鍋爐水冷壁異常振動問題解決方案研究

周　昊，　朱國棟，　黃　燕，　王恒棟，　周　康

(浙江大學 能源清潔利用國家重點實驗室，杭州 310027)

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鍋爐水冷壁異常振動問題解決方案研究

周昊，朱國棟，黃燕，王恒棟，周康

(浙江大學 能源清潔利用國家重點實驗室，杭州 310027)

摘要：針對鍋爐爐墻振動常發影響其安全運行的問題，通過試驗研究了某電廠60 MW機組鍋爐爐膛振動特性，并利用Ansys軟件進行結構動力學模擬分析，提出了減振改造方案：增設拉桿連接，提高剛性梁剛度；分散吹灰器質量，減小集中質量.通過理論分析獲得鍋爐爐墻改造前后的固有頻率以及強迫振動下各測試點的振動位移.結果表明：模擬中改造方案最大可減小84.3%的振動位移，而實際測得最大可減小79.2%的振動位移.

關鍵詞：爐墻振動； 模態分析； 強迫振動； 現場改造

符號說明：

Fm——慣性力，N

FD——阻尼力，N

FS——彈簧約束力，N

P(t)——外界施加力,N

m——質點質量,kg

c——阻尼系數

k——彈簧剛度系數,N/m

D——水冷壁管外徑,mm

d——水冷壁管內徑,mm

E——彈性模量，MPa

Et——水冷壁管彈性模量，MPa

Ep——簡化后平板彈性模量，MPa

b——簡化后平板寬度，mm

h——簡化后平板長度，mm

I——截面慣性矩，mm4

It——水冷壁管截面慣性矩，mm4

Ip——簡化后平板截面慣性矩，mm4

鍋爐的爐膛下部是燃燒區，上部與煙道相通，運行時燃燒產生的氣體在整個爐膛空間內形成一個氣體流場[1].爐內氣體流場對爐墻水冷壁進行壓力加載[2]，當爐內氣流壓力出現波動時，就會激勵爐墻振動.當爐內燃燒形成的壓力波動頻率與水冷壁的自振頻率相吻合時就會引起爐膛共振[3]，振幅劇烈增大，產生爐壁破壞的風險.在壓力波動下，物體的受迫振動不可避免，但為了生產安全，在工程中必須規避有害振動，避免共振情況的發生，因此爐膛要有一定的剛度，以防止被破壞.剛性梁不僅可以改變爐壁的剛度，還能改善受力與重力之比，保證爐膛在運行波動負壓或者爆燃工況下不受破壞的性能比高[4].毫米級振動不會對水冷壁管造成較大影響[5]，但如果剛性梁的剛性不足或者安裝達不到設計要求，都會使爐膛剛度不夠，導致爐墻固有頻率偏低[6]，從而引起較嚴重的振動.由于鍋爐振動大，其運行中水冷壁非受熱面應力也大，會引起鍋爐泄漏，導致鍋爐不能安全運行[7].

針對結構設計的優化，林坤等[8-10]根據Ansys軟件所得的模擬分析提供了很好的理論依據，Ansys軟件已成為大型結構動力分析中的重要工具[11-12].韓廣才等[13-15]發現集中質量塊對主體的固有頻率有影響,陳雷等[16]則研究了強迫振動集中質量塊的影響.

筆者采用Ansys軟件進行爐墻振動分析，結合現場測試結果及理論分析，提出一套實用可靠的改造方案，并進行現場改造，獲得了良好的減振效果.

1試驗簡介

某電廠1號鍋爐為無錫華光鍋爐股份有限公司制造的UG-260/9.8-M型高溫、單鍋筒、自然循環、π形布置的60 MW固態排渣煤粉爐.鍋爐前部為爐膛，四周布滿膜式水冷壁，爐寬為8.37 m，爐膛出口處布置屏式過熱器，水平煙道裝設兩級對流過熱器，爐頂、水平煙道兩側及轉向室設置頂棚和包墻管，尾部豎井煙道中交錯布置兩級省煤器和兩級管式空氣預熱器.鍋爐本體示意圖如圖1所示.

為準確獲得鍋爐前墻異常振動吹灰器區域的振動情況，采用精度為400 mV/g、型號為TG-1B的加速度傳感器進行試驗，試驗鍋爐蒸發量為220 t/h.采用數據采集卡NI USB-6128，采樣時間為40 s，采樣頻率為1 000 Hz，通過積分計算獲得其振動位移.振動位移測試點如圖2所示.

