申 政

(太原市熱力設(shè)計(jì)有限公司，山西 太原 030024)

1 概述

某熱源廠二期工程裝機(jī)2臺(tái)116 MW燃?xì)鉄崴仩t及其附屬設(shè)施，為2019年開(kāi)工建設(shè)的工程，也是當(dāng)年建設(shè)當(dāng)年投運(yùn)的熱源項(xiàng)目。二期工程投運(yùn)后，鍋爐負(fù)荷達(dá)到80%以上時(shí)，尤其是煙氣再循環(huán)系統(tǒng)啟動(dòng)后，鍋爐系統(tǒng)的風(fēng)道、煙道、燃燒器、燃燒器閥組和鍋爐后墻噪聲大、振動(dòng)明顯，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)試，爐體1 m范圍內(nèi)噪聲達(dá)到 85 dB～90 dB，鍋爐房外1 m達(dá)到70 dB～75 dB。

本文結(jié)合熱源廠“煤改氣”工程實(shí)例，對(duì)燃?xì)忮仩t高負(fù)荷運(yùn)行工況下鍋爐本體及煙、風(fēng)道系統(tǒng)的振動(dòng)和噪聲問(wèn)題進(jìn)行探討。

2 鍋爐系統(tǒng)振動(dòng)原因分析

鍋爐正常運(yùn)行時(shí)，需連續(xù)的將燃燒所需的空氣送入爐膛，并將燃燒煙氣排送至大氣，連續(xù)送風(fēng)和排出燃燒產(chǎn)物的過(guò)程即是鍋爐的通風(fēng)過(guò)程。本工程為大型高溫燃?xì)鉄崴仩t，采用機(jī)械通風(fēng)的正壓通風(fēng)方式，在鍋爐煙、風(fēng)系統(tǒng)中只裝設(shè)送風(fēng)機(jī)，利用送風(fēng)機(jī)出口壓頭來(lái)克服全部煙、風(fēng)道阻力。

本工程為保證氮氧化物NOx≤30 mg/Nm3，實(shí)現(xiàn)超低排放，采用擴(kuò)散式燃燒火焰，燃料與空氣在鍋爐爐膛中邊混合邊燃燒，即FGR煙氣再循環(huán)低氮燃燒技術(shù)，貧燃燃燒以降低火焰溫度，進(jìn)而減小氮氧化物的生成量，實(shí)現(xiàn)低氮排放。

鍋爐鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)口冷空氣通過(guò)空氣熱交換器預(yù)熱后，與部分煙氣混合進(jìn)入燃燒器，在爐膛燃燒后依次通過(guò)對(duì)流管束、一網(wǎng)節(jié)能器、二網(wǎng)冷凝器及煙氣熱交換器等設(shè)備進(jìn)行換熱，然后進(jìn)入煙囪排入大氣。由于工程受場(chǎng)地既有框架結(jié)構(gòu)的限制，鍋爐本體至煙囪和吸風(fēng)口至燃燒器之間，出現(xiàn)多個(gè)轉(zhuǎn)角彎頭和變徑等異形管件。煙、風(fēng)系統(tǒng)由薄鋼板和支撐桿焊接而成，所以煙、風(fēng)系統(tǒng)強(qiáng)度和剛度較差，而且由于吸風(fēng)量和燃燒產(chǎn)生的煙氣量大，氣流速較快，在通過(guò)換熱面、轉(zhuǎn)角和變徑時(shí)就會(huì)產(chǎn)生渦流，引起煙道系統(tǒng)的振動(dòng)和產(chǎn)生噪聲[1]。

鍋爐本體和煙、風(fēng)系統(tǒng)振動(dòng)與噪聲是燃?xì)忮仩t常見(jiàn)的問(wèn)題。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)煙、風(fēng)管道系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的測(cè)試結(jié)果，對(duì)鍋爐的爐體和煙、風(fēng)系統(tǒng)的振動(dòng)原因進(jìn)行分析，主要由以下原因引起。

2.1 氣流不均勻引起的振動(dòng)

