1号锅炉尾部烟道振动原因分析及对策

1号锅炉尾部烟道振动原因分析及对策XXXXX公司一期2×1050MW超超临界变压运行直流锅炉，是东方电气集团东方锅炉股份有限公司（DBC）自主设计、独立制造的前后墙对冲燃烧的燃煤超超临界本生直流锅炉。锅炉的型号为DG3100/28.25-Ⅱ1，锅炉的型式为单炉膛、一次中间再热、平衡通风、运转层以上露天布置、固态排渣、全钢构架、全悬吊结构Π型锅炉。目前，1号机组已于2015年9月14日完成168h连续满负荷试运考核，移交商业运行。然而，在机组调试过程中，发生了1号锅炉尾部烟道振动的问题。一、尾部烟道振动的现象1号锅炉在整套启动阶段首次发现尾部竖井振动，当时锅炉总风量1500t/h左右时，发生振动时锅炉周围产生低沉轰鸣声，水冷壁和水平烟道很安静，振动来自于尾部竖井省煤器区域。面对巨大且整体在振动的尾部竖井，首先寻找振源是处理问题的关键。对烟气流进行适当的调节并观察振动变化的情况。将再热器侧烟气挡板开度从30%提高到50%，尾部竖井省煤器区域振动渐渐消失，开度提高到90%，尾部竖井烟道振动转移到再热器区域。这说明烟气流速越高，该侧振动越强，因此烟量(烟速)对振动有较大影响。为了观察尾部烟道振动在不同的负荷工况点振动情况，对机组负荷及烟道挡板进行大幅度调节，调节分两个方向：一是改变锅炉负荷，使尾部竖井的整体烟气流速改变；二是重新分配中隔墙前后的烟气量使两侧烟气流速相对大幅度变化。首先在再热器侧烟道开度50%下把机组负荷从500MW提高到600MW，在增加过程中，振动逐渐变大，而且振感最强是省煤器区域。通过逐渐关小再热器侧烟道挡板，振动逐渐变小，在烟道挡板开度小于40%后，振动基本消失。但是在烟道挡板开度小于5%时，低再侧烟道振动随之增加。随后负荷上升到700MW后，再次调节烟气挡板，低再侧挡板逐渐增加开度，过热器侧挡板逐渐减小开度，振动再次发生变化。当再热器侧挡板开度小于45％，过热器侧挡板开度大于65％时，振动消失。在振动处于即将消失的时候，若减小总风量，则有利于快速消除振动。此时还发现一个现象，再热器侧烟道挡板在上开时能开到50%不振动，但是振动发生后需要下关到45%，振动才消失。在高负荷段，800、900、1000MW时，避开烟道振动的区间非常狭窄，再热器侧烟道挡板开度大概在35~50%，保证烟道不振动。具体数据见下表1：1号炉省煤器区域（47米）烟道振动统计1号机组负荷（MW)总风量t/h再热器侧烟道挡板开度(%)安全区间500160040~80%60019605~40%700225615~45%（下关时45%，上开时50%不振动）800248030~50%900260035~50%（下关时45%，上开时50%不振动）1000269235~50%（下关时45%，上开时50%不振动）由试验可以得出以下结论：(1)在每个负荷段烟道都存在振动现象。(2)烟气流速超过一定的临界速度，锅炉尾部烟道将产生振动，流速越高，振动越大。(3)烟道振动发生在中隔墙前后的低再、省煤器区域。(4)不论低再侧或则省煤器侧，只要烟气流量增大，振动都会发生。(5)负荷较低时避开振动的烟道挡板调节区间较大，负荷较高时烟道挡板调节区间狭窄。(6)可以采取手动调节烟气挡板开度的方法暂时消除振动。二、原因分析众所周知，流道振动原因是由于流道内部气流的脉动频率fp、声学驻波频率fs和流道本身的固有频率fn二者或三者的频率相互结合(共振)时引起的。一般来说，固有频率尾部f在流道制作、安装完毕后基本为定值，但驻波频率fs、脉动频率fp随锅炉负荷参数的变化(即烟气流量、温度、压力)而发生变化。当流动介质中fn=fs、fs=fp、fn=fp时就发生强烈振动。尤其是当fn=fs=fp时，将产生谐振，流道发生严重振动，破坏性极大。由于我公司锅炉属大容量锅炉，尾部各部位烟速较高，再加之我公司锅炉单位热容量大，在高速的烟气流冲刷尾部受热面管束时，必定产生卡门涡流，单根管在这种涡作用下必定生产一定的振动，整体的管屏组件也会产生振动，这种振动的强度和危害在没有其它因素诱导的情况下处于部件和钢材所能承受的范围内。当工况变化时，因烟气温度和烟气流速变化时尾部烟道的气柱声学固有频率发生变化，一旦某阶次的气柱声学固有频率与涡振的频率相近时将产生共振，从而导致尾部烟道发生声学振动。在锅炉的尾部上层还设置了低温过热器管屏，但由于我公司低温过热器管径较省煤器管粗大许多，且横向间距远大于垂直方向的纵向间距，密集的纵向管子组成管屏更容易使烟气在屏间隔中流过，所以在烟气流过低温过热器管时不容易引起涡振，而省煤器管束纵横向节距相同，整个省煤器每一根管子都处于烟气的绕流中，每一根省煤器管子均发生涡振。