水套爐振動分析及減振技術(shù)研究

賈軍峰，劉錦南

(1.北京機(jī)電院高技術(shù)股份有限公司，北京 100027；2.北京博華信智科技發(fā)展有限公司，北京 100029)

水套爐是油氣集輸?shù)闹匾O(shè)備，在運行過程中煙管和盤管在流體壓力和流速沖擊的作用下，經(jīng)常會產(chǎn)生振動，給生產(chǎn)安全埋下隱患。

為了減少振動需要在水套爐運行過程中根據(jù)結(jié)構(gòu)、工況，總結(jié)其振動的變化規(guī)律，采用不同的措施來防止振動。

一、水套爐概述

水套爐應(yīng)用在油氣田的集油站、集氣站和聯(lián)合站等站（庫）內(nèi)，使用液體或者氣體為燃料，以水為熱媒加熱原油、天然氣、水及其混合物等。它是一種火筒式間接加熱爐。其優(yōu)點是加熱均勻、加熱盤管不結(jié)焦，適用于介質(zhì)流量波動較大的情況，被廣泛使用。

水套爐的基本結(jié)構(gòu)為臥式內(nèi)燃兩回程火筒煙管結(jié)構(gòu)型式。如圖1所示，火筒布置在殼體的下部一側(cè)，煙管布置在火筒的另一側(cè)，火筒與煙管形成U型結(jié)構(gòu)；加熱盤管布置在殼體的上部空間；燃燒器和煙囪布置在水套爐的前部。

燃料在火筒內(nèi)燃燒產(chǎn)生的熱能以輻射、對流的方式傳遞給水或者水溶液，水或者水溶液將吸收的熱量傳遞給盤管內(nèi)的被加熱介質(zhì)（油、氣），實現(xiàn)加熱的目的。

二、振動機(jī)理

機(jī)械系統(tǒng)多自由度振動的矩陣微分方程式為

式中：M——總質(zhì)量矩陣；

C——阻尼矩陣；

K——為總剛度矩陣；

x——位移向量；

F——干擾力即激振力向量。

水套爐振動主要由以下四部分組成。

1.機(jī)械振動

燃燒器及其風(fēng)機(jī)電機(jī)引起的系統(tǒng)機(jī)械振動。在啟爐點火和負(fù)荷變化時，燃料量和風(fēng)機(jī)風(fēng)量隨系統(tǒng)負(fù)荷連鎖控制。燃料量或者風(fēng)機(jī)風(fēng)量的變化引起火焰脈動，導(dǎo)致燃燒器振動。另外，風(fēng)機(jī)風(fēng)量變化容易引起風(fēng)機(jī)電機(jī)的振動。

2.氣體管道振動

火管、煙管和煙氣構(gòu)成的氣體管道振動。燃料燃燒產(chǎn)生大量煙氣，在壓力和流速的作用下，管道會承受煙氣的動壓力。負(fù)荷變化，引起煙氣壓力和流速脈動，產(chǎn)生隨時間變化的激振力，激發(fā)管道振動。

3.液體管道振動

盤管、加熱介質(zhì)（原油）造成的液體管道振動。流體在泵的作用下處于脈動狀態(tài)，當(dāng)遇到彎管頭、異徑管、控制閥、盲板等元件時，產(chǎn)生一定的隨時間變化的激振力。在這種激振力作用下管道和附屬設(shè)備會產(chǎn)生振動。

4.系統(tǒng)共振

當(dāng)機(jī)械振動、氣體管道振動、液體管道振動的振動頻率與管系的固有頻率接近或者一致時，系統(tǒng)將產(chǎn)生共振。強(qiáng)烈的共振使設(shè)備震顫，同時發(fā)出劇烈噪聲。共振對系統(tǒng)危害很大，會導(dǎo)致點火失敗及設(shè)備損壞。

三、減振技術(shù)

1.改變管道固有頻率

管道系統(tǒng)在各種不同型式的支撐方式及質(zhì)量分布情況下，可以用分析的方法計算得到各階固有頻率。管系固有頻率的計算公式為

式中：f——管系固有頻率；

af——單跨管道固有頻率的頻率系數(shù)；

E——彈性模量；

I——截面慣性矩；

m——管系質(zhì)量；

l——管系長度。

通過管系固有頻率的計算公式可以看出，要改變管系固有頻率可以采取以下措施。

(1)在合理流速范圍內(nèi)，通過選擇不同的管徑，改變管道的截面慣性矩，從而改變固有頻率。

(2)可以改變管系的結(jié)構(gòu)型式，如縮短管道長度、增加管道的排數(shù)、增加管道長度、減少管道的排數(shù)。

(3)還可以通過改變管道支承性質(zhì)數(shù)量及位置改變固有頻率。

(4)在管系結(jié)構(gòu)確定的情況下，可以在管道上相應(yīng)位置加裝平衡塊，改變管系質(zhì)量，從而改變固有頻率。

2.減小流體振動

(1)降低流速。流體速度是引起振動的主要因素。降低流速可防止振動，速度和阻力更呈現(xiàn)幾何級的正比關(guān)系。當(dāng)爐體結(jié)構(gòu)已經(jīng)確定的情況下，負(fù)荷越小，阻力就越小，流速也越小，產(chǎn)生振動的可能性也就越小。

