摘要：通過對某鍋爐爐墻異常振動的調(diào)研和分析，確定了爐墻振動的主要原因是卡門渦流的聲學(xué)共振及煙道剛性下降?？ㄩT渦流的脫落頻率與管束間煙氣柱聲學(xué)駐波的固有頻率耦合，激發(fā)起煙氣柱發(fā)生強烈的自激振動，加之煙道阻尼器老化，煙道剛性降低，繼而引起尾部煙道的振動。闡述了卡門渦街門渦流頻率和低溫過熱器管束間駐波頻率的計算方法，并提出了防止?fàn)t墻振動的措施。

關(guān)鍵詞：爐墻;振動;卡門渦街;煙道駐波;聲學(xué)共振

1.概述

某鍋爐為東方鍋爐廠DG1900/25.4-Ⅱ1型超臨界參數(shù)、變壓、直流、本生型鍋爐，其尾部豎井煙道前側(cè)為再熱煙道，后側(cè)為過熱煙道，分別通過各自的煙氣擋板調(diào)節(jié)汽溫。該機組在提高負(fù)荷至近600MW工況時，豎井煙道右后側(cè)處爐管泄漏測點頻繁報警，經(jīng)過現(xiàn)場查看，發(fā)現(xiàn)此處爐墻振動大。

國際上對爐墻振動的研究始于20世紀(jì)50年代，早期遇到的是由karman（卡門）渦流所引起的振動，解決這方面的振動在理論和實踐方面取得了顯著的成效，并且設(shè)計階段就加以考慮。上世紀(jì)70年代至今，爐墻振動研究已轉(zhuǎn)向燃燒方面，主要在控制燃燒的穩(wěn)定性方面取得了某些進(jìn)展，但距理論上解決還有相當(dāng)距離。國內(nèi)在上世紀(jì)60年代就曾解決過由于流體流經(jīng)管束而引起的鍋爐振動問題。

振動產(chǎn)生的危害非常大，對鍋爐的鋼性梁等構(gòu)件會產(chǎn)生較大的疲勞應(yīng)力，同時對爐內(nèi)的受熱面也會帶來破壞應(yīng)力，嚴(yán)重時會造成爆管。

2.案例問題分析

2.130號爐管泄漏報警裝置誤報

查詢歷史曲線發(fā)現(xiàn)，自2020年4月19日3號鍋爐檢修完成啟動至8月10日，機組負(fù)荷很少高于500MW，30號爐管泄漏測點每天10：00左右即出現(xiàn)瞬時報警。

經(jīng)查詢歷史曲線，30號爐管泄漏測點吹灰時間關(guān)系相關(guān)性較強，分析發(fā)現(xiàn)，30號爐管泄漏出現(xiàn)報警與此處吹灰時間吻合，且該測點與吹灰器距離較近，不足0.5m，而其他測點與吹灰器距離較遠(yuǎn)，且極少出現(xiàn)報警現(xiàn)象。而報警與負(fù)荷等其他因素?zé)o相關(guān)性，另外經(jīng)核實補水量無明顯變化，不存在爐管泄漏，因此認(rèn)為該測點爐管泄漏報警是由于吹灰振動所致的誤報。

2.2聲學(xué)共振

自8月10日起，3號鍋爐負(fù)荷率大幅提高，當(dāng)機組負(fù)荷升至600MW時，豎井煙道后側(cè)區(qū)域的29、30、31、34號爐管泄漏測點頻繁報警，其中位于右側(cè)的30、32號測點尤為劇烈，且經(jīng)核實爐管無泄漏，依然為振動引起的誤報。現(xiàn)場查看發(fā)現(xiàn)豎井煙道右側(cè)墻有明顯振動，且伴有低沉的噪音，負(fù)荷降低或者降低過熱器煙氣擋板開度后振動消除。爐管泄漏測點報警與負(fù)荷關(guān)系歷史曲線如圖1所示。

圖1爐管泄漏測點與負(fù)荷關(guān)系歷史曲線

當(dāng)負(fù)荷較高時，煙氣量增大，鍋爐過熱器煙氣擋板開大，過熱器側(cè)的煙氣流速較大，再熱器側(cè)的煙氣流速較小，此時煙氣流經(jīng)低溫過熱器水平段管排產(chǎn)生卡門渦流，這些漩渦交替地從管子兩側(cè)脫落，脫落頻率與來流

速度成正比。當(dāng)管束中卡門渦流的脫落頻率與管束間煙氣柱聲學(xué)駐波的固有頻率耦合，就會激發(fā)起煙氣柱發(fā)生強烈的自激振動，加之煙道阻尼器老化，煙道剛性降低，繼而引起尾部煙道的振動。此外，600MW負(fù)荷下調(diào)節(jié)煙氣擋，減小過熱側(cè)的煙氣量和流速，振動消除，同樣說明該振動與煙氣流速有關(guān)。

2.3振動的計算

（1）卡門渦流頻率

卡門渦流脫落頻率f的計算式為：

?

?

式中，u為煙氣速度（m/s）;d為受熱面管子外徑（m）;S為Strouhal數(shù)，是一個與雷諾數(shù)有關(guān)的無因次量。

設(shè)管排的縱向節(jié)距為L，橫向節(jié)距為T，則順列管排的S為：

3618

（2）低溫過熱器管束間駐波頻率

周期和振幅相同的波向順列管束間傳播時互相干涉，形成駐波。當(dāng)?shù)兔芏鹊牧黧w穩(wěn)定地橫向流過管束時，可能產(chǎn)生一個既垂直于管子、又垂直于流動方向的聲學(xué)駐波，尾部煙道滿足駐波發(fā)生條件。駐波是一種縱波，波的傳遞速度與駐波所在介質(zhì)的聲速相同。由于煙道內(nèi)的聲波可以與反射回來的聲波疊加，因此煙道的駐波有n階（n=1，2，3……），也稱n次諧波。

假如低溫過熱器所在煙道內(nèi)存在駐波，則其波長和煙道寬度W之間必然有一定的關(guān)系，基波（一階諧波）波長是煙道寬度的兩倍;二階諧波波長等于煙道寬度;三階諧波波長為煙道寬度的2/3……駐波頻率fz計算公式為：

z?·

式中，c為某一溫度下煙氣介質(zhì)中的聲速;n=1，2，3……;W為煙道寬度。

某一溫度下的聲速可由下式求出：

?

式中，煙氣絕熱指數(shù)K=1.333;煙氣氣體常數(shù)R=276J/kg·K;T為氣體熱力學(xué)溫度。

3.結(jié)論建議

通過分析，初步認(rèn)為該鍋爐豎井煙道右側(cè)墻振動的原因為煙道剛性下降及聲學(xué)共振，需進(jìn)一步對振動進(jìn)行頻譜分析。為此建議如下：

（1）進(jìn)行現(xiàn)場測試，對振動進(jìn)行頻譜分析，計算出共振頻率，找出振動位置，進(jìn)行增加隔板等改造，消除振動。

（2）對振動位置的煙道阻尼器維護(hù)更換或者加固煙道，提高煙道剛性。

（3）調(diào)節(jié)豎井煙道煙氣擋板，改變流經(jīng)過熱器煙氣流速，避開共振。

作者簡介：趙瑞松（1988-04），男，漢族，河南鄭州，工程師，碩士，中國大唐集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司中南電力試驗研究院（大唐中南電力試驗研究院），研究方向：電站鍋爐節(jié)能及環(huán)保。