中壓蒸汽過(guò)熱器、焚燒爐蒸發(fā)器開(kāi)工時(shí)振動(dòng)原因分析

張小虎,李騰飛,由召舉

(1.河南方圓工業(yè)爐設(shè)計(jì)制造有限公司，河南 洛陽(yáng) 471133;2.中國(guó)石油化工股份有限公司洛陽(yáng)分公司，河南 洛陽(yáng) 471000)

1 加熱爐概況

中壓蒸汽過(guò)熱器(0256-E-213)、焚燒爐蒸發(fā)器(0256-E-214)由煙氣進(jìn)口、方形殼體、蒸發(fā)段管束、過(guò)熱段管束、煙氣出口以及外部管道組成;蒸發(fā)段產(chǎn)生的飽和蒸汽通過(guò)蒸發(fā)段上部汽包蒸汽出口和制硫段燃燒爐汽包出口的飽和蒸汽匯合后，進(jìn)入過(guò)熱段管束;飽和蒸汽被過(guò)熱段煙氣加熱后，產(chǎn)生過(guò)熱蒸汽，經(jīng)過(guò)減溫減壓后，進(jìn)入中壓蒸汽管網(wǎng)。中壓蒸汽過(guò)熱器、焚燒爐蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 加熱爐結(jié)構(gòu)

2 加熱爐操作情況

2.1 烘爐、試開(kāi)工階段

中壓蒸汽過(guò)熱器、焚燒爐蒸發(fā)器于2020年7月在某項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)正式開(kāi)始烘爐、試開(kāi)工。在試開(kāi)工過(guò)程中，焚燒爐中煙氣的溫度最終達(dá)到設(shè)計(jì)工況的上限800℃并運(yùn)行一定的時(shí)間。在焚燒爐升溫過(guò)程中，車間工作人員反饋中壓蒸汽過(guò)熱器、焚燒爐蒸發(fā)器設(shè)備有一定的振感，設(shè)備內(nèi)部有連續(xù)的轟鳴聲，其設(shè)計(jì)制造單位(以下稱方圓公司)當(dāng)天派技術(shù)人員趕赴項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行調(diào)查，并到中控操控室調(diào)取設(shè)備運(yùn)行的溫度、壓力、燃料氣流量、空氣流量等各種參數(shù)，按照GB/T 151—1999附錄E管束振動(dòng)的計(jì)算方法核算了爐膛內(nèi)的煙氣在中壓蒸汽過(guò)熱器、焚燒爐蒸發(fā)器蛇形管、換熱管之間和蛇形管、換熱管進(jìn)行對(duì)流傳熱時(shí)的流速，計(jì)算結(jié)果顯示，煙氣流速極低，在二級(jí)過(guò)熱器換熱管附近煙氣流速最高為1.95 m/s，在蒸發(fā)段換熱管附近煙氣的流速為1.76 m/s。此外，還計(jì)算了中壓蒸汽過(guò)熱器、焚燒爐蒸發(fā)器的卡門漩渦頻率/聲頻頻率比值、紊流主頻率/聲頻頻率比值、卡門漩渦頻率/固有頻率比值、紊流主頻率/固有頻率比值，結(jié)果顯示，比值均不在因煙氣流動(dòng)造成蛇形管、換熱管誘發(fā)振動(dòng)的范圍之內(nèi)，簡(jiǎn)言之，煙氣流動(dòng)不會(huì)造成蛇形管、換熱管的振動(dòng)。

由于中壓蒸汽過(guò)熱器、焚燒爐蒸發(fā)器和尾氣焚燒爐以及尾氣燃燒器是安裝后焊接在一起，因此，尾氣焚燒爐燃燒器廠家也同時(shí)派技術(shù)人員趕赴現(xiàn)場(chǎng)對(duì)設(shè)備振動(dòng)原因進(jìn)行協(xié)助分析。經(jīng)燃燒器廠家技術(shù)人員指導(dǎo)，車間工作人員調(diào)整了燃燒器的操作參數(shù):1)燃料氣進(jìn)入燃燒器的入口由開(kāi)工燃料氣入口切換為主燃料氣入口;2)調(diào)整空氣/燃料氣的流量比例，將原流量比值調(diào)小。參數(shù)調(diào)整后，中壓蒸汽過(guò)熱器、焚燒爐蒸發(fā)器設(shè)備的振感明顯下降，變得非常小;同時(shí)，通過(guò)優(yōu)化燃燒，減少了次生振動(dòng)源的振動(dòng)。

