管式空氣預熱器振動分析與消除

林 偉

(中國石油化工股份有限公司鎮海煉化分公司，浙江 寧波 315200)

管式空氣預熱器振動分析與消除

林 偉

(中國石油化工股份有限公司鎮海煉化分公司，浙江 寧波 315200)

大型列管式空氣預熱器存在振動問題，通過流體數值模擬軟件對其煙氣、空氣系統流場進行模擬、分析和計算，發現振動的原因主要是管束的卡門渦流頻率與空氣預熱器固有氣室頻率在低溫段符合產生共振條件、煙氣流動不均勻等。通過加裝隔板改變管箱與煙氣腔體的固有氣室頻率成功消除振動，取得了良好的消振效果。

管式空氣預熱器 流場模擬 振動 自激振動 卡門渦流 氣室固有頻率

某裝置加熱爐系統由共用對流室的四合一爐、帶引風和通風的底置余熱回收系統及排煙系統等組成，設計熱負荷為185 MW，2004年投用。余熱回收系統為煙氣-空氣換熱的兩級四程列管式空氣預熱器，上下兩級臥式布置，一級(高溫段)為釘頭管束，有1 396根Φ89 mm×5 800 mm的釘頭管；二級(低溫段)為搪瓷管束，有3 214根Φ51 mm×5 800 mm的搪瓷管。空氣走管程，從下部進搪瓷管段，各管程之間用集箱連接，熱空氣從上部出預熱器；煙氣走殼程，從上部進釘頭管段，冷煙氣從搪瓷管段下部出預熱器，通過引風機進入煙囪。

該空氣預熱器運行中存在兩個問題：一是在運行5年后，低溫段搪瓷管陸續出現腐蝕穿孔，2012年將二級低溫段兩程空氣預熱器更換為整體設計的管束后運行良好；二是空氣預熱器存在較大的振動，振動特點為在空氣預熱器壁面振動最大，底部比上部大，振動頻譜中單一頻率成分的幅值突出，隨著引風機的變頻增加，空氣預熱器振幅變大，振動頻率也發生轉移變大。分析認為空氣預熱器的振動為自激振動，與煙氣流的流場密切相關，有必要對空氣預熱器的振動原因進行分析，并提出改進措施。

1 空氣預熱器內部流場模擬

利用流體數值模擬軟件對空氣預熱器內煙氣、空氣流場進行模擬運算。入口條件選擇速度入口邊界條件，出口條件選擇壓力出口邊界條件，湍流模型選擇標準的k-ε方程模型。

1.1 管程流場模擬

空氣預熱器運行排煙溫度為115 ℃，預熱空氣溫度為240 ℃，總質量為415 t。空氣由底部首先進入直徑較小的搪瓷管，經過帶導流板的集箱轉向進入直徑較大的釘頭管。管程的空氣速度分布圖見圖1，由圖1的模擬結果可知：空氣在管程內的流場分布不均勻，由于釘頭管管徑比搪瓷管大，氣體由搪瓷管轉入釘頭管后，氣體速度明顯變小。同時，轉向集箱內雖設置了導流板，但受氣體流動慣性影響，氣體局部區域出現了渦流。在轉角集箱的管束出口和導流板的轉角處存在渦流，渦流不斷產生和脫落會使氣體與相接觸的壁面受到連續交變力的作用，導致振動和噪聲的產生，其中第二個轉角集箱內渦流最大。

圖1 空氣預熱器管程空氣速度分布

1.2 殼程流場模擬

去空氣預熱器殼程的煙氣由頂部進入釘頭管段，經搪瓷管段在下部空腔內90°轉向后，通過一個矩形轉圓形的煙道進入引風機，整體結構復雜。從模擬情況來看，振動的原因涉及流體-結構-聲學的多物理場耦合問題，振動是特定結構中流場與聲動相互作用導致的結果，如結構設計不合理、流傳運行不穩定，將誘發噪聲和振動。空氣預熱器底部的煙氣流道是一個腔體，在特定頻率下與流體不穩定流動誘發的噪音發生聲共振，將加劇空氣預熱器的振動。

根據模擬空預器殼層的速度分布情況，殼層內流場局部區域存在高速區，煙氣流動中受管束阻力的影響，部分流體趨向壁面流動，故壁面處流體速度較大，在底部空腔轉角區域存在兩個大漩渦。考慮到空氣預熱器內管子較多、底部空腔內流場復雜，特截取管束局部區域和底部空腔進行分析。

煙氣在上部釘頭管束和下部搪瓷管束流場分布相似，取搪瓷管束局部區域流場放大，如圖2所示。由圖2可見：管子兩側的流速較高，而管子背面流速較低，管子背面產生了渦流，這些渦流的產生和脫落會產生垂直于氣流方向的氣壓脈動，當渦流的脫落頻率與空氣預熱器管箱的固有氣室頻率接近或重合時，會發生共振現象。

