鍋爐尾部煙道振動原因分析及處理

樓 杰，蔣建偉

(廣東粵電靖海發電有限公司，廣東 揭陽 515223)

0 引言

某電廠600 MW機組，鍋爐為東方鍋爐廠生產的DG1900/25.4－П2型超臨界參數變壓直流爐，一次再熱、單爐膛、雙尾部煙道、平衡通風、露天布置、固態排渣、全鋼構架、全懸吊結構Π型鍋爐。鍋爐主要技術參數如表1所示。

表1 鍋爐主要技術參數

1 尾部煙道振動情況

2號鍋爐從2009年6月大修后，開始發生尾部煙道振動情況。振動主要發生在尾部后煙道省煤器和低溫再熱器區域，標高44～58 m(如圖1灰色區域所示)，發生振動時，尾部煙道可聽到類似拖拉機馬達低沉的轟鳴聲。經現場試驗，發現振動情況跟負荷有關，振動主要發生在600 MW負荷下，其余負荷未見明顯振動。在600MW負荷下，振動又與煙氣擋板的開度有關，再熱器煙氣擋板開度30%～35%，以及45%～70%的區間范圍內，尾部煙道都會發生振動，其中，當再熱器煙氣擋板開度在32%和55%兩個位置時，振動最為劇烈。

圖1 2號鍋爐尾部煙道振動發生區域示意圖

為了確認振源，保持600 MW負荷，手動改變過熱器、再熱器煙氣擋板門的開度，利用動平衡儀的測振功能，對尾部煙道的振動頻率進行了測量。經試驗和測量，發現振動發生在省煤器區域，而且主要發生在再熱器煙氣擋板門開度為30%～35%以及45%～70%兩個區間，其中以32%和55%兩個開度振幅最大，分別為 342.5 μm 和 368.8 μm。發生振動的同一個區間內，振動頻率一致，分別為31.25 Hz和25.25 Hz。而再熱擋板開度在這兩個區間之外，不會發生明顯的振動。測量結果如表2。

表2 尾部煙道振動測量結果

擋板門開度的改變，主要是引起了煙氣流速的改變，由此推斷振動與煙氣流速有關。

2 振動原因分析

經過查閱相關資料和計算，可以確定該鍋爐尾部煙道振動的是由聲學共振引起。

2.1 煙道聲學共振機理

(1)卡門渦流(見圖2):煙氣流經一個圓柱型管子的前緣時，煙氣受到阻滯，按伯努力定理，其動能轉變為壓力能，在前緣附近形成了高壓區，促使緊貼圓柱體表面的附面層向后側延伸。在管子最寬截面處的附近，氣流附面層從管子表面的兩側脫開，并形成兩個在流動中向尾部拖拽的剪切層。因為自由剪切層的最內層比最外層行移動要慢得多，于是在尾流中就形成了一個規則的旋渦流動。當旋渦交替產生脫落時，其兩側的流體流速和靜壓是不同的。旋渦形成與長大的一側流速慢，靜壓高，而另一側由于流速快，靜壓較低，因此在靜壓較高的一側產生了一個垂直于流向的推力。由于旋渦交替從兩側脫落，在管子上就激發起周期性的力，使管子在與煙氣流動方向相垂直的方向上產生激振。上面所說的旋渦脫落頻率就是卡門渦流頻率。

圖2 卡門渦流示意圖

(2)煙道駐波:周期和振幅相同的波相相對進行，互相干涉，形成所謂駐波。當低密度的流體穩定地橫向流過管束時，可能產生一個既垂直于管子又垂直于流動方向的聲學駐波，尾部煙道滿足駐波發生條件。駐波是一種縱波，波的傳遞速度與駐波所在介質的聲速相同。由于煙道內的聲波可以與反射回來的聲波疊加，因此，煙道的駐波有N階，N=1，2，3…，也稱 N 次諧波。

