油煤層氣有限責(zé)任公司臨汾分公司，山西 太原 030032； 3.陜西延長(zhǎng)石油興化集團(tuán)，陜西 咸陽(yáng) 713100)

隨著我國(guó)工業(yè)領(lǐng)域的飛速發(fā)展，鍋爐成為工業(yè)領(lǐng)域的主要加熱設(shè)備之一。鍋爐實(shí)際上是一種自然循環(huán)的水加熱器，其內(nèi)部核心設(shè)備為旋風(fēng)分離器，爐膛為膜式水冷壁結(jié)構(gòu)，過熱器包含高、低兩種級(jí)別，中間安裝噴水減溫器，并在尾部安裝兩級(jí)省煤器和一、二次風(fēng)管式空氣預(yù)熱器。工業(yè)鍋爐在運(yùn)行過程中易產(chǎn)生振動(dòng)現(xiàn)象，該現(xiàn)象可直接影響鍋爐的安全運(yùn)行。為此，本研究對(duì)工業(yè)鍋爐管式空氣預(yù)熱器產(chǎn)生振動(dòng)的原因進(jìn)行分析，并提出相應(yīng)的解決措施，為工業(yè)鍋爐的安全運(yùn)行奠定有力基礎(chǔ)。

1 工業(yè)鍋爐管式空氣預(yù)熱器整體結(jié)構(gòu)

空氣預(yù)熱器實(shí)際上是一種換熱設(shè)備，位于工業(yè)鍋爐尾部的受熱面，可利用煙氣的余熱對(duì)空氣進(jìn)行預(yù)熱。將管式空氣預(yù)熱器作為主要研究對(duì)象，該類型的空氣預(yù)熱器為實(shí)現(xiàn)空氣的預(yù)熱，使煙氣在管束內(nèi)流動(dòng)，空氣在管束外流動(dòng)。若工業(yè)鍋爐的蒸發(fā)量為120 t/h，則該鍋爐需要配置兩臺(tái)空氣預(yù)熱器，在工業(yè)鍋爐的負(fù)荷達(dá)到最大值時(shí)，空氣預(yù)熱器可產(chǎn)生強(qiáng)烈振動(dòng)，并發(fā)出相應(yīng)噪聲。通過對(duì)空氣預(yù)熱器振動(dòng)原因進(jìn)行調(diào)查可知，振動(dòng)的源頭為空氣預(yù)熱器管束，當(dāng)管束處于振動(dòng)狀態(tài)時(shí)，管箱外護(hù)板可隨著管束的振動(dòng)而振動(dòng)。管式空氣預(yù)熱器產(chǎn)生振動(dòng)的主要原因?yàn)榇怪庇诠苁鲃?dòng)的空氣，對(duì)管式空氣預(yù)熱器的振動(dòng)進(jìn)行分析時(shí)，應(yīng)充分考慮管束外流經(jīng)空氣引發(fā)的振動(dòng)現(xiàn)象。管式空氣預(yù)熱器的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示[1]。

圖1 管式空氣預(yù)熱器整體結(jié)構(gòu)

管式空氣預(yù)熱器的排列形式為錯(cuò)列，管箱的長(zhǎng)度和寬度可分別用Lb、bb進(jìn)行表示，換熱管的外直徑、橫向節(jié)距、縱向節(jié)距分別表示為d、r1、r2。

2 工業(yè)鍋爐管式空氣預(yù)熱器的振動(dòng)分析

2.1 卡門渦流效應(yīng)

“卡門渦流效應(yīng)”指的是：當(dāng)流體經(jīng)過一個(gè)圓柱體時(shí)，該圓柱體的背面可產(chǎn)生渦流，并且圓柱體的順時(shí)針和逆時(shí)針方向均可產(chǎn)生渦流，在氣流的作用下使渦流產(chǎn)生脫落現(xiàn)象，這種交替產(chǎn)生和脫離的渦流被稱作卡門渦流。渦流在圓管兩側(cè)出現(xiàn)脫落現(xiàn)象時(shí)，可產(chǎn)生垂直于氣流方向的氣壓脈動(dòng)。當(dāng)管束中卡門渦流的脫落頻率與煙氣駐波的固有頻率之間出現(xiàn)耦合現(xiàn)象時(shí)，可實(shí)現(xiàn)煙氣柱的自激振動(dòng)，同時(shí)伴有較為嚴(yán)重的噪聲[2]?？ㄩT渦流的頻率指的是：周期性產(chǎn)生渦流和脫落渦流的頻率，其公式為

fK=StV/D

(1)

