周云龍，吳　雪，楊　寧

(東北電力大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，吉林 吉林132012)

?

電廠冷風(fēng)管道振動(dòng)現(xiàn)象的分析及改造措施

周云龍，吳雪，楊寧

(東北電力大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，吉林 吉林132012)

摘要：針對(duì)某電廠鍋爐冷一次風(fēng)道的振動(dòng)問(wèn)題，通過(guò)對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行模擬并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，分析故障是由冷風(fēng)管道入口截面擴(kuò)張引起的渦流、彎管處造成的渦流及二次流等問(wèn)題所引起。提出了消除振動(dòng)的方案：入口處加裝整流格柵；改變彎管角度。對(duì)改造后的風(fēng)道流場(chǎng)進(jìn)行模擬，分析其結(jié)果明顯優(yōu)于改造前。對(duì)改造前后的風(fēng)機(jī)進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試試驗(yàn)，振幅明顯減小，驗(yàn)證了采用裝置的合理性。

關(guān)鍵詞：風(fēng)道；振動(dòng)；數(shù)值模擬；消振；導(dǎo)流板

火力發(fā)電廠可能發(fā)生振動(dòng)的設(shè)備有很多，如送引風(fēng)機(jī)、煙風(fēng)道、汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、各種泵閥等[1]。其中冷風(fēng)道系統(tǒng)的振動(dòng)直接影響鍋爐運(yùn)行，而某些運(yùn)行多年的鍋爐，其冷一次風(fēng)道存在不同程度的振動(dòng)，影響著電廠的安全運(yùn)行[2]。根據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全世界每年因管道振動(dòng)而造成的經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)數(shù)百億美元[3]，而我國(guó)這類(lèi)事故也造成了巨大的損失。冷一次風(fēng)道是指從送風(fēng)機(jī)入口開(kāi)始，到鍋爐本體空氣預(yù)熱器為止的管道。由于電廠空間的限制，冷風(fēng)管道的布置較為緊湊，風(fēng)機(jī)出口有多個(gè)變徑、等截面彎頭、變截面彎頭、關(guān)閉擋板風(fēng)門(mén)等，如果設(shè)計(jì)不合理很容易產(chǎn)生共振和強(qiáng)渦流區(qū)引起風(fēng)道的強(qiáng)烈振動(dòng)。為了解決這種普遍的問(wèn)題，很多電廠選擇在風(fēng)道外部加裝肋片、內(nèi)部加裝支撐桿、彎道加裝導(dǎo)流板等方式[4]。以上消振措施雖然在一定程度上可以降低或減小風(fēng)道系統(tǒng)的振動(dòng)，但在改造方案的制定及施工過(guò)程中，如何更有效的通過(guò)加裝肋片、導(dǎo)流板等措施來(lái)盡可能的降低風(fēng)道系統(tǒng)的振動(dòng)仍然是設(shè)計(jì)人員研究的重點(diǎn)與難點(diǎn)。

鍋爐冷風(fēng)道振動(dòng)的研究在國(guó)內(nèi)起步較晚，由于國(guó)內(nèi)某些電廠發(fā)生了有關(guān)振動(dòng)的破壞，才引起了某些單位的重視，如一些高等院校、大型鍋爐廠、電站和電力試驗(yàn)研究所等。呂明、劉新宇[4]結(jié)合工程實(shí)際探討在煙道內(nèi)部加裝支撐桿。謝振華、周艷榮[5]對(duì)彎管內(nèi)部加裝導(dǎo)流板進(jìn)行了優(yōu)化研究。王欣、郭小明、張輝等[6]對(duì)煙風(fēng)道內(nèi)部的加固肋進(jìn)行了計(jì)算分析。上述研究均是從工程實(shí)際的角度出發(fā)進(jìn)行的分析，從已發(fā)表的文獻(xiàn)上看，很少有將數(shù)值模擬與工程實(shí)際相結(jié)合的研究，僅有白湘[2]對(duì)鍋爐的冷風(fēng)道進(jìn)行了二維流場(chǎng)的數(shù)值模擬，并在風(fēng)道內(nèi)部相應(yīng)部位加裝了導(dǎo)流板。本文結(jié)合電廠現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)的實(shí)際情況對(duì)電廠的冷一次風(fēng)道進(jìn)行了三維流場(chǎng)的模擬分析，根據(jù)優(yōu)化前后的模擬得到最終優(yōu)化方案，并對(duì)方案結(jié)果進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)比驗(yàn)證方案的可行性。

