超臨界鍋爐尾部煙道振動分析及治理

李有信

(中國大唐集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司華中分公司，鄭州 450000)

超臨界鍋爐尾部煙道振動分析及治理

李有信

(中國大唐集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司華中分公司，鄭州 450000)

某電廠超臨界II1型鍋爐檢修后尾部煙道出現(xiàn)振動。經(jīng)分析、計(jì)算、試驗(yàn)，認(rèn)為振源在低溫過熱器區(qū)域，引起振動的主要原因是卡門渦流脫落頻率接近煙道的聲學(xué)駐波頻率而使設(shè)備產(chǎn)生高頻共振所致。通過在低溫過熱器區(qū)域加裝防振隔板，振動問題得以解決，取得了滿意的效果。

尾部煙道；振動；卡門渦流；隔板

0 引言

某發(fā)電公司#1鍋爐從2015年檢修后尾部煙道時(shí)常發(fā)生振動，振動跟負(fù)荷有關(guān)，主要發(fā)生在600 MW負(fù)荷以上，隨著負(fù)荷的繼續(xù)增加，振動也逐漸增強(qiáng)，600 MW負(fù)荷以下未見明顯振動。600 MW負(fù)荷以上振動又與煙氣擋板開度有關(guān)，過熱器擋板在100%，再熱器擋板在30%以下時(shí)易發(fā)生振動。發(fā)生振動時(shí)調(diào)節(jié)再熱煙氣擋板至50%，減小過熱側(cè)的煙氣量和流速，振動消除。然而，再熱煙氣擋板開度在30%以上時(shí)需開再熱器減溫水控制再熱汽溫，影響鍋爐經(jīng)濟(jì)性。

1 設(shè)備概況

該鍋爐是東方鍋爐股份有限公司制造的DG2060/26.15-II1型國產(chǎn)超超臨界變壓本生直流鍋爐，是一次再熱、單爐膛、前后墻對沖燃燒、尾部雙煙道結(jié)構(gòu)、采用煙氣擋板調(diào)節(jié)再熱汽溫、固態(tài)排渣、平衡通風(fēng)、全鋼結(jié)構(gòu)、露天布置、全懸吊結(jié)構(gòu)Π型爐，主要技術(shù)參數(shù)見表1。

其尾部為雙煙道結(jié)構(gòu)，通過中隔墻分為前后2個(gè)煙道。前側(cè)煙道為低溫再熱器，由3段水平管組組成。后側(cè)煙道上部為低溫過熱器，單段水平管組，下部布置省煤器，由2段水平管組組成，如圖1所示。前后煙道各有煙氣擋板，調(diào)節(jié)過熱器和再熱器的汽溫。

2 振動原因分析

高負(fù)荷時(shí)，過熱器煙氣擋板為全開狀態(tài)，再熱器的煙氣擋板保持較小開度，所以低溫過熱器側(cè)的煙氣流速較大，低溫再熱器側(cè)的煙氣流速較小。在尾部煙道振動情況下調(diào)節(jié)再熱煙氣擋板至50%，減小了過熱側(cè)的煙氣量和流速，振動消除，說明該振動與煙氣流速有關(guān)。比較振動發(fā)生前后入爐煤煤質(zhì)，熱值明顯下降。隨著燃煤熱值的下降，同樣工況下煙氣量增加，低溫過熱器區(qū)域的流速增加，也表明該振動與煙氣流速存在關(guān)系。

表1 鍋爐主要參數(shù)

圖1 尾部煙道布置

尾部煙道中，隨著煙氣向后流動，溫度逐漸降低，煙氣流速也隨著溫度的降低而減小，所以在尾部煙道中，低溫過熱器區(qū)域的流速最高。

表2 振動測量結(jié)果

經(jīng)以上分析，認(rèn)為該振動是煙氣流經(jīng)低溫過熱器水平段管排產(chǎn)生的卡門渦流所引起的聲學(xué)型振動。煙氣在管束中流動時(shí)，在管后的尾流呈現(xiàn)一種順時(shí)針方向和逆時(shí)針方向交替旋轉(zhuǎn)的漩渦。這些漩渦交替地從管子兩側(cè)脫落，脫落頻率與來流速度成正比。卡門渦流的脫落使管子后方產(chǎn)生了垂直于管子和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束間煙氣柱聲駐波的固有頻率耦合，就會激發(fā)起煙氣柱發(fā)生強(qiáng)烈的自激振動，繼而引起尾部煙道的振動[1-2]。

2.1卡門渦流頻率

卡門渦流脫落頻率f的計(jì)算式為：

式中：v為煙氣速度，m/s；d為受熱面管子外徑，m；S是一個(gè)與雷諾數(shù)有關(guān)的無因次量。

設(shè)L為管排的縱向節(jié)距，m；l為橫向節(jié)距，m；則順列管排的S為：

根據(jù)機(jī)組設(shè)計(jì)資料，低溫過熱器水平段繞組的縱向節(jié)距為0.152 0 m，橫向節(jié)距為0.114 3 mm，管子外徑為0.501 0 m。在600 MW進(jìn)行了鍋爐煙氣量測量，計(jì)算低溫過熱器煙氣平均流速是9.5 m/s。將相關(guān)參數(shù)代入脫落頻率f的計(jì)算式后，求得f為37.46 Hz[3]。

