循環(huán)流化床鍋爐煙、風(fēng)道振動分析與治理

中科（廣東）煉化有限公司 蔡小平 尹建明 中國石油化工股份有限公司化工事業(yè)部 高建新

1 引言

某大型煉化企業(yè)熱電裝置配備4臺450t/h高溫超高壓循環(huán)流化床鍋爐，以滿足全廠煉油及化工裝置用熱需求及發(fā)電用蒸汽，設(shè)計年發(fā)電量19億kWh，供熱710萬噸蒸汽。該CFB爐為π型、單汽包自然循環(huán)鍋爐，額定壓力12.5MPa、溫度540℃，鍋爐本體主要結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 鍋爐三維效果圖

在試運過程中，一、二次風(fēng)機出口風(fēng)道出現(xiàn)劇烈振動，最大達到61.5mm/s，測點位置如圖2所示，實測數(shù)據(jù)見表1。風(fēng)機出口非金屬膨脹節(jié)先后撕裂多次，外護板多處開裂，風(fēng)擋板執(zhí)行器損壞4次。爐膛出口風(fēng)壓從-500Pa～+300Pa波動，引風(fēng)機電流擺動達10A，水冷風(fēng)室積渣嚴重。

圖2 風(fēng)機振動測點位置圖

表1 風(fēng)道實測振幅數(shù)據(jù)表（mm/s）

在帶負荷過程中，前煙井煙道振動明顯，并發(fā)出低沉轟鳴聲。隨著鍋爐負荷增加，煙道振動越發(fā)劇烈，振幅達220μm，轟鳴達93.4dB（A），并帶動尾部煙道包覆墻面、剛性梁及操作平臺大幅晃動。在現(xiàn)場35米標(biāo)高處設(shè)置4個固定監(jiān)測點，具體振幅及噪音情況見表2。

表2 豎井煙道監(jiān)測點振幅（μm）、噪音值﹝dB（A）﹞

鍋爐煙、風(fēng)道振動會造成焊口撕裂、保溫層脫落等情況，當(dāng)煙、風(fēng)道壁面及內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)在長時間振動作用下，局部撕裂損壞后，其強度、剛度進一步降低，振幅將成倍增加[1]；同時，其他運行設(shè)備（如風(fēng)機）受振動影響也會損壞，甚至內(nèi)部管束間發(fā)生碰撞磨損，直至減薄泄漏，威脅鍋爐運行安全。現(xiàn)場低沉的轟鳴噪音，危害員工身心健康[2]。

2 原因分析

鍋爐煙、風(fēng)道振動是一個典型問題，輕則誘發(fā)劇烈振動，重則導(dǎo)致局部焊口開裂或煙、風(fēng)道泄漏，甚至?xí)l(fā)生懸吊管、省煤器等受熱面泄漏被迫停爐。一般是多方面共同作用的結(jié)果，如系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理、機械干擾、流體不穩(wěn)定性、安裝施工不到位、運行參數(shù)變化等，但主要原因有兩個，一是由煙、風(fēng)道內(nèi)部結(jié)構(gòu)所引起流體流動變化誘發(fā)的振動，二是煙、風(fēng)道系統(tǒng)本身剛度不夠所造成的[3]。

2.1 流體流動變化誘發(fā)振動

根據(jù)流體流量、壓力、速度等參數(shù)，可將流動分為穩(wěn)定流動和不穩(wěn)定流動。鍋爐尾部煙道或風(fēng)道內(nèi)的流動一般視為穩(wěn)定流動，按照穩(wěn)定流動的特性和數(shù)學(xué)模型來分析。根據(jù)參照物對象又將穩(wěn)定流動分為外部流動和內(nèi)部流動。

2.1.1 外部流動

指流體流經(jīng)物體（如樓房、橋墩等）外部表面時產(chǎn)生的變化。其引發(fā)振動的主要原因有卡門渦流（即卡門渦街）、彈性激振以及共振等。

卡門渦流?？ㄩT渦流是自然界中的一個普遍現(xiàn)象，在一定條件下流體流經(jīng)某些物體（例如圓柱體）時，物體側(cè)后部會在順時針和逆時針兩個方向周期性地產(chǎn)生和脫落，形成一個旋轉(zhuǎn)方向相反、排列規(guī)則的雙列漩渦，從而形成所謂渦流。