1電廠情況簡(jiǎn)介

某發(fā)電廠2×300 MW燃煤供熱機(jī)組采用上海鍋爐廠制造的 SG-1025/17.5-M881型亞臨界壓力中間一次再熱控制循環(huán)汽包爐，配用5套中速磨冷一次風(fēng)正壓直吹制粉系統(tǒng)。一次風(fēng)機(jī)為成都電力機(jī)械廠制造的GG24043型單吸離心風(fēng)機(jī)，采用入口導(dǎo)葉調(diào)節(jié)出力，主要設(shè)計(jì)參數(shù)：風(fēng)量為227 196 m3/h(63.2m3/s)；全壓為15.9 kPa；軸功率為1 149.4 kw；設(shè)計(jì)全壓效率為84.5%；風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 469 rpm。

自投產(chǎn)后，兩臺(tái)機(jī)組的冷一次風(fēng)道系統(tǒng)存在劇烈的振動(dòng)現(xiàn)象，長(zhǎng)期劇烈振動(dòng)導(dǎo)致風(fēng)道及膨脹節(jié)多處撕裂，加強(qiáng)筋板脫落等問(wèn)題。振動(dòng)現(xiàn)象發(fā)生后，曾經(jīng)采取過(guò)一些措施，如：加固風(fēng)道基礎(chǔ)，通過(guò)增加加強(qiáng)筋提高風(fēng)道剛性，在風(fēng)機(jī)出口擴(kuò)散流道內(nèi)加裝導(dǎo)流板等，經(jīng)實(shí)際運(yùn)行發(fā)現(xiàn)消振效果不大。由于風(fēng)道剛性增大導(dǎo)致空預(yù)器連接處出現(xiàn)裂縫，漏風(fēng)嚴(yán)重，影響到設(shè)備的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

2冷一次風(fēng)道系統(tǒng)振動(dòng)原因

風(fēng)道系統(tǒng)發(fā)生振動(dòng)的原因有很多方面，而主要原因有以下兩點(diǎn)：一是機(jī)械干擾源(如軸承、轉(zhuǎn)子的不平衡、原動(dòng)機(jī)等)引起的振動(dòng)；二是流體誘發(fā)的振動(dòng)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)一次風(fēng)機(jī)運(yùn)行情況分析，可以排除機(jī)械干擾源誘發(fā)風(fēng)道振動(dòng)，分析認(rèn)為流動(dòng)不穩(wěn)定和風(fēng)機(jī)入口內(nèi)流動(dòng)不穩(wěn)定是誘發(fā)冷一次風(fēng)道振動(dòng)的主要原因。

2.1流體誘發(fā)振動(dòng)的機(jī)理

流體之所以會(huì)誘發(fā)振動(dòng)，是由于流體本身運(yùn)動(dòng)的不穩(wěn)定性。具體的說(shuō)，就是流動(dòng)參數(shù)(如壓力、流速)出現(xiàn)了脈動(dòng)，流體的脈動(dòng)主要是因?yàn)榱鲃?dòng)過(guò)程中有旋渦產(chǎn)生。旋渦中有一個(gè)低壓區(qū)，旋渦的不斷發(fā)生和脫落，就會(huì)使流體相接觸的固體壁面受到交變力的作用，如水流過(guò)橋墩，風(fēng)吹過(guò)電線，就會(huì)在橋墩和電線后面出現(xiàn)旋渦，其結(jié)果輕則產(chǎn)生噪聲，重則出現(xiàn)振動(dòng)。