圖1　鍋爐本體示意圖

圖2　測試點示意圖

壓力波動傳感器的型號為CYG1406-10 kPa，采用半無限法[17]取壓，采樣頻率為1 000 Hz，對爐內壓力波動情況進行采樣并進行快速傅里葉變換(Fast Fourier Transforms，FFT)分析.圖3為壓力波動頻譜分析圖.由圖3可知，爐內壓力波動頻率f為0～15 Hz，爐內平均負壓為100 Pa.圖4為1號鍋爐爐膛前墻剛性梁及吹灰器布置示意圖.

圖3　壓力波動頻譜分析圖

2理論分析

2.1理論基礎

根據動力學基本方程：

(1)

設某一質點的位移為x(t)，則式(1)可寫為

圖4　爐膛前墻剛性梁及吹灰器布置示意圖

(2)

在分析中忽略阻尼力，爐壁可以認為是廣義的單自由度體系，是大量質點的剛體集合.由于爐壁物理特征分布均勻，理論分析時可將面單元簡化為均勻分布質量為m的桿單元，再進一步簡化為一個有彈簧約束的質量塊m0，吹灰器則認為是與系統緊密連接的集中質量塊m1.設t時刻的位移為x(t)，則受力情況如圖5所示.

圖5　受力示意圖

式(2)可簡化為

(3)

該體系的固有頻率為

(4)

以上分析結果表明，增大彈簧剛度系數k和減小質點質量m可以提高固有頻率同時減小振動位移.

2.2改造方案

根據理論基礎，針對原有改造經驗以及現場施工可行性分析，進行數值模擬優化，提出了初步改造方案(見圖6)：(1)利用拉桿連接安裝吹灰器部位的水冷壁兩層圍帶剛性梁，從而提高剛性梁的剛度，以提高爐墻整體剛度，同時拉桿可以調節拉力；(2)通過加裝恒力彈簧吊架，將吹灰器的重量由恒力彈簧承擔，恒力彈簧的固定點用槽鋼安裝在鍋爐鋼架上，將原本作用于爐墻上的吹灰器重量分散到鋼架上，改善了爐墻的受力情況，去除集中質量塊.

圖6　改造方案示意圖

2.3模擬分析

2.3.1模擬簡介

為了檢驗改造方案的有效性，采用Ansys軟件進行模擬分析.采用分塊蘭索斯(Block Lanczos)法進行模態分析，通過求解獲得前墻固有頻率；采用模態疊加(Mode Superpos'n)法[18]進行諧響應分析，求解并獲得位移與頻率關系的曲線.

在模擬過程中對前墻模型進行如下簡化：

(1)在保證彎曲剛度不變的前提下，將水冷壁管爐墻簡化為一維平板[19].簡化公式如下：

(5)

(6)

(7)

(2)吹灰器簡化成同質量的集中質量塊.

(3)由于燃燒器區域(即圖4中標高10 190～15 200 mm區域)未出現明顯振動，在該區域剛性梁處設置法向約束[20].

(4)改造前吹灰器所在區域剛性梁不做法向約束，改造后對吹灰器所在區域剛性梁處進行法向約束[20]，以對比改造效果.

2.3.2模擬結果與分析

在Ansys軟件模態分析中，讀取前墻一階和二階模態，其振型顯示在圖7和圖8中.由圖7和圖8可以看出，改造前前墻一階、二階固有頻率較低，分別為5.11 Hz和6.01 Hz，均處于爐內壓力波動頻率0～15 Hz內，極易發生共振，對爐墻有嚴重危害，從而造成安全事故.對比改造前后模態分析結果，一階、二階固有頻率分別提高了6.23倍和5.95倍，有效地避開了爐內壓力波動頻率范圍，避免了強迫振動時共振的發生.

通過Ansys軟件諧響應分析獲得在爐內平均負壓100 Pa作用下，圖4中(1 000，18 550)、(6 265，19 600)和(7 500，18 550)3個測試點振動位移隨壓力波動頻率的變化曲線如圖9所示.

圖7　一階振型示意圖

圖8　二階振型示意圖

由圖9(a)可以看出，改造前測試點1的最大振動位移為6.39 cm，測試點2的最大振動位移為1.95 cm，測試點3的最大振動位移為3.83 cm.由圖9(b)可以看出，改造后測試點1的最大振動位移為1.02 cm，測試點2的最大振動位移為0.45 cm，測試點3的最大振動位移為0.60 cm.綜上所述，通過改造測試點1、測試點2和測試點3的最大振動位移分別減小了84.0%、76.9%和84.3%，強迫振動下，爐墻系統共振頻率有較大程度的提高.

模態分析和諧響應分析的結果表明，通過增設拉桿和分散吹灰器質量可以有效地提高鍋爐爐墻的固有頻率，減小爐墻振動位移，使鍋爐正常運行.

