工業鍋爐管式空氣預熱器的振動分析及消除

劉甲斌，袁少鋒，孫 燁，趙 磊

(1.陜西能源職業技術學院 煤炭與化工產業學院，陜西 咸陽 712000； 2.中石油煤層氣有限責任公司臨汾分公司，山西 太原 030032； 3.陜西延長石油興化集團，陜西 咸陽 713100)

隨著我國工業領域的飛速發展，鍋爐成為工業領域的主要加熱設備之一。鍋爐實際上是一種自然循環的水加熱器，其內部核心設備為旋風分離器，爐膛為膜式水冷壁結構，過熱器包含高、低兩種級別，中間安裝噴水減溫器，并在尾部安裝兩級省煤器和一、二次風管式空氣預熱器。工業鍋爐在運行過程中易產生振動現象，該現象可直接影響鍋爐的安全運行。為此，本研究對工業鍋爐管式空氣預熱器產生振動的原因進行分析，并提出相應的解決措施，為工業鍋爐的安全運行奠定有力基礎。

1 工業鍋爐管式空氣預熱器整體結構

空氣預熱器實際上是一種換熱設備，位于工業鍋爐尾部的受熱面，可利用煙氣的余熱對空氣進行預熱。將管式空氣預熱器作為主要研究對象，該類型的空氣預熱器為實現空氣的預熱，使煙氣在管束內流動，空氣在管束外流動。若工業鍋爐的蒸發量為120 t/h，則該鍋爐需要配置兩臺空氣預熱器，在工業鍋爐的負荷達到最大值時，空氣預熱器可產生強烈振動，并發出相應噪聲。通過對空氣預熱器振動原因進行調查可知，振動的源頭為空氣預熱器管束，當管束處于振動狀態時，管箱外護板可隨著管束的振動而振動。管式空氣預熱器產生振動的主要原因為垂直于管束流動的空氣，對管式空氣預熱器的振動進行分析時，應充分考慮管束外流經空氣引發的振動現象。管式空氣預熱器的整體結構如圖1所示[1]。

圖1 管式空氣預熱器整體結構

管式空氣預熱器的排列形式為錯列，管箱的長度和寬度可分別用Lb、bb進行表示，換熱管的外直徑、橫向節距、縱向節距分別表示為d、r1、r2。

2 工業鍋爐管式空氣預熱器的振動分析

2.1 卡門渦流效應

“卡門渦流效應”指的是：當流體經過一個圓柱體時，該圓柱體的背面可產生渦流，并且圓柱體的順時針和逆時針方向均可產生渦流，在氣流的作用下使渦流產生脫落現象，這種交替產生和脫離的渦流被稱作卡門渦流。渦流在圓管兩側出現脫落現象時，可產生垂直于氣流方向的氣壓脈動。當管束中卡門渦流的脫落頻率與煙氣駐波的固有頻率之間出現耦合現象時，可實現煙氣柱的自激振動，同時伴有較為嚴重的噪聲[2]。卡門渦流的頻率指的是：周期性產生渦流和脫落渦流的頻率，其公式為

fK=StV/D

(1)

式中：St為Strouhal系數；D為圓柱的直徑,m；V為流體的流速,m/s。

St的數值可通過相關試驗進行確定，該數值與圓管的排列情況、管徑等因素有關。通過對數臺工業鍋爐進行試驗，最終確定管式空氣預熱器的管徑為40 mm，換熱管采用錯列布置方式，最小橫、縱節距分別為60 mm、40 mm時，此時St的數值在0.45～0.55[3]。

2.2 空氣預熱器振動機理

空氣預熱器在卡門渦流效應下可產生3種振動方式：①卡門渦流頻率與管式空氣預熱器管箱氣室聲學駐波頻率之間產生耦合而引發的共振；②卡門渦流頻率與管式空氣預熱器管子固有頻率耦合產生的振動；③卡門渦流頻率、管式空氣預熱器管箱以及結構機械振動三者之間同時耦合產生的振動。

最常見的振動方式為卡門渦流頻率與管式空氣預熱器管箱氣室聲學駐波頻率之間產生耦合時，二者之間引發的共振。該共振方式屬于一種由氣壓脈動產生的自激振動，振動產生時較為強烈，同時伴有巨大的噪聲，而卡門渦流頻率與管子固有頻率之間耦合時產生的振動強度相對較低[4]。

聲學駐波實際上是一種疏密波，需要周期和振幅均相同的波相對行進，方可產生具有固定波腹和波節點的聲學駐波，該駐波壓力最大處的位移最小，全部駐波均為1/2波長的整倍數。聲學駐波的頻率為

fC=C/λ

(2)

式中：C為工作條件下的聲速,m/s；λ為波長,m[5]。

諧波是1/2波長的整倍數代表的含義為：一階駐波的波長為管式空氣預熱器氣室寬度的2倍，二階駐波的波長為管式空氣預熱器氣室寬度，三階駐波的波長為管式空氣預熱器氣室寬度的2/3，此時可將聲學駐波的頻率寫成：

fC=nC/2L

(3)

式中：n為駐波的階次(取值為1,2,3,…)；L為管箱氣室的寬度,m。

λ=2L/n

(4)

式中：λ為波長，m。

將流體力學作為主要依據，對駐波位移進行表達，此時脈動應滿足連續方程和動量方程：

Y=Y0sin(2πX/λ)sin(2πfCt)=Y0sin(nπX/L)sin(2πfCt)