一般而言，較小的流體脈動(dòng)只會(huì)產(chǎn)生噪聲，而當(dāng)脈動(dòng)較大，或者脈動(dòng)并不是很大，但其脈動(dòng)頻率與設(shè)備的固有頻率或設(shè)備內(nèi)氣體的聲學(xué)固有頻率相近或成整數(shù)倍而發(fā)生共振時(shí)，強(qiáng)烈的振動(dòng)就會(huì)發(fā)生。系統(tǒng)產(chǎn)生共振后，將引起強(qiáng)烈的振動(dòng)、噪聲，系統(tǒng)中的部件就會(huì)形成疲勞斷裂、變形以及磨損等。

2.2風(fēng)道內(nèi)流動(dòng)不穩(wěn)定性誘發(fā)振動(dòng)的原因

流道內(nèi)流動(dòng)不穩(wěn)定的原因主要有：管道截面擴(kuò)張引起邊界層分離產(chǎn)生旋渦；彎頭處內(nèi)、外徑處曲率變化造成速度分布不均勻產(chǎn)生二次渦；風(fēng)道內(nèi)支架和閥門(mén)對(duì)流動(dòng)干擾產(chǎn)生旋渦；氣流紊流脈動(dòng)和管道中氣柱共鳴等。

圖1　管道擴(kuò)張產(chǎn)生渦流

圖2　彎頭雙螺旋流引起的截面速度不均

管道截面擴(kuò)張引起渦流是由于流體從較小直徑的管道流向大直徑的管道時(shí)，流體慣性使它不能按照管道的形狀突然擴(kuò)大，而是離開(kāi)小管后逐漸的變大。在一定的流速范圍內(nèi)，氣流會(huì)在擴(kuò)張壁面附近出現(xiàn)逆壓梯度區(qū)，發(fā)生主流與壁面分離現(xiàn)象(邊界層分離現(xiàn)象)，形成旋渦，并不斷被主流帶走，形成旋渦區(qū)，由于旋渦的存在產(chǎn)生很大的摩擦損失，使流動(dòng)阻力增加，如圖1所示。

從圖2可以看出彎頭引起渦流和二次流是由于一方面在氣流流過(guò)彎管時(shí)，內(nèi)側(cè)的壓力低流速高，而外側(cè)的壓力高流速低，會(huì)在彎管內(nèi)側(cè)形成一個(gè)分離區(qū)，產(chǎn)生渦流。另一個(gè)方面，彎管區(qū)域由于流體質(zhì)點(diǎn)離心力不平衡，會(huì)在截面上產(chǎn)生雙旋渦形的二次流動(dòng)，疊加在沿軸線的主流流動(dòng)上[7]。

氣流流過(guò)風(fēng)道內(nèi)的支柱和閥門(mén)產(chǎn)生渦流是由于風(fēng)道內(nèi)的支柱和閥門(mén)對(duì)氣流的干擾，將在支柱和閥門(mén)后邊產(chǎn)生旋渦，旋渦的發(fā)生頻率與氣流的速度V和支柱或閥門(mén)的特征尺寸d有關(guān)，可由泰勒和瑞利提出的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：

(1)

上式適用于250

3冷風(fēng)道三維流場(chǎng)數(shù)值模擬及方案優(yōu)化

3.1模型的建立及網(wǎng)格劃分

風(fēng)道內(nèi)的流動(dòng)是三維湍流問(wèn)題，基于湍流的復(fù)雜性，一般需要選擇合適的湍流模型。由于風(fēng)道內(nèi)部存在回流，并且計(jì)算區(qū)域較多，本文采用最廣泛、最有效的標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型。標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型的湍動(dòng)能k和耗散率ε方程為如下形式：