式中：St為Strouhal系數(shù)；D為圓柱的直徑,m；V為流體的流速,m/s。

St的數(shù)值可通過相關(guān)試驗(yàn)進(jìn)行確定，該數(shù)值與圓管的排列情況、管徑等因素有關(guān)。通過對(duì)數(shù)臺(tái)工業(yè)鍋爐進(jìn)行試驗(yàn)，最終確定管式空氣預(yù)熱器的管徑為40 mm，換熱管采用錯(cuò)列布置方式，最小橫、縱節(jié)距分別為60 mm、40 mm時(shí)，此時(shí)St的數(shù)值在0.45～0.55[3]。

2.2 空氣預(yù)熱器振動(dòng)機(jī)理

空氣預(yù)熱器在卡門渦流效應(yīng)下可產(chǎn)生3種振動(dòng)方式：①卡門渦流頻率與管式空氣預(yù)熱器管箱氣室聲學(xué)駐波頻率之間產(chǎn)生耦合而引發(fā)的共振；②卡門渦流頻率與管式空氣預(yù)熱器管子固有頻率耦合產(chǎn)生的振動(dòng)；③卡門渦流頻率、管式空氣預(yù)熱器管箱以及結(jié)構(gòu)機(jī)械振動(dòng)三者之間同時(shí)耦合產(chǎn)生的振動(dòng)。

最常見的振動(dòng)方式為卡門渦流頻率與管式空氣預(yù)熱器管箱氣室聲學(xué)駐波頻率之間產(chǎn)生耦合時(shí)，二者之間引發(fā)的共振。該共振方式屬于一種由氣壓脈動(dòng)產(chǎn)生的自激振動(dòng)，振動(dòng)產(chǎn)生時(shí)較為強(qiáng)烈，同時(shí)伴有巨大的噪聲，而卡門渦流頻率與管子固有頻率之間耦合時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)強(qiáng)度相對(duì)較低[4]。

聲學(xué)駐波實(shí)際上是一種疏密波，需要周期和振幅均相同的波相對(duì)行進(jìn)，方可產(chǎn)生具有固定波腹和波節(jié)點(diǎn)的聲學(xué)駐波，該駐波壓力最大處的位移最小，全部駐波均為1/2波長(zhǎng)的整倍數(shù)。聲學(xué)駐波的頻率為

fC=C/λ

(2)

式中：C為工作條件下的聲速,m/s；λ為波長(zhǎng),m[5]。

諧波是1/2波長(zhǎng)的整倍數(shù)代表的含義為：一階駐波的波長(zhǎng)為管式空氣預(yù)熱器氣室寬度的2倍，二階駐波的波長(zhǎng)為管式空氣預(yù)熱器氣室寬度，三階駐波的波長(zhǎng)為管式空氣預(yù)熱器氣室寬度的2/3，此時(shí)可將聲學(xué)駐波的頻率寫成：

fC=nC/2L

(3)

式中：n為駐波的階次(取值為1,2,3,…)；L為管箱氣室的寬度,m。

λ=2L/n

(4)

式中：λ為波長(zhǎng)，m。

將流體力學(xué)作為主要依據(jù)，對(duì)駐波位移進(jìn)行表達(dá)，此時(shí)脈動(dòng)應(yīng)滿足連續(xù)方程和動(dòng)量方程：

Y=Y0sin(2πX/λ)sin(2πfCt)=Y0sin(nπX/L)sin(2πfCt)

(5)

式中：Y為氣體質(zhì)點(diǎn)的橫向位移；Y0為質(zhì)點(diǎn)的最大位移(最大全振幅)；X為離管箱內(nèi)壁的水平距離；t為時(shí)間[6]。