結(jié)合中壓蒸汽過(guò)熱器、焚燒爐蒸發(fā)器進(jìn)行煙氣流體誘發(fā)振動(dòng)計(jì)算的結(jié)果，以及與尾氣焚燒爐相連的焚燒爐燃燒器中關(guān)于介質(zhì)空氣/燃料氣的流量比例調(diào)整、主燃料氣進(jìn)氣管路的切換操作后中壓蒸汽過(guò)熱器、焚燒爐蒸發(fā)器振動(dòng)很快下降至正常值的情況，初步認(rèn)為造成中壓蒸汽過(guò)熱器、焚燒爐蒸發(fā)器振動(dòng)的主要原因是焚燒爐燃燒器的配風(fēng)比例不恰當(dāng)、燃料氣進(jìn)氣管路沒(méi)切換正確造成的。

2.2 開(kāi)工階段

中壓蒸汽過(guò)熱器、焚燒爐蒸發(fā)器于2021年6月開(kāi)工，開(kāi)工階段發(fā)現(xiàn)中壓蒸汽過(guò)熱器、焚燒爐蒸發(fā)器還是有一定的振動(dòng)，經(jīng)車間工作人員反饋后，方圓公司于2021年6月7日和6月9日兩次派技術(shù)人員趕赴現(xiàn)場(chǎng)，調(diào)查設(shè)備振動(dòng)的原因，并測(cè)量了焚燒爐燃燒器、尾氣焚燒爐、中壓蒸汽過(guò)熱器、焚燒爐蒸發(fā)器不同部位振動(dòng)的振幅和頻率數(shù)據(jù)。

燃料氣為瓦斯氣，減壓閥后壓力為0.28 MPa(表)，溫度73.2℃，流量(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài))為391.5 m3/h(流量不穩(wěn)定，數(shù)值也不停變化，該值為拍照時(shí)數(shù)據(jù))，其介質(zhì)組成如表1所示。

表1 瓦斯氣組成(體積分?jǐn)?shù))

燃燒空氣分為兩路，一次風(fēng)進(jìn)燃燒器，流量(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài))為5 691.2 m3/h，壓力為0.021 MPa(表)，溫度為72.2℃;二次風(fēng)進(jìn)焚燒爐爐膛，流量(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài))為979.2 m3/h，壓力為0.021 MPa(表)，溫度為72.2℃。

尾氣焚燒爐前端溫度為825℃，爐膛中部溫度為688.5℃，爐膛壓力為0.002 MPa(表)。

焚燒爐蒸發(fā)器的上、下集箱中介質(zhì)通過(guò)上升管、下降管和焚燒爐汽包相通，通過(guò)中控操作室的數(shù)據(jù)可以看出，焚燒爐汽包中還在進(jìn)除氧水，流量為1 574.8 kg/h，汽包頂部蒸汽出口蒸汽為0 kg/h，說(shuō)明焚燒爐蒸發(fā)器還未產(chǎn)生蒸汽，換熱管中的水還在被煙氣加熱，遠(yuǎn)未達(dá)到飽和狀態(tài)。

中壓蒸汽過(guò)熱器一級(jí)過(guò)熱器入口管道中蒸汽量為17 828 kg/h(取平均值)，溫度為224℃(設(shè)備頂部管道溫度指示表讀數(shù))，壓力為2.44 MPa(表);二級(jí)過(guò)熱器出口管道中蒸汽溫度為372.5℃，由減溫減壓器噴水1 027.3 kg/h后，管道中的介質(zhì)溫度降為222.7℃;進(jìn)入三級(jí)過(guò)熱器加熱后，蒸汽溫度為310℃，壓力為2.386 MPa(表)，經(jīng)消音器后全部放空。

根據(jù)上述參數(shù)值初步分析可知:1)一級(jí)過(guò)熱器入口管道中介質(zhì)處于飽和狀態(tài);2)二級(jí)過(guò)熱器出口管道中蒸汽處于過(guò)熱狀態(tài);3)蒸汽經(jīng)減溫減壓器噴水管道中介質(zhì)處于未飽和狀態(tài)[注:在蒸汽壓力按2.386 MPa(表)時(shí)，飽和汽、液狀態(tài)溫度為223.7℃];4)未飽和水進(jìn)入三級(jí)過(guò)熱器加熱后，蒸汽處于過(guò)熱狀態(tài)。

