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        600 MW機(jī)組MGGH煙道振動原因分析及對策

        2018-06-04 12:14:06蔣建偉廖曉春
        發(fā)電設(shè)備 2018年3期
        關(guān)鍵詞:氣柱駐波漩渦

        蔣建偉, 朱 偉, 廖曉春

        (廣東粵電靖海發(fā)電有限公司, 廣東揭陽 515223)

        國內(nèi)火電機(jī)組脫硫后凈煙氣加熱多采用煙氣換熱器(GGH),但GGH的腐蝕、堵塞和泄漏等問題突出,嚴(yán)重影響燃煤機(jī)組的環(huán)保達(dá)標(biāo)。因此,低低溫?zé)煔馓幚硐到y(tǒng)(MGGH)作為一種新型高效的環(huán)保工藝系統(tǒng),克服了傳統(tǒng)GGH的問題,相關(guān)產(chǎn)品特性及實踐應(yīng)用得到深入的研究[1-4];但MGGH在實際運行過程中出現(xiàn)異常振動,并伴有明顯噪聲。

        筆者以某600 MW超臨界機(jī)組為研究對象,結(jié)合現(xiàn)場MGGH的結(jié)構(gòu)布置,通過對MGGH進(jìn)行振動測量,分析MGGH振動頻率的變化情況,發(fā)現(xiàn)煙氣流過換熱面時形成的卡門漩渦是煙道振動的關(guān)鍵原因,提出利用增設(shè)消振隔板消除MGGH振動。

        1 振動測量

        某600 MW超臨界機(jī)組新增MGGH,換熱面沿?zé)煔饬飨蚍值蜏亍⒅袦睾透邷厝?,管子外徑均?8 mm。其中,低溫段由8排光管組成(一級換熱面),錯列布置;中溫段(二級換熱面)、高溫段(三級換熱面)換熱面管均采用螺旋鰭片結(jié)構(gòu),鰭片厚度為2 mm、螺距為11 mm、高為15 mm,順列布置。MGGH換熱面布置見圖1。

        圖1 MGGH換熱面布置示意圖

        由于振動發(fā)生在MGGH煙道段,根據(jù)換熱面布置方向,振動測量選擇在MGGH頂部平臺。測量試驗的機(jī)組負(fù)荷在300.4~550.3 MW;測量工況的煙氣體積流量在1 563~2 124 km3/h。測量點位置在MGGH頂部外殼,對應(yīng)于各級換熱面的出入截面。測點分為三列(A、B、C),每列設(shè)6個點從入口至出口(1~6),其中:1、2位于一級換熱面入口和出口;3、4位于二級換熱面入口和出口;5、6位于三級換熱面入口和出口。振動測量點位置見圖2。

        圖2 振動測量點位置示意圖

        在兩次不同時刻下對各個測點測得的功率譜結(jié)果顯示:MGGH的主振頻率分別為32 Hz和45 Hz。

        2 原因分析

        造成煙道振動的原因是煙氣流過MGGH換熱面時形成的卡門漩渦。當(dāng)煙氣橫向沖刷換熱面管束時,引發(fā)的卡門漩渦以一定的周期脫落,形成了煙氣壓力波,當(dāng)煙氣壓力波頻率(激發(fā)頻率)與某一階煙道氣柱固有頻率偶合時,煙道內(nèi)就會產(chǎn)生強烈的聲學(xué)駐波共振而發(fā)出強烈噪聲。

        理論計算卡門漩渦脫落頻率fs為:

        (1)

        式中:S為斯特羅哈數(shù);U為煙氣速度,m/s;D為管徑,m。

        理論計算煙道氣柱固有頻率fn為:

        (2)

        式中:n為波的階次;C為煙氣聲速,m/s;W為空腔的寬度,m。

        根據(jù)表1換熱面管束幾何結(jié)構(gòu)參數(shù),由式(1)計算得到各工況的MGGH換熱面漩渦脫落頻率,見表2。表2中各負(fù)荷工況的卡門漩渦激振頻率依據(jù)設(shè)計平均流速計算得到。由于煙道內(nèi)煙氣流速的不均勻性和不穩(wěn)定性,實際激振頻率會與表2的計算數(shù)據(jù)有些偏差。隨著鍋爐燃燒和負(fù)荷等條件的變化,實際激振頻率與煙氣流速呈線性關(guān)系。另外,煙氣入口煙道連續(xù)轉(zhuǎn)彎,MGGH入口煙氣流場混亂,入口煙氣流速不均,實際漩渦激振頻率可能存在一定頻寬。

        表1 換熱面管束幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)

        表2 換熱面的漩渦脫落頻率

        表3為各工況下煙道的氣柱固有頻率(煙道高度為12 mm)。

        表3 各工況煙道的氣柱固有頻率 Hz

        由表3數(shù)據(jù)得:煙道氣柱一階固有頻率為14.40~15.28 Hz、二階固有頻率為28.81~30.56 Hz、三階固有頻率為43.21~45.84 Hz。在煙道的寬度確定后,煙道的氣柱固有頻率僅與煙氣溫度有關(guān),而在鍋爐負(fù)荷穩(wěn)定時,煙氣溫度一般是一個較為穩(wěn)定值。因此,當(dāng)鍋爐負(fù)荷穩(wěn)定時,煙道的氣柱固有頻率也是一個較為穩(wěn)定值。

