宋連華

（濟南鍋爐集團有限公司，濟南250023）

1 設備概況

1.1 振動情況

一臺75t/h 次高溫、次高壓CFB鍋爐在某熱電公司168h的試運中，當負荷達到65～70t/h時，一、二次風管式空氣預熱器出現(xiàn)振動，并且伴隨刺耳的聲響，一次風管式空氣預熱器尤為嚴重。在管式空氣預熱器風道外進行了一些加固后，振動和噪聲不但沒有改觀，反而更加嚴重，以至于空氣預熱器管箱外的護板和保溫層出現(xiàn)了開裂和脫落；同時強烈的振動和噪聲還嚴重影響了周圍的環(huán)境，因此不得不降負荷運行。

1.2 鍋爐參數(shù)

鍋爐主要數(shù)據(jù)見表1。

鍋爐為自然循環(huán)的水管鍋爐，采用由旋風分離器組成的循環(huán)燃燒系統(tǒng)，爐膛為膜式水冷壁結構，過熱器分高、低兩級過熱器，中間設噴水減溫器，尾部設兩級省煤器和一、二次風管式空氣預熱器。

表1 鍋爐主要數(shù)據(jù)

1.3 管式空氣預熱器

鍋爐的管式空氣預熱器分上、下兩級臥式布置，均由外徑40mm、壁厚1.5mm的焊接鋼管制成，管束采用順列布置?？諝忸A熱器的布置見圖1，上面一級為二次風管式空氣預熱器，二次風經(jīng)過兩個行程后進入二次風母管，管束橫向節(jié)距為68mm、縱向節(jié)距為75mm；下面一級為一次風管式空氣預熱器，一次風為上、中、下三個行程，為便于更換和維修，一次風空氣預熱器分兩段布置：上面一段兩個行程，管束橫向節(jié)距為67mm、縱向節(jié)距為75mm；下面一段一個行程，管束橫向節(jié)距為67mm、縱向節(jié)距為75mm。空氣分別由一次風機和二次風機送入，空氣在管內流動作縱向沖刷。煙氣在管外自上而下流動，在管外作橫向沖刷。為使管箱在熱狀態(tài)下能自由膨脹，在管箱上部設有膨脹節(jié)。

圖1 空氣預熱器布置

2 空氣預熱器管箱振動原因

2.1 卡門渦流

當氣流橫向沖刷圓管時，在圓管的背面產生旋渦；隨后旋渦又在氣流的作用下脫離圓管，這種交替生成和脫離的旋渦稱為卡門渦流。這些旋渦交替地從管子兩側脫落，產生垂直于氣流方向的氣壓脈動。如果管束中卡門渦流的脫落頻率與管束間煙氣駐波的固有頻率耦合時，就會激發(fā)起煙氣柱發(fā)生嚴重的自激振動，發(fā)出嚴重的噪聲。

卡門渦流頻率Fk為［1］：

式中：Sr為斯特勞哈爾數(shù)，與管束的相對節(jié)距有關；w為管束內氣流平均速度，m/s；d為管子外徑，m。

卡門渦流頻率與管子的布置方式（順列或錯列）、管束的橫向和縱向節(jié)距及直徑有關。

2.2 氣室固有頻率

氣室固有頻率Fc為［1］：

式中：c為諧波的階次，c＝1，2，3…；T為氣流平均熱力學溫度，K；L為氣室寬度，m。

在氣流溫度一定時，氣室固有頻率僅與氣室寬度有關。

2.3 振動條件

卡門渦流效應氣壓振動條件下，可能產生下列三種振動：

（1）氣室固有頻率與卡門渦流耦合產生聲學共振。

（2）管子固有頻率與卡門渦流耦合產生共振。

（3）預熱器外壁殼體固有頻率與卡門渦流耦合產生機械共振。

管式空氣預熱器的聲學共振過程是：由于鍋爐機組升負荷時，卡門渦流頻率逐漸接近于氣室固有頻率而造成。在鍋爐低負荷時，卡門渦流頻率和氣室固有頻率可能重合，但這時的激發(fā)能還不足以產生強烈的振動；隨著鍋爐負荷的增加，卡門渦流頻率和氣室固有頻率重合的激發(fā)能就會使空氣預熱器產生強烈的振動，并發(fā)出噪聲，導致設備疲勞破壞和鍋爐機組被迫降負荷運行。