(2)

(3)

在上述方程中，Gk為平均速度梯度引起的湍動(dòng)能；Gb為浮力影響引起的湍動(dòng)能；Ym為可壓縮湍流脈動(dòng)膨脹對(duì)總的耗散率的影響。

圖3　改造前風(fēng)道流場(chǎng)物理模型

圖4　改造前空氣流速測(cè)量值與模擬值對(duì)比圖

在Fluent中，作為默認(rèn)值常數(shù)C1ε=1.44，C2ε=1.92，Cμ=0.09，湍動(dòng)能k與耗散率ε的湍流普朗特?cái)?shù)分別為σk=1.0，σε=1.3。

由圖3分析得出，冷一次風(fēng)管道沿軸線為非對(duì)稱(chēng)布置，所以計(jì)算采用三維數(shù)值模擬更加的合理。計(jì)算區(qū)域模型采用Pro/E構(gòu)建三維實(shí)體模型后導(dǎo)入CFD前處理軟件Gambit生成計(jì)算網(wǎng)格。網(wǎng)格模型的入口采用速度入口，出口采用壓力出口，劃分的網(wǎng)格數(shù)為996 632。本文已進(jìn)行的網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，在模擬了網(wǎng)格數(shù)分別為564 369、756 243、996 632、1 034 925的四組模型后，選取了網(wǎng)格數(shù)為996 632，其網(wǎng)格的質(zhì)量及計(jì)算量最優(yōu)。

數(shù)值分析選擇連續(xù)相模型及顯示差分格式，采用Simple算法。入口邊界條件采用速度入口邊界條件，根據(jù)風(fēng)機(jī)出口質(zhì)量流量計(jì)算速度給定；出口邊界條件為壓力出口，根據(jù)空預(yù)器入口壓力給定；壁面邊界條件為無(wú)滑移壁面。

3.2模擬結(jié)果可靠性分析

本文運(yùn)用皮托管測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)流體流動(dòng)方向上所選取的100個(gè)測(cè)點(diǎn)。在測(cè)試的過(guò)程中，皮托管滿(mǎn)壓孔需要對(duì)準(zhǔn)氣流的方向，感應(yīng)頭的水平線應(yīng)該與氣流方向一致，偏斜的角度上下不超過(guò)12度。運(yùn)用皮托管得到的空氣動(dòng)壓力數(shù)值，利用公式(4)計(jì)算數(shù)值，從而計(jì)算出測(cè)點(diǎn)的速度。

(4)

式中，各項(xiàng)物理含義為：ΔPi為動(dòng)壓力；k為修正系數(shù)，在標(biāo)準(zhǔn)的皮托管中 k=1；g為重力加速度，N/m2；γ為被測(cè)流體的重度，N/m3。

將改造前風(fēng)道流場(chǎng)模擬結(jié)果中的100個(gè)測(cè)點(diǎn)的模擬速度導(dǎo)出并與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量計(jì)算得到的數(shù)值相對(duì)比得到的結(jié)果如圖4所示。

從圖4中可以看到改造前風(fēng)道流場(chǎng)模擬結(jié)果的空氣流速與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量值之間最大的差距不大于5%，所以可以證明模型的可靠性。

3.2改造前風(fēng)道流場(chǎng)分析

圖5　改造前風(fēng)道流場(chǎng)壓力分布

由圖5分析得出改造前的流場(chǎng)壓力分布很不均勻，A、B、C、D四處尤為明顯，其壓力在此處發(fā)生了突變，而這四處位置分別為風(fēng)道入口的擴(kuò)散區(qū)域、風(fēng)道的S型彎道區(qū)域和90°彎角區(qū)域。由圖3可知風(fēng)道入口擴(kuò)散區(qū)的變截面管的水平方向兩側(cè)擴(kuò)展角為14.75°，風(fēng)道下壁面垂直方向擴(kuò)展角為17.57°。此處擴(kuò)展角過(guò)大，氣流通過(guò)時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的能量損失，并產(chǎn)生旋渦，造成流動(dòng)不穩(wěn)定引發(fā)管道系統(tǒng)振動(dòng)。而S型彎道和90°彎角分布緊湊，彎角很大，很容易產(chǎn)生振動(dòng)。