(2)降低流體脈動壓力強(qiáng)度。在燃燒器前設(shè)置緩沖器，降低外部供氣壓力變化對燃燒火焰、煙氣的影響；設(shè)置孔板等氣流阻力元件，控制氣流脈動，減小振動。

3.避免共振

一般管道系統(tǒng)基頻共振的振幅很大，高階共振的振幅較小，所以避開低頻共振才是減振的關(guān)鍵。將管道系統(tǒng)的固有頻率調(diào)高到激振力主頻率的2.8～3.0倍以上，可以有效避免共振。增加支撐可以提高管系固有頻率，有效避免低階共振。

4.優(yōu)化管系結(jié)構(gòu)

改懸臂管為兩端簡支管，變彈性支承為剛性支承管；在管道固定支撐部位放置彈簧、橡皮或軟木等，以達(dá)到隔振、消振的目的。激振力主要產(chǎn)生于彎頭和異徑管的接頭處。因此在管道安裝時應(yīng)盡量減少使用急彎彎頭。另外減小彎頭角度也可以增強(qiáng)減振效果。

四、實例分析

某油田集中處理站水套爐在運行過程中，燃燒器小火時振動較小，大火時振動劇烈，無法在額定負(fù)荷下運行。

根據(jù)水套爐的工作原理和振動機(jī)理，經(jīng)過現(xiàn)場的實際分析，確定振動原因如下。

(1)雖然在啟爐點火和負(fù)荷變化時，燃料量和風(fēng)機(jī)風(fēng)量隨系統(tǒng)負(fù)荷連鎖控制，燃燒器和風(fēng)機(jī)負(fù)荷隨之變化，但是經(jīng)過現(xiàn)場測量燃燒器和風(fēng)機(jī)都運行良好，機(jī)械振動可以忽略不計。

(2)加熱盤管的管徑選取合理，介質(zhì)的流速穩(wěn)定，介質(zhì)溫度已達(dá)到設(shè)計溫度。經(jīng)過現(xiàn)場測量盤管的進(jìn)出口管道振動都很小。

(3)根據(jù)燃燒器小火時振動較小，大火時振動劇烈的現(xiàn)象，初步分析是因為系統(tǒng)負(fù)荷變化后引起煙氣壓力和流速脈動，產(chǎn)生隨時間變化的激振力，激發(fā)管道振動。因此，系統(tǒng)振動主要為火管、煙管和煙氣構(gòu)成的氣體管道振動，及其結(jié)構(gòu)性的共振。

從水套結(jié)構(gòu)可以看出，水套爐的火筒分為多路煙管匯合到煙囪中，煙囪采用彎頭，與爐體連成一體，導(dǎo)致爐體的阻力偏大，在大負(fù)荷時振動強(qiáng)烈。因此，需要從氣體管道的結(jié)構(gòu)方面進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整，采取相應(yīng)的避振和減振措施。

針對以上分析，在現(xiàn)場采取如下措施。

(1)增加火筒支撐，減小撓性而提高剛度，避免在負(fù)荷變化時管道的顫動。

(2)增加盤管支撐，改變其固有頻率，避免共振。

(3)去掉煙囪和筒體連接的彎頭，將煙囪改為落地式，減小煙氣阻力，達(dá)到減振的效果。

(4)設(shè)置調(diào)節(jié)擋板，根據(jù)負(fù)荷變化調(diào)節(jié)擋板開度，盡量減小因為負(fù)荷變化對系統(tǒng)的沖擊。

經(jīng)過以上調(diào)整，并將燃燒器分多個階段逐步提升負(fù)荷，水套爐在大火時振動明顯減小，在額定負(fù)荷下，運行良好。

五、結(jié)論

水套爐機(jī)械振動的控制比較簡單，而流體壓力脈動及系統(tǒng)共振的控制比較復(fù)雜。在對水套爐工作原理、振動機(jī)理進(jìn)行研究和對水套爐現(xiàn)場振動問題總結(jié)、分析的基礎(chǔ)上，提出如下的減振措施。

(1)對燃燒器及其風(fēng)機(jī)的配套電機(jī)進(jìn)行檢測，落實其出廠時是否做動平衡試驗，合格標(biāo)準(zhǔn)是否過于寬松。對燃燒器的風(fēng)門、軸套質(zhì)量提出較高要求。

(2)燃燒器選型應(yīng)與水套爐負(fù)荷匹配，燃燒器背壓太低或者負(fù)荷不夠都會引起振動。大負(fù)荷水套爐應(yīng)增加火焰穩(wěn)定器，減小火焰脈動。

(3)燃料氣管線口徑加大，進(jìn)行預(yù)熱的燃料氣管線應(yīng)設(shè)膨脹節(jié)，大負(fù)荷水套爐的燃燒器進(jìn)口處應(yīng)設(shè)置緩沖器。

(4)在設(shè)計允許范圍內(nèi)，增大火筒直徑和煙管數(shù)量，盡可能降低水套爐的煙氣流速和煙氣側(cè)阻力，合理設(shè)置火筒和盤管支撐花板的位置。

(5)改進(jìn)煙囪位置及煙氣連接口結(jié)構(gòu)。煙氣出口與煙囪連接采用緩彎彎頭，同時加裝軟連接，煙囪最好采用落地布置。

(6)煙囪上應(yīng)有調(diào)節(jié)擋板，調(diào)節(jié)煙氣流速和壓力，改變氣流脈動頻率，避開共振區(qū)。

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