(5)

式中：Y為氣體質點的橫向位移；Y0為質點的最大位移(最大全振幅)；X為離管箱內壁的水平距離；t為時間[6]。

在對X數值進行計算時，應使2πX/λ=0、π、2π、…、nπ，此時振幅為零，可將其稱之為位移節點，氣室兩側護板均為位移節點。當波長為λ/4、 3λ/4、 5λ/4時，波長上的點均為振幅最大的點。聲駐波如圖2所示。圖2中，①②③為二階波，④⑤⑥為三階波。

圖2 聲駐波示意圖

聲學駐波的氣壓脈動值P的計算公式為

P=(2πKP0Y0/λ)sin(2πfCt)sin(2πX/λ-π/2)

(6)

式中：K為氣體常數；P0為絕對氣壓[7]。

通過對壓力節點和位移節點的相位差進行比較可知，二者之間相差的數值為π/2(即90°)，駐波壓力波節點為位移波振幅最大的點，當位移節點處振幅最小時，則該節點為氣壓脈動最大的點。空氣預熱器的兩側壁應位于氣壓脈動最大的位置，在預熱器的同一個氣室空間中，全部方向均可能出現駐波，本研究只考慮垂直氣流方向的駐波。

氣室寬度代表管式空氣預熱器兩側護板之間的距離。卡門渦流效應頻率fK和氣室聲學駐波頻率fC發生耦合時產生的振動為自激振動，該類型的振動方式可產生任何一階的駐波。但fK和fC在實際耦合過程中，需要滿足一定條件方可產生駐波。通過對fK和fC的耦合情況進行分析可知，當fK較高時，易產生振動現象，并且大多數強烈的振動頻率發生在60 Hz之上。fK與圓管固有頻率耦合時產生的振動為隨機狀態，管式空氣預熱器需要在一定流速下可實現振動。工業鍋爐的振動可發生在低溫段過熱器上，該階段的鍋爐尾部處于較寬狀態，同時煙氣溫度相對較低，易引起煙速提升[8]。

3 工業鍋爐管式空氣預熱器的振動消除措施

3.1 管式空氣預熱器防振方法

本研究對管式空氣預熱器進行了振動分析，為有效預防管式空氣預熱器產生振動現象，應充分考慮卡門渦流效應對管式空氣預熱器的影響，并對管式空氣預熱器的振動進行校核計算。管式空氣預熱器內部空氣流速應控制在合理范圍內，若預熱器的空氣流速出現過高現象，可直接造成氣流速度的阻力持續提升，從而引發管式空氣預熱器的振動。假設管式空氣預熱器負荷為60%時，某階段產生振動現象，其他階段在負荷為100%時仍未發生振動，則該預熱器產生振動的原因為：管式空氣預熱器內部各段速度數值相差過大，個別段流速過高，應保證各風道布置的合理性，同時在管式空氣預熱器中設置防振隔板，如圖3所示。

圖3 預熱器改造示意圖

為實現管式空氣預熱器振動現象的消除，可沿著管式空氣預熱器的管箱寬度方向進行防振隔板的安裝。通過該隔板將管式空氣預熱器劃分為多個氣室，有利于提高fC，當fC大于fK，振動將會被消除[9]。

3.2 管式空氣預熱器振動消除措施

若工業鍋爐中一臺管式空氣預熱器出現振動現象，應立即對該預熱器的振動形式進行了解，提高振動消除效率。最常見的管式空氣預熱器振動類型為fK和fC耦合引起的振動，此時用手觸碰外護板即可感覺到較高頻率的振動，該階段的振動可隨著負荷的增加以及流速的提高，從低階駐波逐漸轉向高階駐波。

為實現管式空氣預熱器振動的消除，可采用安裝防振隔板的方式進行實現，同時應盡可能減少氣室寬度。防振隔板可安裝在管式空氣預熱器的管箱之間，并最大限度地降低管子的分割數量，有利于降低防振隔板安裝難度。通常情況下，管子的切割數量為一排或者數排，為防止管式空氣預熱器在切除管子后出現氣流短路現象，應在切割口處進行焊封。為使氣流進入管箱時更加均勻，可在管式空氣預熱器中安裝導流板。通過對St的數值進行計算可知，其數值在0.45～0.55時，采用熱力計算方式對氣流的速度進行計算，即可計算出fK，令fK=fC，可計算出駐波階次n，并確定管式空氣預熱器中的隔板數量。由于部分預熱器在負荷不滿40%時，也可產生振動現象，可按照最大負荷對隔板數進行計算，并保留一定裕度[10-11]。

4 結 語

工業鍋爐在實際供熱過程中，其內部管式預熱器易產生振動現象，若振動現象較為嚴重，可直接引起設備損壞。本研究為消除管式預熱器的振動現象，采用安裝防振隔板的方式對振動進行消除，通過對工業鍋爐進行改造設計，有利于降低振動和噪聲的產生。但工業鍋爐尾部受熱面的管束安裝狀態較為密集，使工業鍋爐內部可用空間較小，增大了現場安裝難度。在未來發展中，應進一步探究其他影響管式預熱器振動的因素，并加強空氣預熱器的設計，部件出廠之前應完成防振隔板安裝，完善管式預熱器的防振、防噪聲工作，有利于提高工業鍋爐的供熱效果。