靜態(tài)分析結(jié)果顯示:1)一級(jí)過(guò)熱器、二級(jí)過(guò)熱器中介質(zhì)均為飽和、過(guò)熱氣體，介質(zhì)無(wú)相態(tài)變化，通過(guò)計(jì)算分析可知，氣體在蛇形管內(nèi)流動(dòng)不會(huì)產(chǎn)生振動(dòng);2)經(jīng)減溫減壓器噴水后，未飽和介質(zhì)進(jìn)入三級(jí)過(guò)熱器集箱和蛇形管，很快被煙氣加熱成飽和、過(guò)熱蒸汽，但汽、液兩相同時(shí)存在于集箱和蛇形管的時(shí)間極短，也不至于造成集箱、蛇形管的振動(dòng)。另外，通過(guò)到中壓蒸汽過(guò)熱器設(shè)備頂部觸摸三級(jí)過(guò)熱器入口集箱和三級(jí)過(guò)熱器出口集箱也可以發(fā)現(xiàn)，振感并不是很強(qiáng)烈，說(shuō)明震源應(yīng)該不是來(lái)自三級(jí)過(guò)熱器。

動(dòng)態(tài)分析結(jié)果顯示:飽和蒸汽經(jīng)過(guò)熱器變?yōu)檫^(guò)熱蒸汽的過(guò)程，是一個(gè)熱力交換極其劇烈的過(guò)程，在開(kāi)工階段，煙氣流量、流速、溫度等一直在變化、升高，都會(huì)對(duì)過(guò)熱器蛇形管產(chǎn)生影響，進(jìn)而形成過(guò)熱器管內(nèi)蒸汽的脈動(dòng)沖擊。受此脈動(dòng)沖擊影響，換熱管、蛇形管本身會(huì)產(chǎn)生一定的振動(dòng)，但頻率、振幅不會(huì)很大，屬于正常。

2.3 燃燒器、尾氣焚燒爐、中壓蒸汽過(guò)熱器、焚燒爐蒸發(fā)器振動(dòng)振幅、頻率測(cè)量分析

通過(guò)對(duì)尾氣焚燒爐燃燒器、尾氣焚燒爐、中壓蒸汽過(guò)熱器、焚燒爐蒸發(fā)器不同部位(一層平臺(tái)的南側(cè)、北側(cè)，從一層平臺(tái)向上高度約為1.5 m左右)進(jìn)行振動(dòng)振幅、頻率測(cè)量，測(cè)量數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。爐頂過(guò)熱管道、爐頂橫梁、消音器附近(均位于二層平臺(tái))振動(dòng)振幅、頻率測(cè)量數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。測(cè)點(diǎn)位置標(biāo)注示意(俯視)見(jiàn)圖2。

圖2 測(cè)點(diǎn)位置標(biāo)注示意(俯視)

表3 爐頂過(guò)熱管道、爐頂橫梁、消音器附近(均位于二層平臺(tái))振動(dòng)振幅、頻率測(cè)量數(shù)據(jù)

分析表2測(cè)量數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，振幅較大的是一層平臺(tái)梯子，其次是焚燒爐后端錐段，再次是燃燒器的燃料氣進(jìn)氣管端。

表2 燃燒器、尾氣焚燒爐、中壓蒸汽過(guò)熱器、焚燒爐蒸發(fā)器(均位于一層平臺(tái))振動(dòng)振幅、頻率測(cè)量數(shù)據(jù)

分析表3測(cè)量數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，振幅和頻率最大的是二層平臺(tái)角落上的消音器，振幅最大達(dá)到6 173 μm，振動(dòng)頻率最大為238.6 mm/s。消音器設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)安裝圖片分別見(jiàn)圖3和圖4。

圖3 消音器設(shè)計(jì)

圖4 消音器現(xiàn)場(chǎng)安裝

結(jié)合表2、表3和圖3、圖4進(jìn)行綜合分析，初步判定造成中壓蒸汽過(guò)熱器、焚燒爐蒸發(fā)器平臺(tái)梯子振動(dòng)的原因如下:

1)在烘爐、開(kāi)工階段，由于煙氣流量、溫度一直在不斷變化，過(guò)熱器內(nèi)產(chǎn)生的蒸汽還未達(dá)到輸送至中壓管網(wǎng)的溫度和壓力，需要通過(guò)消音器直接排空。大量的蒸汽通過(guò)消音器排空時(shí)，消音器在蒸汽沖擊下，產(chǎn)生較強(qiáng)的振動(dòng)，消音器下面的管道設(shè)計(jì)時(shí)未設(shè)置支撐，但在安裝時(shí)，卻在消音器管道下面安裝了1個(gè)鞍座，用1個(gè)短鋼管將消音器管道支撐在平臺(tái)上，導(dǎo)致消音器的振動(dòng)傳導(dǎo)給平臺(tái)鋼結(jié)構(gòu)，造成二層平臺(tái)的震感遠(yuǎn)超中壓蒸汽過(guò)熱器、焚燒爐蒸發(fā)器本身的振動(dòng)。

