鍋爐煙道系統強振問題的分析和治理

謝 民

(華菱湘潭鋼鐵有限公司，湖南 湘潭 411101)

1.前言

湘潭鋼鐵有限公司動力廠2#鍋爐型號：JG-130/3.82-Q，額定負荷為130t/h。它的煙氣由甲、乙兩臺引風機(引風機型號：Y4-73-11-20D，額定轉速998r/min)送入2#、4#、5#鍋爐的集合煙道，再由分別位于集合煙道兩端的1#、2#煙囪排出。

當2#鍋爐負荷<90t/h時，只需開一臺引風機，則煙道系統振動正常。當2#鍋爐運行負荷＞90t/h時，甲、乙兩臺引風機必須同時運行，此時引風機及煙道振動較大，甲引風機風門開40%、乙引風機風門開60%以上時，肉眼可見管道有大幅擺動，多處煙道保溫和耐火磚脫落，操作人員對引風機擋板開度及鍋爐的運行方式進行調整，效果不明顯，對系統的安全運行構成巨大威脅。

由于煙道系統振動嚴重超標，2#鍋爐一般均只能低負荷運行，嚴重影響生產和節能降耗，因此急需進行振動治理。

2.振動測試內容及數據特點分析

(1)振動測試內容。

①各工況下引風機及煙道系統不同部位振動幅值測試和評價。

②各工況下引風機及煙道系統不同部位振動頻譜分析及故障診斷。

③引風機及煙道系統不同部位固有頻率的測試。

(2)煙道系統布置圖及振動測點示意圖如圖1所示。

(3)振動測試工況及數據列表。

①振動測試。測試時，維持1#、4#、5#鍋爐及其引風機工況不變。2#鍋爐及引風機分為7個工況來進行，在每個工況下進行以上的測試內容，7個工況振動數據如表1所示。

圖1 煙道系統布置圖及振動測點示意圖

表1 煙道振動值(只列出振幅大的位置) /μm

②煙道測點固有頻率測試。

鍋爐停爐時,在風機停止運行的情況下，采用敲擊法分別對煙道幾處振動較大位置的固有頻率進行了測量，結果如表2所示。

表2 煙道各部分固有頻率

3.振動數據特點分析

⑴單開2#鍋爐兩臺引風機中的一臺時(工況1～4)，煙道系統振動相對較小。

⑵2#鍋爐甲乙風機同時運行時(工況5～7)，煙道系統振動較強烈，尤其是在煙道接口處及拐彎處，振動相比其他處較強烈，且可以明顯看到保溫護板在振動。

⑶單開甲引風機時，煙道的振動頻率成分主要為8.21Hz,幅值較小。

工況1測點1的振動頻譜如圖2所示。

圖2 工況1測點1的頻譜

(4)單開乙引風機時，煙道振動頻率成分主要為8.08 Hz、16.54Hz(引風機工頻)，當乙引風機開度為100%時，還伴隨著其他低頻成分。工況2測點3的頻譜如圖3所示。

圖3 工況2測點3的頻譜

(5)兩引風機同時運行時工況6時9點最大達6200μm，此時頻譜圖如圖4所示。煙道的振動頻率成分主要為10.34Hz。

圖4 工況6測點9的頻譜圖

從以上試驗測試結果可以看出：①風機及風道的振動主要頻率成分主要為8.08Hz(單開乙引風機)、8.21Hz(單開甲引風機)、10.34Hz(甲乙風機同開)、16.54Hz(引風機工頻)；②煙道振動已遠遠超過相關振動標準的規定，不宜長期運行，必須進行振動治理。

4.振動原因分析

(1)氣流分布不均勻誘發氣柱共振。

煙道系統結構復雜，在引風機進、出口煙道存在多個變截面通道及彎頭，如從2#鍋爐尾部出來的煙道先經三叉接口將煙氣分為兩部分分別進入兩臺引風機，且在進入引風機前經過了一個90°的大拐角錐形喇叭口形彎頭，在引風機出口與進入煙囪的煙道連接段，有一個135°彎頭，有一個變截面的擴張管接頭。2#～5#鍋爐煙道系統將幾臺鍋爐的煙道并在了一起，即2#、4#、5#鍋爐的煙氣分別由引風機引出后進入煙氣母管，再從煙氣母管兩端分別進入1#、2#煙囪排入大氣。其復雜的結構系統和氣流的分布不均勻，極易造成氣流產生脈動，在甲乙風機同開和一定工況下，煙道內氣流的渦動頻率與煙道氣柱的固有頻率(10.34Hz)接近，發生了氣柱共振。