對于大截面煙、風(fēng)道內(nèi)的管束均會形成卡門渦流，交替出現(xiàn)的旋渦使管束后兩側(cè)壓力場出現(xiàn)周期性脈動，形成一個與氣體流動方向垂直的橫向交變靜推力，從而使管束產(chǎn)生橫向激振，其交變力頻率就是卡門渦街頻率?[4]。常采用公式（1）計算：

式中：?—渦街頻率，Hz；

s—試驗常數(shù)，通常取0.15～0.2，管束取0.4～0.7；

ν—煙氣流速，m/s；

d—管束外徑，m。

彈性激振。彈性激振又稱自激振動，是系統(tǒng)內(nèi)部流體由非振動性的激發(fā)轉(zhuǎn)變?yōu)檎駝有约ぐl(fā)而引起的振動。其特點是流速超過某一臨界點時，管子振幅急劇增大，嚴重時前后相鄰管子發(fā)生碰撞，振動與流速、換熱器結(jié)構(gòu)等有關(guān)。當(dāng)流體速度較高時，這種振動具有極強破壞性。

共振。指某系統(tǒng)所受到的激勵頻率與該系統(tǒng)的某階固有駐波頻率相接近時，系統(tǒng)振幅顯著增大的現(xiàn)象，在聲學(xué)上稱為“共鳴”，其經(jīng)常會造成重大財產(chǎn)損失。

一般駐波頻率?c按簡易公式（2）計算：

式中：?c—駐波頻率，Hz；

α—流速，m/s；

λ—波長，m。

共振通常有三種情況，一是卡門渦流頻率?與煙、風(fēng)道的駐波頻率?c耦合產(chǎn)生的振動；二是卡門渦流頻率?與管束的固有頻率一致產(chǎn)生的共振；三是卡門渦流頻率?與聲駐波頻率?c及結(jié)構(gòu)固有頻率三者恰好同時一致產(chǎn)生的共振，此時風(fēng)煙系統(tǒng)表現(xiàn)出劇烈的振動和顯著噪聲。

該CFB鍋爐產(chǎn)生振動及轟鳴聲噪音的源頭位于豎井煙道高溫省煤器位置，為此對高溫省煤器典型工況振動頻率進行了校核，具體數(shù)據(jù)見表3。

表3 典型工況高溫省煤器振動頻率

在設(shè)計BMCR工況、高加全部切除工況時，卡門渦流脫落頻率?與煙氣聲柱波固有頻率?c均偏離整數(shù)倍30%以上，不會產(chǎn)生共振。但在開工蒸汽吹掃階段，由于高加、低加等換熱設(shè)施未能正常投運，鍋爐給水溫度僅有70～90℃，導(dǎo)致實際給煤量、煙氣量等數(shù)據(jù)偏離正常值，高溫省煤器處具備了低煙溫、高流速特性，渦流脫落頻率?與煙氣聲柱波固有頻率?c接近，故而發(fā)生共振。

2.1.2 內(nèi)部流動

內(nèi)部流動指流體在封閉管路系統(tǒng)（如汽水管道和煙、風(fēng)道系統(tǒng)）內(nèi)的流動。當(dāng)流體流經(jīng)彎頭、變徑等部件時，流場、流速、壓力等發(fā)生變化，從而引發(fā)系統(tǒng)振動。

流經(jīng)變徑時。流體在流經(jīng)變徑時受沿程阻力和局部阻力影響，會出現(xiàn)明顯的壓力損失。根據(jù)伯努利方程在流量不變情況下，流體從層流狀態(tài)突變?yōu)槲闪鳡顟B(tài)，從而形成連續(xù)漩渦，產(chǎn)生持續(xù)交變力，引發(fā)振動。

流經(jīng)彎頭時。在慣性離心力的作用下，在彎頭外壁面彎曲處會聚集形成一片壓力較高的區(qū)域，反之在彎頭內(nèi)壁面彎曲處則形成一片壓力較低的區(qū)域，在差壓的作用下，流體從靠近外壁面向內(nèi)壁面方向流動，在慣性離心力和壓力共同作用下就形成了渦流。

同時，在彎頭左右兩側(cè)壁面附近流動的流體，在貼近壁面處壓力較高但流速較慢，而中心區(qū)域則是流速較快、壓力較低，同樣在差壓的作用下流體由外向內(nèi)流動，從而在密閉管路中央部位斷面形成一個雙渦旋式的二次流。由于渦流和二次流的存在引起彎頭部位發(fā)生振動。