在對(duì)X數(shù)值進(jìn)行計(jì)算時(shí)，應(yīng)使2πX/λ=0、π、2π、…、nπ，此時(shí)振幅為零，可將其稱之為位移節(jié)點(diǎn)，氣室兩側(cè)護(hù)板均為位移節(jié)點(diǎn)。當(dāng)波長(zhǎng)為λ/4、 3λ/4、 5λ/4時(shí)，波長(zhǎng)上的點(diǎn)均為振幅最大的點(diǎn)。聲駐波如圖2所示。圖2中，①②③為二階波，④⑤⑥為三階波。

圖2 聲駐波示意圖

聲學(xué)駐波的氣壓脈動(dòng)值P的計(jì)算公式為

P=(2πKP0Y0/λ)sin(2πfCt)sin(2πX/λ-π/2)

(6)

式中：K為氣體常數(shù)；P0為絕對(duì)氣壓[7]。

通過對(duì)壓力節(jié)點(diǎn)和位移節(jié)點(diǎn)的相位差進(jìn)行比較可知，二者之間相差的數(shù)值為π/2(即90°)，駐波壓力波節(jié)點(diǎn)為位移波振幅最大的點(diǎn)，當(dāng)位移節(jié)點(diǎn)處振幅最小時(shí)，則該節(jié)點(diǎn)為氣壓脈動(dòng)最大的點(diǎn)?？諝忸A(yù)熱器的兩側(cè)壁應(yīng)位于氣壓脈動(dòng)最大的位置，在預(yù)熱器的同一個(gè)氣室空間中，全部方向均可能出現(xiàn)駐波，本研究只考慮垂直氣流方向的駐波。

氣室寬度代表管式空氣預(yù)熱器兩側(cè)護(hù)板之間的距離?？ㄩT渦流效應(yīng)頻率fK和氣室聲學(xué)駐波頻率fC發(fā)生耦合時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)為自激振動(dòng)，該類型的振動(dòng)方式可產(chǎn)生任何一階的駐波。但fK和fC在實(shí)際耦合過程中，需要滿足一定條件方可產(chǎn)生駐波。通過對(duì)fK和fC的耦合情況進(jìn)行分析可知，當(dāng)fK較高時(shí)，易產(chǎn)生振動(dòng)現(xiàn)象，并且大多數(shù)強(qiáng)烈的振動(dòng)頻率發(fā)生在60 Hz之上。fK與圓管固有頻率耦合時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)為隨機(jī)狀態(tài)，管式空氣預(yù)熱器需要在一定流速下可實(shí)現(xiàn)振動(dòng)。工業(yè)鍋爐的振動(dòng)可發(fā)生在低溫段過熱器上，該階段的鍋爐尾部處于較寬狀態(tài)，同時(shí)煙氣溫度相對(duì)較低，易引起煙速提升[8]。

3 工業(yè)鍋爐管式空氣預(yù)熱器的振動(dòng)消除措施

3.1 管式空氣預(yù)熱器防振方法

本研究對(duì)管式空氣預(yù)熱器進(jìn)行了振動(dòng)分析，為有效預(yù)防管式空氣預(yù)熱器產(chǎn)生振動(dòng)現(xiàn)象，應(yīng)充分考慮卡門渦流效應(yīng)對(duì)管式空氣預(yù)熱器的影響，并對(duì)管式空氣預(yù)熱器的振動(dòng)進(jìn)行校核計(jì)算。管式空氣預(yù)熱器內(nèi)部空氣流速應(yīng)控制在合理范圍內(nèi)，若預(yù)熱器的空氣流速出現(xiàn)過高現(xiàn)象，可直接造成氣流速度的阻力持續(xù)提升，從而引發(fā)管式空氣預(yù)熱器的振動(dòng)。假設(shè)管式空氣預(yù)熱器負(fù)荷為60%時(shí)，某階段產(chǎn)生振動(dòng)現(xiàn)象，其他階段在負(fù)荷為100%時(shí)仍未發(fā)生振動(dòng)，則該預(yù)熱器產(chǎn)生振動(dòng)的原因?yàn)椋汗苁娇諝忸A(yù)熱器內(nèi)部各段速度數(shù)值相差過大，個(gè)別段流速過高，應(yīng)保證各風(fēng)道布置的合理性，同時(shí)在管式空氣預(yù)熱器中設(shè)置防振隔板，如圖3所示。