氣流的渦動是多方面的因素造成的：第一，主最要的方面在煙道內，流體來自不同方向，流體之間相互混合，產生了渦流形成旋渦；第二，風機入口導流器后面的二次流誘發振動。由于引風機入口導流器設計不合理，會在導流器后面形成二次流，二次流是一種附加于主流運動之上的同主流方向相垂直的流動，形成二次流的旋渦強度都比較高。二次流的特點是沒有單一的脈動頻率，且脈動頻率不固定，隨流量而變，其脈動強度在流量為風機最大流量的50%左右時最大(工況5和6)；第三，風機出口煙道進入主煙道時，由于煙道截面積的改變和流體方向的改變，形成旋渦；第四，風機旋轉脫流誘發振動。從兩臺引風機熱態振動試驗結果看，煙道系統振動與煙氣流量有密切的關系。當引風機進口擋板開度在小于40%范圍內時，引風機和煙道系統振動很大，振動主要頻率為10Hz左右，當擋板開度大于60%以上避開了旋轉脫流工況區后，氣流變得相對平穩，煙道振動大幅度降低。說明在進口擋板開度較小時，引風機主要存在旋轉脫流現象。同時，其結構(變截面、支撐架及彎頭)引起氣流不均勻也是引起振動的原因。

⑵測試系統固有頻率表明它遠離氣體的氣柱固有頻率，不會發生系統結構共振。

⑶由于煙道局部剛度不佳在一定程度上放大了煙道的振動。

5.治理方案

根據振動原因分析，鍋爐煙道系統強振的治理，將從三方面考慮：一是改變氣柱固有頻率；二是減少氣流渦動；三是煙道系統局部加固提高剛度。

⑴引風機治理方案。

圖5 整流器結構圖

①引風機入口煙道加裝整流器。整流器是由空心園管及四周伸出的一些平板組成。整流器的結構和安裝對消振效果和風機運行狀況影響很大，結構如圖5所示。

②引風機入口90°轉角增裝弧形板及加固。引風機口煙道90°轉彎渦殼處結構復雜，截面積變化很大，煙氣流動非常不平穩，產生了劇烈渦動。因此，在90°轉彎處渦殼內部截面接合部加焊厚為5mm的小弧型鋼板，以使氣流沿弧線型鋼板流過。同時，在渦殼外部平板面上沿垂直、水平方向加焊規格100mm的槽鋼和規格60mm角鋼加固，兩臺引風機進口煙道轉彎處兩個平面板之間自上而下用4根100mm的槽鋼電焊連接，以增加其剛度、減小振動。

③阻旋板的設計和安裝。阻旋板采用厚8mm的普通A3鋼板現場制作，阻旋板安裝于引風機入口錐型管前端中心線正下方，阻旋板與前后支撐架及錐型管底部接觸邊兩側均須滿焊。為提高阻旋板剛性，在阻旋板中部左右兩側各焊一根φ30mm圓鋼支撐。

④引風機出口設計加裝導向葉片。由于引風機出口135°擴散彎頭及其后面煙道的振動是渦流引起的。該彎頭本身帶有擴散角，氣流流經彎頭時，既改變流動方向，同時又進行擴散，導致轉彎的近外壁和近內壁處及擴散管靠近風道壁處出現氣流與管壁分離現象，以至形成渦流區。運行中渦流不斷產生并促使煙道振動。

導向葉片由兩片組成，中心角取45°，葉片寬度為2000mm，弧長為1400mm(半徑取1680mm)。

⑤引風機出口斜煙道的加固。在兩臺引風機出口斜煙道第1節的四周，每一面都用60mm×60mm角鐵成叉型加固，增加出口煙道剛度，從而減小振動。

(2)煙道治理方案。

①導流板的設計安裝。在煙道系統中的I、J兩個彎道及G、I與J間的直段等處加裝導流板，每處加2塊導流板，導流板側面進行坡口處理后與煙道頂、底兩壁面滿焊，導流板之間采用支撐杠(φ60mm鋼管)加固，以增強葉片剛度，防止其受氣流的影響而變形。導流板迎風面打磨圓角，降低氣體的流動阻力。

②煙道系統外側的加固。由于煙道系統各點在熱態所測振動頻譜的頻率較低。因此，運行中容易被引風機入口導流器后面的二次流激發振動。對檢測振動較大的部位需進行加固處理。在其煙道外側F、G、I、J等振動大的部位分別沿周向焊若干圈100的槽型鋼，以增加其剛度，減小振動。每兩圈槽型鋼間相距500mm，同時每圈槽型鋼間加焊12根槽型鋼橫梁，高度方向每側焊4根，頂上焊4根。

③煙道系統內側的加固。內部采用“井”形加固方式進行支承加固，選用φ60mm鋼管加工成“井”形件焊接于煙道內壁，兩支承件間相距約1.5m，共約25個。

6.方案實施及檢測結果評價

根據確定的治理方案，進行了分步實施。首先在不停爐的情況下進行了煙道外部加固的實施，并檢測到F、G、I 3點的振動明顯減小，其他各點的振動狀況變化不大。在2#鍋爐停爐和切斷煙道系統與其它鍋爐聯系的情況下，對引風機風鼓、煙道內部進行了治理。根據驗收標準≤500μm，治理完成后對系統進行運行檢測，煙道系統治理后的最大振動值為450μm(出現在風機入口煙道處)，滿足驗收標準。

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