2)消音器位于二層平臺(tái)的西北角，因此二層平臺(tái)北側(cè)的震感高于南側(cè)。如表2所示第11組是一層平臺(tái)南側(cè)欄桿的測(cè)量數(shù)據(jù)，第15組是一層平臺(tái)北側(cè)欄桿的測(cè)量數(shù)據(jù)，通過(guò)二者對(duì)比可以看出，北側(cè)的振幅大于南側(cè)。

3 原設(shè)計(jì)工況、現(xiàn)在操作工況的結(jié)果分析

3.1 原設(shè)計(jì)工況

正常運(yùn)行時(shí)，焚燒爐蒸發(fā)器換熱管中除氧水被換熱管外面的煙氣加熱，生成飽和蒸汽，換熱管中存在汽、液兩相同時(shí)存在的工況，水被加熱至沸騰時(shí)，換熱管本身會(huì)有輕微的震感。燃燒爐蒸發(fā)器產(chǎn)生的飽和蒸汽分兩路，其中一路飽和蒸汽和焚燒爐蒸發(fā)器產(chǎn)生的飽和蒸汽混合后，進(jìn)入中壓蒸汽過(guò)熱器一級(jí)過(guò)熱器。對(duì)于中壓蒸汽過(guò)熱器蛇形管來(lái)說(shuō):一級(jí)過(guò)熱器入口管中的介質(zhì)是飽和的水蒸氣，在經(jīng)過(guò)一級(jí)過(guò)熱器、二級(jí)過(guò)熱器被管外的煙氣加熱后，需要通過(guò)減溫減壓器噴水降溫，短時(shí)間存在汽、液兩相的狀態(tài)，之后再進(jìn)入三級(jí)過(guò)熱器的蛇形管，因此蛇形管也會(huì)存在輕微的振動(dòng)情況。正常運(yùn)行工況下，過(guò)熱蒸汽通過(guò)三級(jí)過(guò)熱器出口管道進(jìn)入煉油廠的中壓管網(wǎng)，不再經(jīng)消音器排空，因此設(shè)備平臺(tái)不會(huì)出現(xiàn)因消音器振動(dòng)造成的連帶振動(dòng)情況。

3.2 現(xiàn)在操作工況

由2.3節(jié)中對(duì)振動(dòng)原因的分析可知，二層平臺(tái)的震感遠(yuǎn)超中壓蒸汽過(guò)熱器、焚燒爐蒸發(fā)器本身的振動(dòng)。蒸發(fā)器換熱管內(nèi)的水在被加熱過(guò)程中局部汽化出現(xiàn)相變，使流動(dòng)狀態(tài)發(fā)生振動(dòng)性變化會(huì)引發(fā)熱交換噪聲;過(guò)熱器管路中飽和蒸汽被加熱過(guò)程中，換熱管、蛇形管本身也會(huì)產(chǎn)生一定的振動(dòng)。此外，如果燃燒器調(diào)節(jié)操作不當(dāng)，如空氣流量/瓦斯氣流量比例調(diào)節(jié)過(guò)大或過(guò)小，也會(huì)造成爐子本身的振動(dòng)。以上多種因素疊加，造成現(xiàn)在中壓蒸汽過(guò)熱器及平臺(tái)梯子的振動(dòng)，其中由于消音器振動(dòng)引起平臺(tái)的振動(dòng)因素占比應(yīng)該最大。

4 建議

針對(duì)上述中壓蒸汽過(guò)熱器、焚燒爐蒸發(fā)器開(kāi)工時(shí)產(chǎn)生振動(dòng)的原因，建議采取如下措施:

1)過(guò)熱器管道上的消音器下面建議增加減振措施或直接將其支撐在地面上，避免或減少以后在開(kāi)工、停爐階段，蒸汽需經(jīng)過(guò)消音器排空時(shí)，因消音器振動(dòng)傳導(dǎo)至平臺(tái)鋼結(jié)構(gòu)而造成鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)、欄桿的振動(dòng);

2)在開(kāi)工、停爐階段，焚燒爐燃燒器進(jìn)空氣/瓦斯的流速比例建議參照燃燒器設(shè)計(jì)廠家的調(diào)節(jié)范圍調(diào)整，開(kāi)工燃料氣和主燃料氣進(jìn)氣口的切換要及時(shí)，排除因燃燒器進(jìn)氣管路的因素造成的設(shè)備振動(dòng);

3)一級(jí)過(guò)熱器入口集箱下部設(shè)有排凝口，并安裝有閥門，需經(jīng)常排凝，將飽和蒸汽管道的水盡量排凈，減少兩相流的存在以及水擊的可能，避免因兩相流、水擊引起管束的振動(dòng)。