圖3列出了空氣預熱器底部空腔內煙氣速度分布情況。總體來看，由于煙氣需在底部較小空間內改變流動方向，使煙氣流動變得十分不穩定，速度分布不均勻，轉彎處速度較低。

圖3 空氣預熱器底部空腔煙道整體速度分布

空氣預熱器底部空腔截面煙氣流線見圖4。由圖4可以清晰看出：煙氣在流經搪瓷管段后，在無約束的空腔內由較小的漩渦發展為較大的漩渦，流動十分不穩定。

煙氣總體上是沿著煙道向出口流動，但受搪瓷管段漩渦的影響，在流過90°彎管時，氣流出現雙螺旋流形式的二次流，并且在彎頭后還出現局部的渦流區。

圖4 空氣預熱器底部空腔煙道截面流線

2 空氣預熱器振動分析與解決措施

通過分析模擬研究得出空氣預熱器管程和殼程內的流場情況，結合相關理論，對空氣預熱器振動原因進行分析，并提出解決措施。

2.1 卡門渦流與管束振動分析

當氣流橫向沖刷圓管時，會在圓管的背面產生順時針和逆時針方向的漩渦，隨后漩渦又在氣流的作用下脫離圓管，這種周期性交替生成和脫離的漩渦被稱為Karman(卡門)渦流。圖5為卡門渦流示意，對比煙氣通過空氣預熱器管子的流線圖，可見煙氣在流經管子背面產生卡門渦流，這些漩渦從管子的兩側脫落，產生垂直于氣流方向的氣壓脈動，如果管束中卡門渦流的脫落頻率與管箱固有氣室頻率耦合時，就會激發空氣預熱器產生自激振動，發出噪聲[1]。

圖5 卡門渦流示意

卡門渦流頻率可通過如下表達式計算：

式中：fk——卡門渦流頻率，Hz；

St——斯特勞哈數，對于錯列管束，

式中：S1——管束橫向間距，m；

S2——管束縱向間距，m；

v——流體流速，m/s；

d——管子直徑，m。

對于空氣預熱器殼程管箱而言，管箱的固有氣室頻率與管箱的寬度有關，可通過下達式計算：

式中：fn——管箱固有氣室頻率，Hz；

n——駐波階次，n=1,2,3…；

c——工作條件下聲速，m/s；

L——管箱寬度，m。

當卡門渦流脫落頻率和管箱中存在的某階駐波頻率相差不大時，可能激發該階駐波，從而產生共振[2～3]，一般以下式作為能否激起某階駐波的判據：

0.8fk出

式中：fk出——管箱出口處頻率，Hz；

fk入——管箱入口處頻率，Hz。

采用上述方法對空氣預熱器不同管箱段的卡門渦流頻率和管箱固有氣室頻率進行計算，分析各段管箱是否會發生共振。根據管束排列特征，計算得到各管箱的斯特勞哈數。對于釘頭管段，S1=0.312 m，S2=0.185 m；對于搪瓷管段，S1=0.114 m，S2=0.105 m。一般空氣預熱器可能的操作彈性為50%～120%，分別針對操作彈性為50%和120%兩種情況進行頻率的核算，計算得到的各管箱的卡門渦流頻率和管箱頻率分別見表1和表2。

表1 操作彈性為50%時不同段管箱的卡門渦流頻率和管箱固有氣室頻率 Hz

表2 操作彈性為120%時不同段管箱的卡門渦流頻率和管箱固有氣室頻率 Hz

根據振動判斷依據計算：當操作彈性為50%時，對于各層釘頭管段，卡門渦流頻率不會激發管箱的駐波。對于各搪瓷管段，當n=1時，均滿足相應的判據，說明對于搪瓷管段，卡門渦流頻率會激發管箱的駐波。

當操作彈性為120%時，對于各層釘頭管段，卡門渦流頻率不會激發管箱的駐波。對于搪瓷管(一)，當n=3時，滿足判據，卡門渦流頻率會激發管箱的三階駐波；對于搪瓷管(二)和搪瓷管(三)，當n=2和3時，均滿足判據，卡門渦流頻率會激發管箱的二階或三階駐波；對于搪瓷管(四)，當n=2時，滿足判據，卡門渦流頻率會激發管箱的二階駐波。

此外，從卡門渦流頻率和管箱固有氣室頻率表達式可以看出，空氣預熱器入口氣速以及管子的排布方式對于振動的影響很大。因此應在生產負荷允許的范圍內適當降低流速，以減小卡門渦流頻率，從而減小振動。此外，通過增加管箱的隔板數，增大管箱的固有氣室頻率，也可以減弱空氣預熱器的振動。