        由于煙道內(nèi)卡門漩渦激振頻率存在一定的頻寬帶,當(dāng)與煙道氣柱固有頻率接近或重合時,該激振頻率就會激發(fā)聲學(xué)駐波共振,因此,聲學(xué)駐波共振具有頻率范圍較固定、振動幅值差別清晰的特點。分析上述測量及計算數(shù)據(jù)可以得到:測得的煙道主振頻率(32 Hz、45 Hz)與煙道二、三階固有頻率接近。

        3 消除措施

        要解決煙道振動問題,必須使區(qū)域振動系統(tǒng)失諧。消除煙道振動的措施是在換熱面管排之間,沿平行于氣流方向增設(shè)消振隔板,改變煙道的氣柱固有頻率。消振隔板位置的確定取決于兩方面: 一是激振頻率;二是煙道固有頻率和氣柱共振階數(shù)。

        以MGGH激振頻率為45 Hz來分析,接近煙道三階氣柱固有頻率。理論上對于一個半波(n=3),最理想的消振隔板位置位于1/6煙道處。氣柱駐波振動可以表現(xiàn)為位移形式和壓力形式,位移波形與壓力波形相差90°相位。最理想的消振隔板位置位于壓力波形的節(jié)點,該處煙氣分子橫向位移振幅最大,在根據(jù)低階振型設(shè)置消振隔板時必須同時考慮避免高階駐波振動。消振隔板的具體位置可根據(jù)換熱面的布置間距進(jìn)行調(diào)整,消振隔板理想的間距需小于1/2振動波長。

        對于三階氣柱駐波振動,沿?zé)煹缹挾确较蛐纬伤膫€位移駐點、三個壓力駐點。三個壓力駐點分別位于煙道寬度的1/6、1/2和5/6處,共振激振源波長為2/3煙道寬度。如果在三個壓力駐點設(shè)置隔板,最大隔板間距為1/3煙道寬度,其一階氣柱固有頻率與激振源頻率重合。因此,必須在1/6~1/2和1/2~5/6隔板間各增設(shè)一塊隔板,就是每隔1/6(2 m)煙道寬度處設(shè)置一塊隔板,總共需要設(shè)置5塊隔板。為了最大限度減少消振隔板層數(shù),可以適當(dāng)調(diào)整隔板間距,減少隔板數(shù)目。

        MGGH高度方向分為8個模塊,每個模塊高1.5 m,受該MGGH內(nèi)部結(jié)構(gòu)限制,消振隔板只能設(shè)置在兩模塊的交界部位(受熱面間隙較大、無斜撐阻擋)。在確定消振隔板的位置時,必須根據(jù)發(fā)生氣柱振動的頻率和階數(shù)確定隔板個數(shù)。最少隔板數(shù)是根據(jù)煙氣音速和發(fā)生氣柱振動的頻率來確定,在12 m寬的煙道內(nèi),布置三層隔板,最大空腔間距為4.5 m(三模塊),煙道一階氣柱固有頻率為38 Hz,介于32~45 Hz,煙道二階氣柱固有頻率為76 Hz,這樣能避免氣柱振動的發(fā)生。具體布置情況見圖3。

        圖3 消振隔板安裝布置示意圖

        4 結(jié)語

        (1) 由于煙氣橫向流過換熱面管時會產(chǎn)生卡門渦流,脫落的過程存在激發(fā)頻率,通過功率譜振動測量數(shù)據(jù)得到主振頻率為32 Hz、45 Hz,接近MGGH煙道二、三階固有頻率,產(chǎn)生強烈的聲學(xué)駐波共振而發(fā)出強烈噪聲。

        (2) 消振措施是在煙道內(nèi)的換熱面管排之間沿平行于氣流方向增設(shè)消振隔板,改變煙道的氣柱固有頻率。為減小激振頻率范圍(頻率寬度),建議進(jìn)一步改善煙道流場,降低流速偏差。

        參考文獻(xiàn):

        [1] 劉尚前. MGGH技術(shù)在600 MW機(jī)組中應(yīng)用的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)性分析[J]. 電子測試, 2015(24): 78-80.

        [2] 陳文理. MGGH技術(shù)在1 000 MW機(jī)組中應(yīng)用的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)性分析[J]. 電力建設(shè), 2014, 35(5): 103-107.

        [3] 張瑾. MGGH在電廠的應(yīng)用及運行控制[J]. 節(jié)能與環(huán)保, 2016(2): 66-68.

        [4] 李春萱, 黃淑芳, 楊征, 等. 氣-氣換熱器在濕法煙氣脫硫中的新應(yīng)用[J]. 熱力發(fā)電, 2006(7): 60-62.

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