由于本工程為既有鍋爐房“煤改氣”項(xiàng)目，利用既有鍋爐廠房進(jìn)行設(shè)備布置，煙、風(fēng)系統(tǒng)在既有廠房?jī)?nèi)走向設(shè)置復(fù)雜，通過(guò)多個(gè)變徑異形管道、彎頭和空氣熱交換器的管束，將多個(gè)設(shè)備連通。當(dāng)氣流流過(guò)異形結(jié)構(gòu)管路和管束時(shí)，會(huì)出現(xiàn)斷面流速分布不均勻的現(xiàn)象，由于在彎頭和異形變徑處內(nèi)壓與外壓不同，使得內(nèi)、外側(cè)氣流速度不同，氣流出現(xiàn)雙螺旋流形式的二次流和在彎頭前后岀現(xiàn)局部的渦流區(qū)。一方面，不均勻的氣流分布會(huì)導(dǎo)致風(fēng)機(jī)葉輪在不均勻的氣流中工作，從而引起通過(guò)葉輪后氣流的脈動(dòng)。另一方面，當(dāng)氣流流過(guò)具有較大擴(kuò)張角的煙道時(shí)，會(huì)在有擴(kuò)張角的壁面附近形成旋渦，旋渦中有一個(gè)低壓區(qū)，旋渦的不斷發(fā)生和脫落會(huì)使和流體接觸的固體壁面受到交變力的作用，從而產(chǎn)生噪聲和振動(dòng)[2]。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行的運(yùn)行測(cè)試分析，鍋爐的振動(dòng)和噪聲具體表現(xiàn)如下：

1)隨著鍋爐運(yùn)行負(fù)荷增加，氮氧化物排放指標(biāo)NOx>30 mg/Nm3，為保證均衡燃燒、降低火焰溫度，保持低氮排放，則啟動(dòng)煙氣再循環(huán)系統(tǒng)。隨著再循環(huán)煙氣混入風(fēng)道后，由于現(xiàn)場(chǎng)安裝空間受限，設(shè)計(jì)中未使用混風(fēng)箱，因此混合段較短，造成與冷風(fēng)混合不均勻進(jìn)入到兩臺(tái)燃燒器內(nèi)的煙氣量存在一定偏差，導(dǎo)致風(fēng)道內(nèi)氣流分布不均勻，形成渦流出現(xiàn)振動(dòng)現(xiàn)象[3]。進(jìn)而影響了燃燒器正常調(diào)試和出力。原設(shè)計(jì)圖見(jiàn)圖1。

2)隨著鍋爐運(yùn)行從低負(fù)荷到高負(fù)荷，鼓風(fēng)機(jī)頻率逐步升高，通風(fēng)量逐漸增大，冷風(fēng)通過(guò)空氣熱交換器管束由于氣流不均勻或氣流流速過(guò)大，因而造成鼓風(fēng)機(jī)出口至空氣熱交換器振動(dòng)頻率和噪聲明顯的增大。

3)隨著鍋爐運(yùn)行負(fù)荷增大，煙氣量增大，煙氣通過(guò)煙道流速也明顯增大，煙氣氣流在爐膛尾部轉(zhuǎn)彎時(shí)形成的渦流越發(fā)明顯，因而鍋爐高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)會(huì)造成后爐墻模式壁振動(dòng)明顯，形成鍋爐本體的喘振。

4)從鍋爐低負(fù)荷運(yùn)行到高負(fù)荷調(diào)整過(guò)程中尾部煙道振動(dòng)頻率和噪聲大幅增大，隨著運(yùn)行負(fù)荷增大，煙氣流速也隨之增大，而尾部煙道由異形變?yōu)橐?guī)則煙道，并未進(jìn)行明顯的縮徑，主要由于尾部煙道氣流未進(jìn)行合理的導(dǎo)流設(shè)置，因而在煙道內(nèi)形成了渦流，影響到鍋爐正常煙氣流動(dòng)，煙氣的波動(dòng)造成了鍋爐的尾部煙道的振動(dòng)。

2.2 鍋爐大負(fù)荷運(yùn)行時(shí)爐體振動(dòng)分析

1)爐體振動(dòng)源主要是燃燒器噴射脈動(dòng)火焰在爐膛內(nèi)形成震蕩性氣流，造成爐膛膜式水冷壁的大幅震動(dòng)，其火焰的穩(wěn)定性決定了爐體震動(dòng)的大小。