2.2 空氣預熱器底部空腔煙道振動分析

通過空氣預熱器底部空腔內流場模擬，結合相關聲學理論，認為可引發空氣預熱器底部振動的原因主要有兩個：(1)煙氣流經搪瓷管后在搪瓷管下方存在漩渦，流經90°彎頭后形成雙螺旋流形式的二次流，且出現局部渦流區，空氣預熱器底部漩渦不斷發生和脫落，使和流體接觸的壁面受到交變力的作用，從而產生噪聲和振動；而空氣預熱器底部的煙道也是個空腔體，當漩渦的脈動頻率與煙道腔體的固有頻率相近時會發生共振。(2)空氣預熱器底部上方搪瓷管段由于卡門渦流引起的聲波共振沿煙氣流動方向傳播，引風機入口氣流不均所誘發的引風機噪聲也會在煙道空腔內傳播，當其頻率與底部腔體的固有頻率相近時也會發生聲波共振，使空氣預熱器底部煙道發生振動。

通過以上振動分析，解決空氣預熱器底部振動可以從以下幾方面入手。

(1)增加煙道長度，使得煙氣流動充分發展，煙氣流動穩定均勻。當流體在管子內為湍流流動時，流體充分發展所需的管段長度范圍為20～40倍管徑。通過模擬可知，當煙道長度為17 m左右時，管子中上方的低速區基本消失，煙氣在流道內流動基本均勻。

(2)將煙道系統進行內部或外部加固，如內部“井”字形方式加固或外部沿周向加固等，以達到增加煙道剛度、改變腔體的固有頻率和均勻氣流的作用。

(3)在煙道中增加隔板，改變煙道腔體的固有頻率，避免發生聲波共振現象。

3 空氣預熱器消振措施的實施與效果

根據空氣預熱器振動的原因分析，于2014年底檢修期間對該空氣預熱器系統實施消振，消振措施主要包括以下兩個方面。

(1)第一、二層搪瓷管束為固定管板，管箱固有氣室頻率無法改變，第三、四層搪瓷管束可整體抽出，沿搪瓷管方向增加兩塊隔板，改變管箱固有氣室頻率，可消除共振。增加中間隔板后的管箱固有氣室頻率、卡門渦流頻率計算見表3，管束增加隔板后見圖6。

表3 第四層搪瓷管段增加中間隔板后的管箱固有氣室頻率、卡門渦流頻率 Hz

圖6 搪瓷管段增加中間隔板

(2)在空氣預熱器底部空腔內部增加“井”字形隔墻，增加煙道強度，均勻氣流，并避免聲波共振現象。

消振措施實施運行一年半，途中歷經兩次開停，該空氣預熱器系統運行正常，空氣預熱器操作負荷、引風機轉速從低到高，未出現明顯的振動、噪聲，消除了該空氣預熱器系統多年來的運行安全隱患，消振工作取得圓滿成功。

4 結論

通過對管式空氣預熱器系統進行流體場模擬，分析振動原因提出消振措施，并通過實踐消除空氣預熱器振動，得出以下結論。

(1)管式空氣預熱器進行流體流場數值分析可顯化存在的問題，找到解決方案。

(2)空氣預熱器管束中增加隔板改變管箱固有氣室頻率是解決空氣預熱器振動行之有效的方法。

(3)較大型的空氣預熱器設計階段要確認是否符合卡門渦流頻率和氣室固有頻率的防振必要條件，尾部煙道是否會產生共振等，在出廠前預裝防振隔板。

(4)大型化后的空氣預熱器的振動分析涉及到流體學、聲學等多物理場的耦合，要綜合多個因素考慮。

[1] 孔瓏.工程流體力學[M].北京：水利電力出版社,1992.

[2] 張玉國，徐欣欣，王琳.8#爐空氣預熱器振動原因分析與解決方案[J].天津科技，2015，42(10)：84-87.

[3] 樓杰，蔣建偉，廖曉春.1 900 t/h鍋爐為部煙道振動原因分析及處理[J].發電設備，2012，26(5)：365-368.

Analysis and Elimination of Vibration in Tubular Air Preheater

Lin Wei

(SINOPECZhenhaiRefining&ChemicalCompany,Ningbo，Zhejiang315200)

In order to solve the vibration problem of large-scale tubular air preheaters,the flow field of the flue gas and air system was simulated,analyzed and calculated with the fluid numerical simulation software.It was found that the vibration is mainly caused by the resonance due to the consistence of Karman vortex frequency and the natural frequency in the gas chamber of air preheater at the low temperature range,as well as inhomogeneous flue gas flow.Through installation of partitions to change the inherent frequency of air chamber in tube and flue gas chamber,the vibration was successfully eliminated,which achieved good results.

tubular air preheater,flow field simulation,vibration,self-excited vibration,Karman vortex,gas chamber natural frequency

2016-07-19。

林偉，男，1980年出生，2005畢業于遼寧石油化工大學化工過程機械專業，碩士，工程師，目前從事石化行業設備技術管理工作。

1674-1099 (2016)06-0019-05

TK229

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