2.2煙道駐波頻率

周期和振幅相同的波向順列管束間傳播時(shí)互相干涉，形成駐波。當(dāng)?shù)兔芏鹊牧黧w穩(wěn)定地橫向流過管束時(shí)，可能產(chǎn)生1個(gè)既垂直于管子、又垂直于流動方向的聲學(xué)駐波，尾部煙道滿足駐波發(fā)生條件。駐波是一種縱波，波的傳遞速度與駐波所在介質(zhì)的聲速相同。由于煙道內(nèi)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。

假如煙道內(nèi)存在駐波，則其波長和煙道寬度W之間必然有一定的關(guān)系，基波(一階諧波)波長是煙道寬度的兩倍；二階諧波波長等于煙道寬度；三階諧波波長為煙道寬度的2/3。駐波頻率fz計(jì)算公式為：

式中：c為某一溫度下煙氣介質(zhì)中的聲速，m/s；n=1，2，3,…；b為煙道寬度，m。

某一溫度下的聲速可由下式求出：

式中：煙氣絕熱指數(shù)K=1.333；煙氣氣體常數(shù)R=276 J/(kg·K)；T為氣體熱力學(xué)溫度，K。

低溫過熱器所在位置的煙道寬度b為23 531.8 mm。在600 MW工況，低溫過熱器水平段煙氣平均溫度T為636 ℃。將相關(guān)參數(shù)帶入駐波頻率fz的計(jì)算式后，求得當(dāng)n=3時(shí)，fz為36.86 Hz。

2.3聲學(xué)共振的判定

當(dāng)卡門渦流頻率與煙道某階諧波頻率之比k符合條件：0.8

2.4振動測試

為驗(yàn)證對振源的判斷和振動頻率的計(jì)算，對尾部煙道的振幅和頻率進(jìn)行了試驗(yàn)測試。測試在機(jī)組600 MW負(fù)荷，尾部煙道振動時(shí)進(jìn)行。測試位置選擇在尾部煙道分段管組中間區(qū)域，測點(diǎn)布置在檢修人孔處，如圖2所示，測試數(shù)據(jù)見表2。

圖2 振動測量位置

由試驗(yàn)測量結(jié)果可以看出，低溫過熱器出口區(qū)域振幅最大，并且振動頻率為36.9 Hz，和計(jì)算值非常相近。判斷低溫過熱器區(qū)域?yàn)檎裨磪^(qū)域。

3 治理方案

鍋爐煙道是一個(gè)易發(fā)生共振的結(jié)構(gòu)。一方面，煙氣流過管束時(shí)，卡門渦流必然產(chǎn)生，故引起共振的激振力總是存在。另一方面，煙氣流的聲駐波具有無限的諧波，只要卡門渦流引起的激振頻率與煙氣柱聲駐波的任一諧波頻率相耦合，共振都會發(fā)生。

李有信：超臨界鍋爐尾部煙道振動分析及治理

要抑制這種氣體的振動，必須使振動系統(tǒng)失諧。為達(dá)到此目的，可以在煙道的寬度方向裝設(shè)若干隔板。隔板可以將低溫過熱器所在的尾部煙道分為多個(gè)較小的隔間，使各個(gè)隔間的聲駐波固有頻率大于卡門渦流的最大頻率。根據(jù)相關(guān)資料，一般把隔間的固有頻率提高到 100 Hz以上。

隔板在振源區(qū)域低溫過熱器處安裝，沿尾部煙道寬度方向共布置8組，每組安裝位置見表3，每組有5片鋼板。每組隔板由5片裝設(shè)在同一平面、高2 650 mm、寬1 550 mm 的矩形鋼板組成，如圖3所示。由于低溫過熱器管卡布置原因，5片隔板錯(cuò)列布置，并使其能夠?qū)⒇炌ü芘趴v向節(jié)距的氣柱完全隔斷。

圖3 隔板位置示意

鍋爐對稱中心線一側(cè)的隔板間距互不相同，使得不同隔間的聲駐波頻率不同。即使在管組的某一部分發(fā)生共振，其他部分由于它們的固有頻率不同而保持平靜。因此共振是局部的，整個(gè)管組不會發(fā)生總體振動。而且這種局部的振動也很輕微，因?yàn)樗邢噜彽钠渌麣庵捎趹T性作用而對這一振動起阻尼作用。

2016年6月按此方案對低溫過熱器布置隔板，如圖4所示，鍋爐再次啟動，無論高低負(fù)荷未再發(fā)生尾部煙道振動。

圖4 隔板安裝

隔板序號12345678距離/mm2507．65250．87651．110508．613023．215880．7182818．021024．2

4 結(jié)束語

鍋爐尾部煙道振動受鍋爐性能、結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)工藝等方面的影響，在運(yùn)行中也受入爐煤質(zhì)，運(yùn)行控制等影響。所以在鍋爐的設(shè)計(jì)、制造中要進(jìn)行充分的考慮、核算，需要的話在工廠預(yù)裝隔板后出廠。

[1]孫籠.工程流體力學(xué)[M].北京：水利電力出版社.1992.

[2]丁立新.電廠鍋爐原理[M].北京：中國電力出版社，2008.

[3]董坤.卡門渦旋流對電站鍋爐安全性的影響及治理措施[J].熱力發(fā)電，2008，37(10):31-34.

TK 227.7

B

1674-1951(2017)10-0049-03

2017-07-13；

2017-09-13

(本文責(zé)編：齊琳)

李有信(1981—)，男，河南方城人，工程師，從事電廠試驗(yàn)及調(diào)試方面的工作(E-mail:94660172@qq.com)。

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