煙道式余熱鍋爐振動(dòng)情況分析

李發(fā)彪，段維飛，鄒 勇

（涼山礦業(yè)股份有限公司昆鵬公司，四川 會(huì)理 615100）

涼山礦業(yè)股份有限公司昆鵬公司艾薩爐余熱鍋爐是配套艾薩爐熔池熔煉而設(shè)計(jì)制造的煙道式余熱鍋爐。冶煉原料從頂部加料口進(jìn)入艾薩爐內(nèi)，在頂部供風(fēng)噴槍的攪拌下，與熔池內(nèi)高溫熔體接觸反應(yīng)。熔煉反應(yīng)生成的煙氣經(jīng)余熱鍋爐上升煙道、下降煙道、水平煙道等受熱面換熱冷卻后至收塵系統(tǒng)。

這臺(tái)鍋爐在投運(yùn)6年后，突然出現(xiàn)了水平煙道劇烈振動(dòng)的情況；此后該振動(dòng)情況一直伴隨著整個(gè)鍋爐系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程。

圖1 艾薩爐余熱鍋爐示意圖

1 煙道振動(dòng)原因分析及確認(rèn)

1.1 對(duì)煙道振動(dòng)部位測(cè)量

艾薩爐熔煉可以分為停產(chǎn)保溫、低負(fù)荷正生產(chǎn)、正常負(fù)荷生產(chǎn)及滿產(chǎn)四種生產(chǎn)狀態(tài)，這四種生產(chǎn)狀態(tài)都有煙道振動(dòng)的情況。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的觀察測(cè)量，發(fā)現(xiàn)停產(chǎn)保溫時(shí)，振動(dòng)最劇烈的部位是下降煙道；其他生產(chǎn)狀態(tài)，振動(dòng)最劇烈的部位都是水平煙道。由于整個(gè)余熱鍋爐煙道都是包裹在保溫層中影響振動(dòng)檢測(cè)結(jié)果，我們選取了裸露在外的人孔門作為測(cè)量點(diǎn)。

表1 艾薩爐余熱鍋爐煙道振動(dòng)情況測(cè)量結(jié)果

上表是通過(guò)采用點(diǎn)檢儀對(duì)艾薩爐滿負(fù)荷生產(chǎn)時(shí)各人孔門振動(dòng)測(cè)量數(shù)據(jù)。從表中數(shù)據(jù)可以看出位于水平煙道進(jìn)口凝渣管束位置附近的人孔門是振動(dòng)最劇烈的點(diǎn)。

1.2 煙道振動(dòng)原因分析

造成余熱鍋爐煙道振動(dòng)原因比較復(fù)雜，通過(guò)相關(guān)資料及余熱鍋爐運(yùn)行情況分析，認(rèn)為最可能的原因?yàn)樗姆N[1]：①風(fēng)機(jī)等旋轉(zhuǎn)設(shè)備運(yùn)行影響、②固定件損壞、③熔池反應(yīng)產(chǎn)生的煙氣駐波、④煙氣通過(guò)管束時(shí)形成的卡門渦流。考慮到振動(dòng)持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、振動(dòng)部位變化等因素我們排除了旋轉(zhuǎn)設(shè)備影響和固定件損壞是振動(dòng)的主要原因。

現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)數(shù)據(jù)表明波動(dòng)最劇烈的位置正好處于余熱鍋爐水平煙道進(jìn)出口位置。該位置內(nèi)設(shè)置有大量縱向布置的換熱管束。煙氣經(jīng)過(guò)這些圓形管束，在管束左右兩側(cè)可能形成卡門渦流。

卡門渦流會(huì)對(duì)管束管壁產(chǎn)生周期性的橫向作用力，引起的煙氣中的壓強(qiáng)場(chǎng)發(fā)生變化，引起余熱鍋爐振動(dòng)；同時(shí)當(dāng)卡門渦流頻率與余熱鍋爐部件固有頻率一致時(shí)，可能產(chǎn)生共振現(xiàn)象，也會(huì)引起余熱鍋爐煙道振動(dòng)。同時(shí)這個(gè)部位的煙氣壓力波動(dòng)也是整個(gè)余熱鍋爐煙道最大點(diǎn)，達(dá)到了±100Pa。我們判斷余熱鍋爐煙道振動(dòng)的原因是卡門渦流和煙氣駐波共振產(chǎn)生的[2]。