2)燃燒器穩(wěn)定性調(diào)試存在一定問(wèn)題，由于鍋爐急于進(jìn)行能效測(cè)試，匆忙提升至大負(fù)荷，燃燒器調(diào)試時(shí)間過(guò)短，沒(méi)能很好的對(duì)大負(fù)荷燃燒進(jìn)行穩(wěn)定性調(diào)整。

2.3 鍋爐運(yùn)行噪聲高分析

1)高壓燃?xì)夤艿兰伴y組在大流量燃?xì)馔ㄟ^(guò)時(shí)形成嘯叫，造成鍋爐房整體高頻噪聲高。

2)爐膛內(nèi)火焰運(yùn)行穩(wěn)定性差，火焰轟鳴聲造成爐體低頻噪聲高。

3)爐體及煙道內(nèi)煙氣流動(dòng)形成喘振，進(jìn)一步放大了低頻噪聲。

2.4 煙、風(fēng)道強(qiáng)度不足引起的振動(dòng)

煙、風(fēng)道由4 mm薄鋼板焊接而成，大截面的煙、風(fēng)道往往存在強(qiáng)度和剛度過(guò)低的問(wèn)題，因此需要在煙、風(fēng)道內(nèi)側(cè)加裝加固肋片對(duì)其進(jìn)行加固。目前煙、風(fēng)道的加固以外側(cè)加裝橫肋為主，管道內(nèi)側(cè)加裝內(nèi)撐桿承擔(dān)內(nèi)外荷載的布局設(shè)計(jì)方案[4]。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，部分煙道和風(fēng)道管件連接安裝時(shí)加固肋片不足，導(dǎo)致強(qiáng)度不夠，引起局部振動(dòng)。

3 鍋爐煙、風(fēng)系統(tǒng)振動(dòng)消除的優(yōu)化設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)鍋爐本體和煙、風(fēng)道系統(tǒng)振動(dòng)與噪聲源的分析，并對(duì)煙、風(fēng)道系統(tǒng)部分階段進(jìn)行校核計(jì)算，同時(shí)結(jié)合設(shè)計(jì)方案和其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)部分煙、風(fēng)道結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，采取相應(yīng)改造調(diào)整措施。

3.1 鼓風(fēng)機(jī)出口至空氣熱交換器的風(fēng)道優(yōu)化設(shè)計(jì)

為解決本工程鼓風(fēng)機(jī)出口至空氣熱交換器風(fēng)管段隨著鍋爐負(fù)荷增大而振動(dòng)頻率和噪聲明顯增大的問(wèn)題，首先對(duì)標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)道流速和冷風(fēng)沖刷空氣熱交換器管束流速進(jìn)行校核，以確定是否由于局部流速過(guò)大造成了振動(dòng)原因。

冷風(fēng)通過(guò)空氣熱交換器的流速v：

v=V/(3 600F)。

其中，V為每小時(shí)的空氣流量，m3/h；F為風(fēng)道有效截面積。

冷風(fēng)沖刷空氣熱交換器管束時(shí)的有效截面積F:

其中，a，b均為風(fēng)管橫截面的凈尺寸，m；n為空氣熱交換器并聯(lián)管的數(shù)量；dw為管束單管外徑，m。

本工程鼓風(fēng)機(jī)額定風(fēng)量135 000 m3/h，通過(guò)上述校核計(jì)算，對(duì)本工程標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)道流速和冷風(fēng)沖刷空氣熱交換器管束流速對(duì)比如表1所示。

表1 標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)道和冷風(fēng)沖刷空氣熱交換器管束的流速對(duì)比

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果對(duì)比可知，為盡可能減小燃?xì)忮仩t煙、風(fēng)管道阻力，本工程在原方案設(shè)計(jì)時(shí)即考慮了風(fēng)速過(guò)大造成的阻力過(guò)大，進(jìn)而造成不節(jié)能和振動(dòng)、噪聲問(wèn)題。因而造成鼓風(fēng)機(jī)出口至空氣熱交換器風(fēng)管段隨著鍋爐負(fù)荷增大而振動(dòng)頻率和噪聲明顯增大的原因并非由于風(fēng)速過(guò)大引起，而是由于鼓風(fēng)機(jī)出口的異形結(jié)構(gòu)管件至空氣熱交換器氣流不均勻，造成局部形成渦流現(xiàn)象而引起振動(dòng)。