3試驗結果及分析

對加速度傳感器采集結果進行積分計算后，獲得測試點1、測試點2和測試點3的振動位移曲線(見圖10).由圖10可以看出，測試點1的振動位移可達5.1 cm， 而測試點2和測試點3的振動位移則相對較小，但振動位移也分別達到3.6 cm和2.4 cm.鍋爐在該種狀態下長期運行可能會造成連接松脫、焊縫開裂以及產生很大的噪聲，嚴重時可使鍋爐水冷壁疲勞破壞，造成較大的安全風險.

(a)改造前

(b)改造后

(a)測試點1

(b)測試點2

(c)測試點3

對比測試點1、測試點2和測試點3的振動位移，測試點1的振動位移明顯大于其余2個測試點，這主要是由于測試點1處于兩層剛性梁之間，該處無剛性梁布置，其剛度明顯低于測試點2和測試點3.剛度低導致測試點1處固有頻率偏低，在爐內氣體擾動下，極易發生共振，造成較大程度的異常振動位移.同時由于集中質量塊(吹灰器)的影響[11]，水冷壁固有頻率有所下降，而吹灰器所受的力也直接作用于水冷壁上，導致該處振動加劇.測試點2和測試點3產生了肉眼可見的、厘米級的振動位移，表明由于設計或安裝異常，剛性梁沒有起到很好地提高爐墻剛度的作用，因而導致爐墻出現較嚴重的振動.

圖11給出了改造后測試點1、測試點2和測試點3的振動位移.由圖11可以看出，由于分散了吹灰器的質量，去除集中質量塊的作用，測試點1的最大振動位移減小至3.1 cm；在原有剛性梁和改造拉桿的共同作用下，爐墻的剛度明顯提高，使測試點2和測試點3的振動位移成功減小至毫米級，最大振動位移分別減小了75.0%和79.2%.采用拉桿提高剛度的方案，其施工簡單且周期短，對鍋爐運行沒有影響，同時又能有效地解決爐墻的異常振動.

(a)測試點1

(b)測試點2

(c)測試點3

圖12對比了各測試點模擬與實際測得的振幅減小率.由圖12可以看出，測試點2和測試點3模擬結果與實際結果的擬合度較高，而由于測試點1所處位置的原因，其剛度較低，在測量時爐內實際運行的瞬態不穩定因素對其振幅影響較大，導致改造效果不如測試點2和測試點3，測試點1的最小振動位移減小了39.2%，且與模擬結果相差較大.在模擬過程中對模型進行了簡化，所以模擬效果比實際效果更好.

圖12　模擬與實際改造效果對比圖

4結論

(1)通過拉桿連接兩層剛性梁，可以有效地提高爐墻剛度和固有頻率，結合懸吊吹灰器的方法，很大程度上減小了爐墻的振動位移，提高了鍋爐運行安全性.

(2)測試點的模擬結果顯示改造后最大可以減小84.3%的振動位移.現場實際改造后，測得最大可減小79.2%的振動位移，最小可減小39.2%的振動位移.

(3)采用簡化假設，數值模擬結果可以指導現場改造的進行，為改造提供參考，同時實際改造結果也表明仿真模擬具有可靠性和實用性.

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Solutions for Abnormal Vibration Faults in Boiler Water Walls

ZHOUHao,ZHUGuodong,HUANGYan,WANGHengdong,ZHOUKang

(State Key Laboratory of Clean Energy Utilization, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China)

Abstract：To overcome the abnormal vibration faults frequently occurring in boiler water walls that may affect the safety operation of the boiler, vibration characteristics of a 60 MW boiler furnace were experimentally studied and numerically simulated with Ansys software, after which vibration suppression measures were proposed and implemented, such as adding pulling bars to enhance the stiffness of rigid beams, and hanging the soot blowers to reduce the concentrated mass, etc. In addition, inherent frequencies of boiler water walls before and after retrofit, and also the vibration displacement of each measuring point under circumstance of forced vibrations, were obtained via numerical simulation. Results show that the vibration displacement can be reduced by a maximum of 84.3% and 79.2% respectively in simulated scheme and actual measurement.

Key words：furnace wall vibration; modal analysis; forced vibration; on-site retrofit

收稿日期：2015-07-02

修訂日期：2015-09-01

基金項目：國家重點基礎研究發展計劃資助項目(973計劃)(2015CB251501)；國家科技支撐計劃資助項目(2012BAA12B03)

作者簡介：周昊(1973-)，男，江蘇吳江人，教授，博士生導師，研究方向為煤的低污染優化燃燒技術. 電話(Tel.)：0571-87951598；

文章編號：1674-7607(2016)06-0436-06中圖分類號：TK229.2

文獻標志碼：A學科分類號：470.30

E-mail: zhouhao@cmee.zju.edu.cn.