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(shí)踐應(yīng)用得到深入的研究[1-4]；但MGGH在實(shí)際運(yùn)行過程中出現(xiàn)異常振動(dòng)，并伴有明顯噪聲。

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

1 振動(dòng)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?、中溫和高溫三段，管子外徑均?8 mm。其中，低溫段由8排光管組成(一級(jí)換熱面)，錯(cuò)列布置；中溫段(二級(jí)換熱面)、高溫段(三級(jí)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(dòng)發(fā)生在MGGH煙道段，根據(jù)換熱面布置方向，振動(dòng)測量選擇在MGGH頂部平臺(tái)。測量試驗(yàn)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(diǎn)位置在MGGH頂部外殼，對(duì)應(yīng)于各級(jí)換熱面的出入截面。測點(diǎn)分為三列(A、B、C)，每列設(shè)6個(gè)點(diǎn)從入口至出口(1～6)，其中：1、2位于一級(jí)換熱面入口和出口；3、4位于二級(jí)換熱面入口和出口；5、6位于三級(jí)換熱面入口和出口。振動(dòng)測量點(diǎn)位置見圖2。

圖2 振動(dòng)測量點(diǎn)位置示意圖

在兩次不同時(shí)刻下對(duì)各個(gè)測點(diǎn)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(dòng)的原因是煙氣流過MGGH換熱面時(shí)形成的卡門漩渦。當(dāng)煙氣橫向沖刷換熱面管束時(shí)，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(shí)，煙道內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的聲學(xué)駐波共振而發(fā)出強(qiáng)烈噪聲。

理論計(jì)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(jì)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(jì)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(jì)平均流速計(jì)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(shí)際激振頻率會(huì)與表2的計(jì)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(shí)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(shí)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(shí)，煙氣溫度一般是一個(gè)較為穩(wěn)定值。因此，當(dāng)鍋爐負(fù)荷穩(wěn)定時(shí)，煙道的氣柱固有頻率也是一個(gè)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(shí)，該激振頻率就會(huì)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(dòng)幅值差別清晰的特點(diǎn)。分析上述測量及計(jì)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(dòng)問題,必須使區(qū)域振動(dòng)系統(tǒng)失諧。消除煙道振動(dòng)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(duì)于一個(gè)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(dòng)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(diǎn)，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(shí)必須同時(shí)考慮避免高階駐波振動(dòng)。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(dòng)波長。

對(duì)于三階氣柱駐波振動(dòng)，沿?zé)煹缹挾确较蛐纬伤膫€(gè)位移駐點(diǎn)、三個(gè)壓力駐點(diǎn)。三個(gè)壓力駐點(diǎn)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(gè)壓力駐點(diǎn)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(gè)模塊，每個(gè)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(shí)，必須根據(jù)發(fā)生氣柱振動(dòng)的頻率和階數(shù)確定隔板個(gè)數(shù)。最少隔板數(shù)是根據(jù)煙氣音速和發(fā)生氣柱振動(dòng)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(dòng)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(shí)會(huì)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(dòng)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(qiáng)烈的聲學(xué)駐波共振而發(fā)出強(qiáng)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。

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