針對(duì)上述振動(dòng)問(wèn)題，通過(guò)在鼓風(fēng)機(jī)出口位置異形結(jié)構(gòu)管件和空氣熱交換器彎管位置分別增設(shè)倒流板，盡可能使得氣流快速趨于平穩(wěn)流動(dòng)，可有效減少風(fēng)道冷風(fēng)沖刷空氣熱交換器管束時(shí)造成的局部渦流現(xiàn)象，并對(duì)風(fēng)道結(jié)構(gòu)進(jìn)行了密封和加固處理，從而使得鼓風(fēng)機(jī)出口至空氣熱交換器風(fēng)管段振動(dòng)明顯下降。

3.2 再循環(huán)煙道和風(fēng)道連接處的優(yōu)化設(shè)計(jì)

再循環(huán)煙氣混入風(fēng)道后，原設(shè)計(jì)由于安裝空間受限未使用混風(fēng)箱，混合段較短，造成煙氣與冷風(fēng)混合不均勻，因而進(jìn)入到兩臺(tái)燃燒器內(nèi)的煙氣量也存在一定偏差，導(dǎo)致風(fēng)道內(nèi)氣流分布不均勻，形成渦流出現(xiàn)振動(dòng)現(xiàn)象，進(jìn)而影響了燃燒器正常調(diào)試和出力。

為再循環(huán)煙氣混入風(fēng)道不均勻問(wèn)題，采用增大進(jìn)入燃燒器前的風(fēng)道容器，形成靜壓箱結(jié)構(gòu)，再將再循環(huán)煙道分兩部分插入風(fēng)箱中，其煙道上開(kāi)孔與鼓風(fēng)機(jī)出風(fēng)均勻混合后，再進(jìn)入上升的垂直風(fēng)道，進(jìn)入燃燒器，見(jiàn)圖2。

沿風(fēng)道寬度截面插入兩個(gè)煙道，煙道板面上開(kāi)孔面積與煙氣截面等同，如圖3所示。

按上述方案進(jìn)行改造后形成了混風(fēng)箱，再循環(huán)煙氣通過(guò)煙道板面小孔進(jìn)入風(fēng)道，與冷風(fēng)進(jìn)行充分混合，形成分布均勻的氣流，有效解決了再循環(huán)煙氣與冷風(fēng)混合不均勻進(jìn)入到兩臺(tái)燃燒器內(nèi)的煙氣量而引起的渦流出現(xiàn)振動(dòng)現(xiàn)象，進(jìn)而保證了兩臺(tái)燃燒器的正常調(diào)試和出力。

3.3 鍋爐大負(fù)荷運(yùn)行時(shí)爐體振動(dòng)問(wèn)題的解決

結(jié)合上述優(yōu)化方案改造后，隨著燃?xì)忮仩t在高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)期，啟動(dòng)煙氣再循環(huán)系統(tǒng)，再循環(huán)煙氣與冷風(fēng)混合均勻后分別進(jìn)入到兩臺(tái)燃燒器。經(jīng)過(guò)燃燒器廠家重新調(diào)整校核燃燒器，保持火焰的連續(xù)燃燒，減少了火焰脈動(dòng)性，基本達(dá)到了燃燒穩(wěn)定運(yùn)行的要求。

鍋爐本體的喘振隨著鍋爐運(yùn)行負(fù)荷從低到高越發(fā)明顯的現(xiàn)象，經(jīng)過(guò)分析研究，主要原因由于煙氣氣流在爐膛尾部轉(zhuǎn)彎時(shí)形成了渦流而引起的。運(yùn)行負(fù)荷越高，渦流現(xiàn)象越嚴(yán)重，后爐墻模式壁振動(dòng)明顯，鍋爐本體的喘振現(xiàn)象也越突顯。結(jié)合現(xiàn)狀結(jié)構(gòu)形式，對(duì)爐體結(jié)構(gòu)進(jìn)行整改，增加爐膛后墻與左側(cè)墻的導(dǎo)流膜式壁，以避免在該角落形成煙氣渦流。經(jīng)過(guò)改造后運(yùn)行試驗(yàn)，證明能夠有效降低后墻的振動(dòng)量，具體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)改造見(jiàn)圖4。