圖3 預(yù)熱器改造示意圖

為實(shí)現(xiàn)管式空氣預(yù)熱器振動(dòng)現(xiàn)象的消除，可沿著管式空氣預(yù)熱器的管箱寬度方向進(jìn)行防振隔板的安裝。通過該隔板將管式空氣預(yù)熱器劃分為多個(gè)氣室，有利于提高fC，當(dāng)fC大于fK，振動(dòng)將會(huì)被消除[9]。

3.2 管式空氣預(yù)熱器振動(dòng)消除措施

若工業(yè)鍋爐中一臺(tái)管式空氣預(yù)熱器出現(xiàn)振動(dòng)現(xiàn)象，應(yīng)立即對(duì)該預(yù)熱器的振動(dòng)形式進(jìn)行了解，提高振動(dòng)消除效率。最常見的管式空氣預(yù)熱器振動(dòng)類型為fK和fC耦合引起的振動(dòng)，此時(shí)用手觸碰外護(hù)板即可感覺到較高頻率的振動(dòng)，該階段的振動(dòng)可隨著負(fù)荷的增加以及流速的提高，從低階駐波逐漸轉(zhuǎn)向高階駐波。

為實(shí)現(xiàn)管式空氣預(yù)熱器振動(dòng)的消除，可采用安裝防振隔板的方式進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，同時(shí)應(yīng)盡可能減少氣室寬度。防振隔板可安裝在管式空氣預(yù)熱器的管箱之間，并最大限度地降低管子的分割數(shù)量，有利于降低防振隔板安裝難度。通常情況下，管子的切割數(shù)量為一排或者數(shù)排，為防止管式空氣預(yù)熱器在切除管子后出現(xiàn)氣流短路現(xiàn)象，應(yīng)在切割口處進(jìn)行焊封。為使氣流進(jìn)入管箱時(shí)更加均勻，可在管式空氣預(yù)熱器中安裝導(dǎo)流板。通過對(duì)St的數(shù)值進(jìn)行計(jì)算可知，其數(shù)值在0.45～0.55時(shí)，采用熱力計(jì)算方式對(duì)氣流的速度進(jìn)行計(jì)算，即可計(jì)算出fK，令fK=fC，可計(jì)算出駐波階次n，并確定管式空氣預(yù)熱器中的隔板數(shù)量。由于部分預(yù)熱器在負(fù)荷不滿40%時(shí)，也可產(chǎn)生振動(dòng)現(xiàn)象，可按照最大負(fù)荷對(duì)隔板數(shù)進(jìn)行計(jì)算，并保留一定裕度[10-11]。

4 結(jié) 語(yǔ)

工業(yè)鍋爐在實(shí)際供熱過程中，其內(nèi)部管式預(yù)熱器易產(chǎn)生振動(dòng)現(xiàn)象，若振動(dòng)現(xiàn)象較為嚴(yán)重，可直接引起設(shè)備損壞。本研究為消除管式預(yù)熱器的振動(dòng)現(xiàn)象，采用安裝防振隔板的方式對(duì)振動(dòng)進(jìn)行消除，通過對(duì)工業(yè)鍋爐進(jìn)行改造設(shè)計(jì)，有利于降低振動(dòng)和噪聲的產(chǎn)生。但工業(yè)鍋爐尾部受熱面的管束安裝狀態(tài)較為密集，使工業(yè)鍋爐內(nèi)部可用空間較小，增大了現(xiàn)場(chǎng)安裝難度。在未來發(fā)展中，應(yīng)進(jìn)一步探究其他影響管式預(yù)熱器振動(dòng)的因素，并加強(qiáng)空氣預(yù)熱器的設(shè)計(jì)，部件出廠之前應(yīng)完成防振隔板安裝，完善管式預(yù)熱器的防振、防噪聲工作，有利于提高工業(yè)鍋爐的供熱效果。