发生振动时省煤器对应高度层的炉墙振动最大，低温过热器层的振动较小，也说明导致后烟道振动是由于省煤器管束的卡门涡流激励而诱发的共振。三、计算分析根据声学振动原理，管排横向绕流旋涡脱落频率(卡门涡流频率)的计算公式为：Fs=SU／D式中：S一斯特劳哈数；U一气流速度(m／s)；D一管子外径(m)。s为斯特劳哈尔数，它与雷诺数有关，在雷诺数大于1000时，近似地取S=0.21。当省煤器管子的卡门涡振频率与锅炉尾部的驻波频率fn接近时，卡门涡流则会激起气柱发生共振，fn的计算如下，其中C为声速，λ为波长，n为谐波阶次。fn=nC／2W式中：c一声速(m／s)；n一驻波的阶数；w一烟道宽度(m)。烟气中声速的计算如下式，式中，g为重力常数，K为比热比，R为气体常数，T为绝对温度。C=√gKRT根据公式结合东方锅炉公司提供的锅炉热力计算书及省煤器结构参数，可计算出省煤器进出口的驻波(省煤器进口驻波的计算见表2，由于省煤器进口或出口的卡门涡流频率与烟道驻波的二、三、四阶谐波频率基本一致，可以进一步确定尾部烟道的振动应该是声学共振所致。表2锅炉省煤器进出口烟道不同负荷下驻波的计算数据机组负荷／MW1000750500省煤器进口烟温／℃548514464省煤器出口烟温／℃348324292省煤器进口烟速Ul／m.S-18.86.94.6省煤器出口烟速U2／m.s-18.86.94.6省煤器管子外径D／m0.0570.0570.057管排的横向节距S1／m0.11430.11430.1143管排的纵向节距S2／m斯特劳哈数S(顺列管束)0.210.210.21省煤器入口旋涡脱流频率fs／Hz32.4210525.4210516.94737省煤器出口旋涡脱流频fs／Hz32.4210525.4210516.94737烟道驻波频率计算：烟道宽度W／m33.973433.973433.9734绝热指数(烟气)K／m1.331.331.33气体常数(烟气)R／J.(kg·K)-1282282282省煤器进口气体绝对温度T／K821787737省煤器出口气体绝对温度T／K620597565省煤器人口驻波f／HzZ一阶8.177.997.74二阶16.3315.9815.48三阶24.523.9723.22四阶32.6831.9630.96省煤器出口驻波f／HZ一阶7.0976.966.77二阶14.1913.9213.55三阶21.2920.8820.32四阶28.38827.8427.08一般来讲，当旋涡脱落频率fs接近驻波的某阶谐波20％以内(即0．8≤is／f≤1．2)时，比较容易发生声学共振。进一步比较脱落频率fs与驻波fn的比值，可发现当负荷于500、750、1000MW时，旋涡脱落频率fs分别与驻波fn的二、三、四阶接近，较易发生声学共振，这和机组的实际运行情况也是吻合的，在每一个负荷段都存在共振现象。四、减振措施测量及计算分析表明，锅炉振动是受烟气横向流过受热面管时产生的卡门涡流激发所至，通常，消除锅炉烟气流动激发振动的措施有：1.改变受热面管径；2.改变前后烟道宽度；3.改变烟气流速；4.改变受热面管排布置；5.改变受热面管外形消除卡门涡流；6.增设消振隔板，改变前后烟道的气柱固有频率；7.增设导流板，使不均匀的烟气流量趋于均匀；上述前五项措施在锅炉设计阶段实施较为方便。针对我公司锅炉情况，改变这五项不太现实，解决该类声学振动常用的方法是烟道内装置消除共振的隔板，改变烟道的固有频率的消振措施较为可行。根据机械工程手册，烟道内加装隔板依据见表3。谐波阶数隔板数n＜3N=nn＝3~6N=n+1n＞6N=2n-5减振方案：从理论上讲尾部烟道内沿炉膛宽度方向需加装5块防振隔板，位置在尾部烟道低温过热器管排及省煤器管排间。考虑不同工况及开关烟道挡板满足调节再热汽温需要，最好大于5块，这样驻波频率fn与旋涡脱落频率fs相差较大，就可以完全避免尾部烟道振动问题。防振隔板布置图见图1。五、结束语综上所述，锅炉尾部烟道振动是比较复杂的，引起尾部烟道振动的原因主要有烟道的驻波频率、烟气的卡门涡流的脱流频率、受热面管束的固有频率。从上面的计算和分析可知，要解决1号锅炉尾部烟道发生的振动，最有效的办法是进行施工改造，在尾部烟道特别是省煤器管屏间增加防振隔板。另一方面，从计算分析也可知，若不进行施工改造，也可通过加强运行巡检和燃烧调节的手段，长期在现场巡检或加装振动探测仪器，发现振动时通过调节烟气流量来改尾部烟道气柱的固有频率，从而避开共振。当然这种措施需要长期的监控和运行调整的干预，是一种临时性的措施，且锅炉设备或多或少地受到振动破坏后才能得到运行人员的操作干预。因此在有条件时最好采用现场施工改造的办法加以彻底解决为好。本人水平有限，分析不足和错误之处，敬请批评、指正。