3 管式空氣預熱器防振的必要條件

管式空氣預熱器的防振設計是按照氣室的固有頻率的基本頻率（c＝1），在所有的鍋爐負荷范圍內都大于卡門渦流頻率來選擇氣室的寬度［2］，即：

式中：Fc為氣室固有頻率，Hz；Fk為卡門渦流頻率，Hz；m為儲備系數(shù)，錯列管束取1.5，順列管束取1.4。

75t/h CFB鍋爐空氣預熱器主要參數(shù)見表2。

表2 空氣預熱器主要參數(shù)

由表2可知：一次風空氣預熱器煙氣平均溫度為170℃；二次風空氣預熱器煙氣平均溫度為222.5℃。

管式空氣預熱器處煙道的寬度為5 828mm。根據(jù)上述數(shù)據(jù)可計算出：

（1）一次風管式空氣預熱器卡門渦流頻率為：

式中：Sr＝0.28可在參考文獻［1］中查得。

（2）一次風管式空氣預熱器氣室固有基本頻率（c＝1）為：

由式（3）可知：Fc＝36.1Hz＜mFk＝1.4×49＝68.6Hz，一次風管式空氣預熱器氣室固有頻率不符合防振必要條件，產生振動和噪聲在所難免。

（3）二次風管式空氣預熱器中卡門渦流頻率為：式中：Sr＝0.29可在參考文獻［1］中查得。

（4）二次風管式空氣預熱器氣室固有基本頻率（c＝1）為：

由式（3）可知：Fc＝38.2Hz＜mFk＝1.4×58＝81.2Hz，二次風管式空氣預熱器氣室固有頻率不符合防振必要條件，產生振動和噪聲在所難免。

4 振動解決措施

要想解決管式空氣預熱器的振動和噪聲問題，必須滿足防振必要條件Fc＞mFk，因此可從改變氣室固有頻率Fc或卡門渦流頻率Fk入手：

（1）改變管子節(jié)距，可使Sr增加或減少，從而改變卡門渦流頻率的大??；但對于這一點，不論是新設計的鍋爐還是改造的鍋爐都很難做到。

（2）改變管子的固有頻率，將圓管改為螺旋鰭片管，可消除卡門渦流效應；但存在成本提高等問題，從經(jīng)濟角度看是不劃算的。

（3）改變氣室固有頻率，但唯一可以改變的是氣室的寬度L，可將氣室沿寬度方向加裝消振隔板，將氣室分成幾個空間，從而改變氣室固有頻率的大小，改變聲學共振頻率，避免聲學共振。

若將氣室沿寬度L分隔成n個小的空間，那么管式空氣預熱器的防振必要條件為nFc＞mFk。

對一次風管式空氣預熱器，則應滿足n×36.1＞1.4×49，那么n＞1.9，即在一次風管式空氣預熱器中順煙氣流方向加裝防振隔板2塊，將氣室沿寬度方向上分隔成3個小氣室。

對二次風管式空氣預熱器，則應滿足n×38.2＞1.4×58，那么n＞2.1，即在二次風管式空氣預熱器中順煙氣流方向加裝防振隔板2塊，將氣室沿寬度方向上分隔成3個小氣室。

因此分別在一次風管式空氣預熱器上、中、下三組及二次風管式空氣預熱器的上、下二組中，沿著寬度方向加裝厚度3mm防振鋼板2塊，見圖2。

圖2 防振隔板加設圖（單位：mm）

5 結語

按以上方案對75t/h次高溫、次高壓CFB鍋爐進行了改造，從改造后至今鍋爐一直運行良好，再沒有出現(xiàn)過空氣預熱器的振動與噪聲。由此可見：增加防振隔板進行防振是行之有效的；但由于鍋爐尾部受熱面管束密集，受熱面多，內部空間非常狹小，在現(xiàn)場安裝改造時困難比較大，對以后的檢修也帶來諸多的不便。在今后新鍋爐的設計中，對尾部受熱面，尤其是空氣預熱器部分的設計應防患于未然，在設計制造時對易產生振動和噪聲的鍋爐尾部各部件進行計算校核，確認是否符合卡門渦流頻率和氣室固有頻率的防振必要條件，在部件出廠前預裝好防振隔板，做好防振、防噪聲的工作。

［1］陳學俊，陳聽寬.鍋爐原理［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1981.

［2］中國動力工程學會.火力發(fā)電設備技術手冊［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2000.