對各臺鍋爐運行初期煙道負壓和總風(fēng)量數(shù)據(jù)等進行對比，具體見表4。發(fā)現(xiàn)左右側(cè)負壓偏差最大達1.5kPa，并發(fā)現(xiàn)鍋爐總風(fēng)量存在超標(biāo)現(xiàn)象，鍋爐BMCR工況標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)量為506t/h，而在負荷350t/h時，運行總風(fēng)量平均為600t/h，最高達692t/h，偏離設(shè)計值。通過計算上下層渦流脫落頻率?與煙氣聲柱波固有頻率?c，其比值為2.9，達到共振條件，因此對鍋爐實際總風(fēng)量應(yīng)加以控制。

表4 各臺爐豎井煙道實際負壓（kPa）和總風(fēng)量數(shù)據(jù)

2.2 煙、風(fēng)道系統(tǒng)本身剛度不夠

2.2.1 風(fēng)道安裝不合格

該CFB鍋爐冷風(fēng)道安裝后，存在以下問題。一是風(fēng)道加固肋數(shù)量不足，且加固肋與板壁間雙面斷續(xù)交錯焊縫凈距超過150mm；二是風(fēng)機出口風(fēng)道安裝偏斜，固定拉桿松脫；三是風(fēng)機出口膨脹節(jié)未能將風(fēng)機振動實現(xiàn)有效阻隔；四是冷風(fēng)道內(nèi)部支撐不足。

2.2.2 煙道剛度不夠

該CFB鍋爐前煙井采用尾部包覆墻設(shè)計，尺寸為10520mm×5400mm的矩形通道，煙道四角采用銷釘連接。由于采用懸吊結(jié)構(gòu)、銷釘固定且煙道尺寸大，導(dǎo)致煙道整體強度（剛度）不足，煙道系統(tǒng)不足以抵御流動引起的激振。雖然在運行中采取加固煙道、固定四角等補救措施，但在角部依然發(fā)生了泄漏，具體如圖3所示。

圖3 鍋爐角部結(jié)構(gòu)及泄漏示意圖

3 具體措施

3.1 消除煙道振動

3.1.1 改變振動頻率

經(jīng)過計算在高溫省煤器位置的豎井煙道內(nèi)部加裝上下兩層防振隔板，每層安裝4屏，每屏10塊，共計80塊隔板。具體位置如圖4所示。

圖4 防振隔板示意圖

3.1.2 優(yōu)化流場特性

在煙道彎頭內(nèi)部加裝3層弧形導(dǎo)流板，有效改善煙道內(nèi)氣流分布的均勻性，消除渦流和二次流影響。

3.1.3 優(yōu)化運行參數(shù)

恢復(fù)鍋爐給水溫度至額定215℃，控制鍋爐總風(fēng)量，將煙氣流速降到標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)；在降低總風(fēng)量的同時，調(diào)整一、二次風(fēng)配比，滿足鍋爐燃燒需求。

采取上述措施后，煙道高頻共振及轟鳴噪音徹底消除，現(xiàn)場振動值小于50μm，具體數(shù)據(jù)見表5。

表5 采取措施后豎井煙道監(jiān)測點振幅μm、噪音值dB（A）

3.2 消除風(fēng)道振動

在風(fēng)道內(nèi)部加裝內(nèi)撐桿，風(fēng)道外側(cè)增加肋片，交錯焊縫凈距控制在150mm以內(nèi)；對風(fēng)機出口風(fēng)道重新安裝，膨脹節(jié)進行調(diào)整；吊架采用雙防松脫螺母結(jié)構(gòu)，防止吊架松脫失效；垂直風(fēng)道上安裝水平限位。實施后，風(fēng)道振動平均下降40%，最大降幅達60%，具體數(shù)據(jù)見表6。

表6 采取措施后風(fēng)道振動（mm/s）測量數(shù)據(jù)

4 結(jié)語

通過對該裝置CFB鍋爐煙、風(fēng)道振動原因分析，認為造成煙道振動的主要原因是共振和煙道整體剛度不足，主要與設(shè)計裕量和強度不夠及實際運行工況偏離等有關(guān)，通過對煙道系統(tǒng)采取安裝防振隔板、弧形導(dǎo)流板、優(yōu)化運行參數(shù)等措施，煙道振幅下降80%，最大值不足50μm，徹底消除了高頻振動和轟鳴噪音。風(fēng)道振動的主要原因是施工安裝不到位，造成風(fēng)道系統(tǒng)整體剛度不夠和風(fēng)機振動的傳導(dǎo)所致，通過對風(fēng)機出口風(fēng)道采取內(nèi)部加裝支撐、外部增加肋板等措施，振動平均下降40%，達到預(yù)期效果。