電站鍋爐爐墻異常振動的分析及建議

摘要：通過對某鍋爐爐墻異常振動的調研和分析，確定了爐墻振動的主要原因是卡門渦流的聲學共振及煙道剛性下降。卡門渦流的脫落頻率與管束間煙氣柱聲學駐波的固有頻率耦合，激發(fā)起煙氣柱發(fā)生強烈的自激振動，加之煙道阻尼器老化，煙道剛性降低，繼而引起尾部煙道的振動。闡述了卡門渦街門渦流頻率和低溫過熱器管束間駐波頻率的計算方法，并提出了防止爐墻振動的措施。

關鍵詞：爐墻;振動;卡門渦街;煙道駐波;聲學共振

1.概述

某鍋爐為東方鍋爐廠DG1900/25.4-Ⅱ1型超臨界參數、變壓、直流、本生型鍋爐，其尾部豎井煙道前側為再熱煙道，后側為過熱煙道，分別通過各自的煙氣擋板調節(jié)汽溫。該機組在提高負荷至近600MW工況時，豎井煙道右后側處爐管泄漏測點頻繁報警，經過現場查看，發(fā)現此處爐墻振動大。

國際上對爐墻振動的研究始于20世紀50年代，早期遇到的是由karman（卡門）渦流所引起的振動，解決這方面的振動在理論和實踐方面取得了顯著的成效，并且設計階段就加以考慮。上世紀70年代至今，爐墻振動研究已轉向燃燒方面，主要在控制燃燒的穩(wěn)定性方面取得了某些進展，但距理論上解決還有相當距離。國內在上世紀60年代就曾解決過由于流體流經管束而引起的鍋爐振動問題。

振動產生的危害非常大，對鍋爐的鋼性梁等構件會產生較大的疲勞應力，同時對爐內的受熱面也會帶來破壞應力，嚴重時會造成爆管。

2.案例問題分析

2.130號爐管泄漏報警裝置誤報

查詢歷史曲線發(fā)現，自2020年4月19日3號鍋爐檢修完成啟動至8月10日，機組負荷很少高于500MW，30號爐管泄漏測點每天10：00左右即出現瞬時報警。

經查詢歷史曲線，30號爐管泄漏測點吹灰時間關系相關性較強，分析發(fā)現，30號爐管泄漏出現報警與此處吹灰時間吻合，且該測點與吹灰器距離較近，不足0.5m，而其他測點與吹灰器距離較遠，且極少出現報警現象。而報警與負荷等其他因素無相關性，另外經核實補水量無明顯變化，不存在爐管泄漏，因此認為該測點爐管泄漏報警是由于吹灰振動所致的誤報。

2.2聲學共振

自8月10日起，3號鍋爐負荷率大幅提高，當機組負荷升至600MW時，豎井煙道后側區(qū)域的29、30、31、34號爐管泄漏測點頻繁報警，其中位于右側的30、32號測點尤為劇烈，且經核實爐管無泄漏，依然為振動引起的誤報。現場查看發(fā)現豎井煙道右側墻有明顯振動，且伴有低沉的噪音，負荷降低或者降低過熱器煙氣擋板開度后振動消除。爐管泄漏測點報警與負荷關系歷史曲線如圖1所示。

圖1爐管泄漏測點與負荷關系歷史曲線

當負荷較高時，煙氣量增大，鍋爐過熱器煙氣擋板開大，過熱器側的煙氣流速較大，再熱器側的煙氣流速較小，此時煙氣流經低溫過熱器水平段管排產生卡門渦流，這些漩渦交替地從管子兩側脫落，脫落頻率與來流

速度成正比。當管束中卡門渦流的脫落頻率與管束間煙氣柱聲學駐波的固有頻率耦合，就會激發(fā)起煙氣柱發(fā)生強烈的自激振動，加之煙道阻尼器老化，煙道剛性降低，繼而引起尾部煙道的振動。此外，600MW負荷下調節(jié)煙氣擋，減小過熱側的煙氣量和流速，振動消除，同樣說明該振動與煙氣流速有關。

2.3振動的計算

（1）卡門渦流頻率

卡門渦流脫落頻率f的計算式為：

?

?

式中，u為煙氣速度（m/s）;d為受熱面管子外徑（m）;S為Strouhal數，是一個與雷諾數有關的無因次量。

設管排的縱向節(jié)距為L，橫向節(jié)距為T，則順列管排的S為：

3618

（2）低溫過熱器管束間駐波頻率

周期和振幅相同的波向順列管束間傳播時互相干涉，形成駐波。當低密度的流體穩(wěn)定地橫向流過管束時，可能產生一個既垂直于管子、又垂直于流動方向的聲學駐波，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的聲速相同。由于煙道內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。

假如低溫過熱器所在煙道內存在駐波，則其波長和煙道寬度W之間必然有一定的關系，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計算公式為：

z?·

式中，c為某一溫度下煙氣介質中的聲速;n=1，2，3……;W為煙道寬度。

某一溫度下的聲速可由下式求出：

?

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

3.結論建議

通過分析，初步認為該鍋爐豎井煙道右側墻振動的原因為煙道剛性下降及聲學共振，需進一步對振動進行頻譜分析。為此建議如下：

（1）進行現場測試，對振動進行頻譜分析，計算出共振頻率，找出振動位置，進行增加隔板等改造，消除振動。

（2）對振動位置的煙道阻尼器維護更換或者加固煙道，提高煙道剛性。

（3）調節(jié)豎井煙道煙氣擋板，改變流經過熱器煙氣流速，避開共振。

作者簡介：趙瑞松（1988-04），男，漢族，河南鄭州，工程師，碩士，中國大唐集團科學技術研究院有限公司中南電力試驗研究院（大唐中南電力試驗研究院），研究方向：電站鍋爐節(jié)能及環(huán)保。