在冷一次風(fēng)道內(nèi)X、Y、Z方向不同位置依次選取特征界面來(lái)觀察流場(chǎng)情況，如圖6所示。X軸向選取了X=1.735、2.885、4.025、6.33、7.77、8.77、10.29、11.35、12.31這9個(gè)斷面，分別位于風(fēng)道入口的擴(kuò)展段前、中、后部，中間斷的“S”型來(lái)回彎前、中、后部，90°彎角前、中、后部；Z方向選擇了Z=-0.3；壓力分布Y方向選擇了Y=1.722、2.513；速度分布Y方向選擇Y=1、2.513。

圖6　改造前風(fēng)道截面流場(chǎng)分布圖

圖7　改造后風(fēng)道流場(chǎng)物理模型

由圖6風(fēng)道內(nèi)截面的靜壓分布和速度分布可以看出A、B、C、D四個(gè)區(qū)域流場(chǎng)情況近似相同，它們存在較強(qiáng)的渦流區(qū)域，導(dǎo)致流場(chǎng)通流面積大大減小，故這些位置需要進(jìn)行優(yōu)化改造。主要優(yōu)化措施為改變S區(qū)域角度及弧長(zhǎng)，取最優(yōu)方案；在入口擴(kuò)散處加裝整流格柵，優(yōu)化此后的流場(chǎng)。

3.3風(fēng)道流場(chǎng)優(yōu)化方案分析

圖7為改造后的模型圖，將圖3中S彎的A、B、C、D四個(gè)曲面改為圖7所示的曲面。四個(gè)曲面原角度A、D為150°，B、C為30°，現(xiàn)在角度均改為158.96°。曲面弧長(zhǎng)變B、C為4 000 mm，A、D為2 000 mm。改變后兩個(gè)S彎分布的距離增加，中間直線距離加長(zhǎng)。在風(fēng)道擴(kuò)散區(qū)域加裝整流格柵，一般情況下風(fēng)機(jī)的出口距離較短，存在著較強(qiáng)的擾動(dòng)，會(huì)使后續(xù)流動(dòng)形成一定的渦流；并且擴(kuò)散區(qū)域的截面積變化較大，也會(huì)影響后續(xù)的流場(chǎng)。在擴(kuò)散區(qū)域采用整流格柵的方法減小管道截面上的橫向流和流場(chǎng)畸變度旋轉(zhuǎn)的渦流消失，以形成穩(wěn)定的流動(dòng)[8]。加裝的整流格柵由于風(fēng)道截面尺寸的變化，格柵板之間的間距采用等間隔法。

結(jié)合圖6和圖8可以看出，改造后的流場(chǎng)分布更加均勻，A、B、C三處渦流區(qū)域均已消失，D處也得到了改善，明顯優(yōu)于改造前。

圖8　改造后風(fēng)道截面流場(chǎng)分布圖

圖9是改造前后風(fēng)道流向(Y=1，Z=-0.3)的總壓分布?？梢钥闯龈脑烨暗牧鲌?chǎng)壓力在6m到16m之間波動(dòng)頻繁，而改造后的壓力值趨于平穩(wěn)，故改造后的流場(chǎng)流動(dòng)更加均勻。

圖9　改造前后風(fēng)道流向的總壓分布

表1數(shù)據(jù)是對(duì)風(fēng)道振動(dòng)較強(qiáng)的4個(gè)點(diǎn)進(jìn)行風(fēng)道改造前后振動(dòng)頻率與幅度的測(cè)試試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表1　改造前后振點(diǎn)頻率及幅度測(cè)試數(shù)據(jù)