煙氣從鍋爐尾部進(jìn)入不規(guī)則煙道，煙道由不規(guī)則通過(guò)變徑和轉(zhuǎn)彎變?yōu)橐?guī)則煙道，煙氣隨著運(yùn)行負(fù)荷增大，流速也隨之增大，煙氣容易在變徑和轉(zhuǎn)彎處形成渦流，造成鍋爐的尾部煙道的振動(dòng)。在鍋爐本體出口即尾部煙道異形結(jié)構(gòu)向規(guī)則改變位置和轉(zhuǎn)彎處分別增加了3片導(dǎo)流板，有效避免了煙道內(nèi)形成渦流現(xiàn)象。同時(shí)，也在節(jié)能器之后的煙道轉(zhuǎn)彎位置增設(shè)了導(dǎo)流板，保障了煙氣氣流的平穩(wěn)流動(dòng)。

3.4 鍋爐運(yùn)行噪聲高問(wèn)題的解決

1)針對(duì)爐前燃?xì)夤艿篮烷y組高流量時(shí)的嘯叫噪聲進(jìn)行了整改，整個(gè)方案是將燃?xì)夤艿涝龃笠粋€(gè)口徑，可降低燃?xì)夤艿赖娜細(xì)饬魉?，進(jìn)而有效減小了爐前燃?xì)夤艿篮烷y組嘯叫的噪聲。

2)針對(duì)爐膛內(nèi)火焰轟鳴噪聲，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)再循環(huán)煙道與風(fēng)道，將再循環(huán)煙氣和冷風(fēng)均勻的氣流，同時(shí)通過(guò)對(duì)燃燒器穩(wěn)定燃燒調(diào)試以后，有效提高了火焰燃燒穩(wěn)定性，爐膛內(nèi)火焰轟鳴噪聲明顯降低。

3)針對(duì)鍋爐高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，冷風(fēng)通過(guò)鼓風(fēng)機(jī)出口、空氣熱交換器至彎管位置噪聲問(wèn)題，通過(guò)在鼓風(fēng)機(jī)出口位置異形結(jié)構(gòu)管件和空氣熱交換器彎管位置分別增設(shè)倒流板，盡可能使得氣流快速趨于平穩(wěn)流動(dòng)，較少風(fēng)道冷風(fēng)沖刷空氣熱交換器管束時(shí)造成的局部渦流現(xiàn)象，并對(duì)風(fēng)道結(jié)構(gòu)進(jìn)行了密封和加固處理。經(jīng)過(guò)上述優(yōu)化調(diào)整后，風(fēng)道振動(dòng)減小的同時(shí)噪聲明顯下降。

4)針對(duì)爐體尾部煙道喘振的噪聲問(wèn)題，通過(guò)上述在尾部煙道異形結(jié)構(gòu)向規(guī)則改變位置和轉(zhuǎn)彎處分別增設(shè)導(dǎo)流板，有效避免了煙道內(nèi)形成渦流現(xiàn)象，并對(duì)煙道結(jié)構(gòu)進(jìn)行了密封和加固處理，爐體尾部煙道喘振的噪聲也得以明顯下降。

4 改造效果和結(jié)論

通過(guò)上述優(yōu)化設(shè)計(jì)方案對(duì)燃?xì)忮仩t的煙、風(fēng)系統(tǒng)和鍋爐本體進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)改造調(diào)整，通過(guò)2020—2021和2021—2022兩個(gè)采暖季現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，鍋爐負(fù)荷達(dá)到80%以上時(shí)，同時(shí)啟動(dòng)煙氣再循環(huán)系統(tǒng)，風(fēng)道、煙道、燃燒器、燃燒器閥組和鍋爐后墻振動(dòng)與噪聲明顯降低，爐體1 m范圍內(nèi)噪聲為62 dB～65 dB，較優(yōu)化改造以前降低27%，鍋爐房外1 m為50 dB～53 dB，較優(yōu)化改造以前降低29%，取得良好的改造效果，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。