1.2.1 煙氣駐波頻率計(jì)算

根據(jù)煙氣駐波頻率計(jì)算公式[3]：

余熱鍋爐水平煙道入口共振區(qū)域特性長(zhǎng)度L約為7m，溫度T約為873K，計(jì)算的煙氣駐波頻率為42.2Hz。

1.2.2 卡門渦流頻率計(jì)算

根據(jù)卡門渦流頻率計(jì)算公式

fk=St＊V/D

余熱煙道內(nèi)管束為順序排列，其中橫向間距為140mm、縱向間距為100mm。而在生產(chǎn)過(guò)程中受管束外表面結(jié)灰影響，管子外徑由38mm增加到65mm。根據(jù)St-Xt關(guān)系曲線，當(dāng)管子外徑為38mm時(shí)，取斯特勞哈爾數(shù)St=0.13；當(dāng)管子外徑為65mm時(shí)，取斯特勞哈爾數(shù)St=0.4。經(jīng)測(cè)量核算余熱鍋爐水平煙道入口煙氣流速為7.1m/s。經(jīng)計(jì)算新裝余熱鍋爐卡門渦流頻率為24Hz，而現(xiàn)余熱鍋爐卡門渦流頻率為43.6Hz。

圖2 St-Xt關(guān)系圖曲線

鍋爐卡門渦流頻率計(jì)算結(jié)果與駐波頻率計(jì)算值相吻合，證明卡門渦流是鍋爐煙道振動(dòng)的主要原因。

2 應(yīng)對(duì)措施

通過(guò)上述分析，解決余熱鍋爐煙道振動(dòng)可以從兩方面解決。

2.1 穩(wěn)定煙氣駐波

行業(yè)內(nèi)常見(jiàn)解決鍋爐煙道共振的方法是增加煙氣隔板，減少煙道共振區(qū)域?qū)挾龋蕴岣邿煹礼v波頻率。此方法也在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中證明了其良好效果。但是對(duì)于本文研究的余熱鍋爐來(lái)說(shuō)，需要考慮冶金爐生產(chǎn)的連續(xù)性，此方法只能作為下一步實(shí)施的備用方案。

昆鵬公司從穩(wěn)定艾薩爐熔池熔煉入手，通過(guò)采取穩(wěn)定加料量、供風(fēng)等措施，減少煙氣劇烈波動(dòng)。平穩(wěn)了艾薩爐熔池熔煉反應(yīng)過(guò)程，熔煉產(chǎn)生的煙氣量就會(huì)恒定在一定區(qū)間，使振動(dòng)位置負(fù)壓波動(dòng)范圍減少，達(dá)到減少振動(dòng)的目的。同時(shí)也避免了將未反應(yīng)的原料吸入余熱鍋爐煙道，造成熔煉反應(yīng)在煙道內(nèi)進(jìn)行，引起煙氣共振區(qū)域特性長(zhǎng)度變化的情況。

2.2 調(diào)整卡門渦流頻率，避免共振

通過(guò)上述分析可知，余熱鍋爐煙道振動(dòng)重要原因是煙道管束外徑增加造成煙道卡門渦流頻率上升引起的。降低卡門渦流頻率，讓卡門渦流頻率與余熱鍋爐煙氣頻率拉開(kāi)差距，避免共振，從而有效緩解余熱鍋爐煙道振動(dòng)問(wèn)題。可以通過(guò)一定方式清理管束結(jié)灰，重新恢復(fù)管束外徑，能夠有效降低卡門渦流頻率。也可以通過(guò)對(duì)余熱鍋爐煙道結(jié)渣控制，使煙道阻力降低，降低鍋爐負(fù)壓的方法；通過(guò)降低煙氣流速，來(lái)降低卡門渦流頻率。

昆鵬公司通過(guò)對(duì)艾薩爐補(bǔ)充二次燃燒風(fēng)等方法，使物料在艾薩爐內(nèi)充分反應(yīng)。同時(shí)在物料中配入一定的CaO，使余熱鍋爐煙道內(nèi)灰渣疏松脆化，易于清理。通過(guò)這些措施，結(jié)合著余熱鍋爐煙道上布置的清灰裝置，使煙道結(jié)灰情況明顯減少，振動(dòng)情況也得到了有效緩解。

3 總結(jié)

鍋爐煙道振動(dòng)影響因素很多，需要根據(jù)具體原因采取不同對(duì)策。尤其是對(duì)于冶煉爐余熱鍋爐來(lái)說(shuō)，其是受冶煉反應(yīng)影響很大，在原因分析和措施實(shí)施過(guò)程中，一定要充分考慮冶煉工藝的影響。

本次艾薩爐余熱鍋爐煙道振動(dòng)是卡門渦流頻率和煙氣駐波耦合產(chǎn)生的，如何在以后運(yùn)行的過(guò)程中，避免振動(dòng)的發(fā)生還需要我們繼續(xù)論證。