由表1中可知改造后測(cè)試各點(diǎn)振動(dòng)幅度以及振動(dòng)頻率均有所減弱，所以改造后的風(fēng)道能夠達(dá)到生產(chǎn)安全的標(biāo)準(zhǔn)。

4結(jié)論

(1)通過(guò)對(duì)鍋爐冷一次風(fēng)道三維流場(chǎng)的數(shù)值模擬，分析得到振動(dòng)原因和需要優(yōu)化的部位，分別為風(fēng)道入口擴(kuò)散區(qū)域，風(fēng)道S彎區(qū)域。

(2)針對(duì)不同振動(dòng)部位制定優(yōu)化方案，對(duì)方案模型進(jìn)行三維流場(chǎng)數(shù)值模擬，對(duì)比模擬結(jié)果選擇最優(yōu)方案。

(3)對(duì)改造前后的冷一次風(fēng)道振動(dòng)最強(qiáng)烈的四個(gè)位置進(jìn)行測(cè)量，得到改造后的風(fēng)道符合安全運(yùn)行的需要。

參考文獻(xiàn)

[1]劉亞，袁益超，張晉.大容量鍋爐尾部煙道空氣動(dòng)力場(chǎng)研究[J].能源研究與信息，2010，9(1)：29-33.

[2]白湘.鍋爐冷風(fēng)道的流場(chǎng)分析與減振節(jié)能措施研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2006，01-23.

[3]M.P.Paidoussis.Pipes conveying fluid：A model dynamical problem[J].Journal of Fluids and Structures，1993(7)：137-204.

[4]呂明，劉新宇.鍋爐脫硫系統(tǒng)尾部煙道中內(nèi)撐桿的振動(dòng)探討[J].電力建設(shè)，2005，14(26)：24-29.

[5]謝振華，周艷榮.90°方截面彎管內(nèi)加裝導(dǎo)流板的優(yōu)化研究[J].應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報(bào)，2009，16(4)：566-571.

[6]王欣，郭小明，張輝等.火力發(fā)電廠煙風(fēng)煤粉管道加固肋設(shè)計(jì)計(jì)算分析[J].電力科學(xué)與工程，2006，8(3)：7-20.

[7]張智達(dá)，張春陽(yáng).基于CFD方法的鍋爐冷風(fēng)管道振動(dòng)原因分析[J].東北電力大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，30(6)：1-4.

[8]郭連山，高龍，劉寅.通風(fēng)空調(diào)工程用整流格柵的應(yīng)用探討[J].科學(xué)信息，2007，9(17)：120-121.

Power Plant Cooling Pipe Vibration Phenomenon Analysis and Improvement Measures

ZHOU Yun-long，WU Xue，YANG Ning

(Energy Resource and Power Engineering College，Northeast Dianli University，Jilin Jilin 132012)

Abstract：In this paper，research for the vibration of the cooling pipe in the boiler，by simulating the flow field and combined with the actual situation of the scene，analysis of the fault is made caused by the eddy current of the inlet cross section expansion，the vortex and secondary flow of the bend pipe in the cooling wind pipe.Put forward the vibration solution：Add rectifier grille in the inlet cross；change the bend angle and equipped.Simulation the air duct flow field of after transforming，analysis of the results is better than before.Vibration test of the fan before and after modification，the amplitude decreased greatly，verified the rationality of using device.

Key words：Air channel；Vibration；Numerical simulation；Eliminate vibration；Diversion board

中圖分類(lèi)號(hào)：TP29

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1005-2992(2016)01-0041-06

作者簡(jiǎn)介：周云龍(1960-)，男，吉林省扶余市人，東北電力大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院教授，博士，博士生導(dǎo)師，主要研究方向：液-固兩相流.

收稿日期：2015-09-12