(3)聲學共振的判定:當卡門渦流頻率與煙道某階諧波頻率之比為0.8≤K≤1.2，也就是頻率相差不超過20%時，就可以引發聲學共振。

2.2 頻率計算和驗證

根據卡門渦流頻率公式、駐波公式、鍋爐熱力計算書、鍋爐說明書，對上述頻率進行了計算。

(1)卡門渦流頻率計算

管排橫向繞流旋渦的脫落頻率(卡門渦流頻率)的計算公式為fs=SU/D

式中，S為斯特勞哈數，可以順列管子的縱向橫向節距比，從圖3中查得;U為氣流速度，m/s;D為管子外徑，m。

圖3 順列管排中管子縱向橫向節距比與斯特羅哈數的關系曲線

(2)煙道駐波頻率計算

煙道駐波頻率通用計算公式中，假如存在駐波，則其波長和煙道凈寬W之間必然有一定的關系，基本波(1階諧波)波長是煙道凈寬的兩倍;2階諧波中，波長等于煙道凈寬;3階諧波的波長為凈寬的2/3……。

駐波頻率計算公式為f=nC/2W

式中，C為某一溫度下煙氣介質中的聲速;n=1，2，3……;W為煙道寬。

表3 惠來電廠2號鍋爐省煤器煙道駐波計算數據

從表3計算結果可以看出:600 MW負荷時，省煤器入口卡門渦流頻率與省煤器出口3階駐波頻率之比值為0.96;省煤器出口卡門渦流頻率與省煤器進口2階駐波頻率之比為1.08，兩個比值均在0.8～1.2范圍內，且很接近1，因此從理論上可以判斷，振動是由于聲學共振引起。而現場實測的煙道振動頻率 25.25 Hz、31.25 Hz分別與計算出來的出口 3階和入口2階駐波頻率非常接近，又進一步證明了前面計算結果是正確的，由此斷定，2號爐尾部煙道的振動是由于聲學共振引起。

3 振動處理

解決該類聲學振動常用的方法是在煙道內裝設消除共振的隔板。根據機械工程手冊，煙道內加裝隔板的依據如表4。

表4 煙道加裝隔板依據

另外，考慮到:①三次諧波的頻率為煙道寬度的2/3;②根據東方鍋爐廠的經驗，在寬度小于6.7 m的煙道中幾乎未發生過振動案例。基于以上兩點，最后決定采取比機械工程手冊多一列隔板，即5列防振隔板的方案，防振隔板由東方鍋爐廠設計制造。

由于尾部煙道分為前后兩個煙道，每個煙道受熱面又分為上、中、下三層。因此采取了加裝5×3×2共30塊隔板的方案。圖4是防振隔板和安裝位置的示意圖。隔板的位置避開煙道寬度2/3節距位置，左右隔板呈不對稱布置。

2011年2—3月，利用2號爐B級檢修機會，該電廠將防振隔板進行了安裝。

4 防振效果檢驗

該鍋爐B級檢修后開機運行至今，鍋爐尾部煙道未再發生振動現象。為了檢驗防振效果，再次到現場進行了振動測量。測量結果如表5。

圖4 防振隔板安裝位置示意圖

表5 尾部煙道振動測量結果

結果表明，防振隔板加裝后，尾部煙道已不再有振動現象。

5 結論

關于鍋爐尾部煙道振動問題，可以得出以下結論。

(1)該鍋爐尾部煙道的振動頻率在22.25 Hz和31.25 Hz，振動的原因為省煤器管排的卡門渦流脫硫頻率與尾部煙道的2階、3階諧波頻率非常接近從而引發了聲學共振。

(2)實踐證明，消除振動的有效方法之一是在尾部煙道加裝防震隔板。加裝隔板后，煙道被分隔為若干個小區域，每個區域越小時，其駐波頻率越大，當其最小的駐波頻率都比卡門渦流的脫落頻率大得多時，就可以完全避免共振的發生。

(3)該鍋爐安裝的防振隔板共30塊，總重約10 t，耗材并不多。在檢修期間安裝，由于零件較多，檢修空間受限，安裝相對比較困難。建議類似型號參數的鍋爐在出廠時設計好防振隔板，受熱面安裝時直接裝上。

［1］魏新華.大型電站鍋爐尾部煙道的聲學振動［J］.鍋爐技術，1993(1):1－10.

［2］柴錫強，熊建國，朱云水.鍋爐尾部煙道振動原因分析及對策［J］.浙江電力，2004(6):6 －9.

［3］趙建新.電廠鍋爐尾部煙道振動分析［J］.現代電力，2009，26(5):49 －51.

［4］董琨.卡門渦流對電站鍋爐安全性的影響及治理措施［J］.熱力發電，2008，37(10):31 －34.