锅炉尾部烟道振动原因分析及处理

楼 杰，蒋建伟

(广东粤电靖海发电有限公司，广东 揭阳 515223)

0 引言

某电厂600 MW机组，锅炉为东方锅炉厂生产的DG1900/25.4－П2型超临界参数变压直流炉，一次再热、单炉膛、双尾部烟道、平衡通风、露天布置、固态排渣、全钢构架、全悬吊结构Π型锅炉。锅炉主要技术参数如表1所示。

表1 锅炉主要技术参数

1 尾部烟道振动情况

2号锅炉从2009年6月大修后，开始发生尾部烟道振动情况。振动主要发生在尾部后烟道省煤器和低温再热器区域，标高44～58 m(如图1灰色区域所示)，发生振动时，尾部烟道可听到类似拖拉机马达低沉的轰鸣声。经现场试验，发现振动情况跟负荷有关，振动主要发生在600 MW负荷下，其余负荷未见明显振动。在600MW负荷下，振动又与烟气挡板的开度有关，再热器烟气挡板开度30%～35%，以及45%～70%的区间范围内，尾部烟道都会发生振动，其中，当再热器烟气挡板开度在32%和55%两个位置时，振动最为剧烈。

图1 2号锅炉尾部烟道振动发生区域示意图

为了确认振源，保持600 MW负荷，手动改变过热器、再热器烟气挡板门的开度，利用动平衡仪的测振功能，对尾部烟道的振动频率进行了测量。经试验和测量，发现振动发生在省煤器区域，而且主要发生在再热器烟气挡板门开度为30%～35%以及45%～70%两个区间，其中以32%和55%两个开度振幅最大，分别为 342.5 μm 和 368.8 μm。发生振动的同一个区间内，振动频率一致，分别为31.25 Hz和25.25 Hz。而再热挡板开度在这两个区间之外，不会发生明显的振动。测量结果如表2。

表2 尾部烟道振动测量结果

挡板门开度的改变，主要是引起了烟气流速的改变，由此推断振动与烟气流速有关。

2 振动原因分析

经过查阅相关资料和计算，可以确定该锅炉尾部烟道振动的是由声学共振引起。

2.1 烟道声学共振机理

(1)卡门涡流(见图2):烟气流经一个圆柱型管子的前缘时，烟气受到阻滞，按伯努力定理，其动能转变为压力能，在前缘附近形成了高压区，促使紧贴圆柱体表面的附面层向后侧延伸。在管子最宽截面处的附近，气流附面层从管子表面的两侧脱开，并形成两个在流动中向尾部拖拽的剪切层。因为自由剪切层的最内层比最外层行移动要慢得多，于是在尾流中就形成了一个规则的旋涡流动。当旋涡交替产生脱落时，其两侧的流体流速和静压是不同的。旋涡形成与长大的一侧流速慢，静压高，而另一侧由于流速快，静压较低，因此在静压较高的一侧产生了一个垂直于流向的推力。由于旋涡交替从两侧脱落，在管子上就激发起周期性的力，使管子在与烟气流动方向相垂直的方向上产生激振。上面所说的旋涡脱落频率就是卡门涡流频率。

图2 卡门涡流示意图

(2)烟道驻波:周期和振幅相同的波相相对进行，互相干涉，形成所谓驻波。当低密度的流体稳定地横向流过管束时，可能产生一个既垂直于管子又垂直于流动方向的声学驻波，尾部烟道满足驻波发生条件。驻波是一种纵波，波的传递速度与驻波所在介质的声速相同。由于烟道内的声波可以与反射回来的声波叠加，因此，烟道的驻波有N阶，N=1，2，3…，也称 N 次谐波。

(3)声学共振的判定:当卡门涡流频率与烟道某阶谐波频率之比为0.8≤K≤1.2，也就是频率相差不超过20%时，就可以引发声学共振。

2.2 频率计算和验证

根据卡门涡流频率公式、驻波公式、锅炉热力计算书、锅炉说明书，对上述频率进行了计算。

(1)卡门涡流频率计算

管排横向绕流旋涡的脱落频率(卡门涡流频率)的计算公式为fs=SU/D

式中，S为斯特劳哈数，可以顺列管子的纵向横向节距比，从图3中查得;U为气流速度，m/s;D为管子外径，m。

图3 顺列管排中管子纵向横向节距比与斯特罗哈数的关系曲线

(2)烟道驻波频率计算

烟道驻波频率通用计算公式中，假如存在驻波，则其波长和烟道净宽W之间必然有一定的关系，基本波(1阶谐波)波长是烟道净宽的两倍;2阶谐波中，波长等于烟道净宽;3阶谐波的波长为净宽的2/3……。

驻波频率计算公式为f=nC/2W

式中，C为某一温度下烟气介质中的声速;n=1，2，3……;W为烟道宽。

表3 惠来电厂2号锅炉省煤器烟道驻波计算数据

从表3计算结果可以看出:600 MW负荷时，省煤器入口卡门涡流频率与省煤器出口3阶驻波频率之比值为0.96;省煤器出口卡门涡流频率与省煤器进口2阶驻波频率之比为1.08，两个比值均在0.8～1.2范围内，且很接近1，因此从理论上可以判断，振动是由于声学共振引起。而现场实测的烟道振动频率 25.25 Hz、31.25 Hz分别与计算出来的出口 3阶和入口2阶驻波频率非常接近，又进一步证明了前面计算结果是正确的，由此断定，2号炉尾部烟道的振动是由于声学共振引起。

3 振动处理

解决该类声学振动常用的方法是在烟道内装设消除共振的隔板。根据机械工程手册，烟道内加装隔板的依据如表4。

表4 烟道加装隔板依据

另外，考虑到:①三次谐波的频率为烟道宽度的2/3;②根据东方锅炉厂的经验，在宽度小于6.7 m的烟道中几乎未发生过振动案例。基于以上两点，最后决定采取比机械工程手册多一列隔板，即5列防振隔板的方案，防振隔板由东方锅炉厂设计制造。

由于尾部烟道分为前后两个烟道，每个烟道受热面又分为上、中、下三层。因此采取了加装5×3×2共30块隔板的方案。图4是防振隔板和安装位置的示意图。隔板的位置避开烟道宽度2/3节距位置，左右隔板呈不对称布置。

2011年2—3月，利用2号炉B级检修机会，该电厂将防振隔板进行了安装。

4 防振效果检验

该锅炉B级检修后开机运行至今，锅炉尾部烟道未再发生振动现象。为了检验防振效果，再次到现场进行了振动测量。测量结果如表5。

图4 防振隔板安装位置示意图

表5 尾部烟道振动测量结果

结果表明，防振隔板加装后，尾部烟道已不再有振动现象。

5 结论

关于锅炉尾部烟道振动问题，可以得出以下结论。

(1)该锅炉尾部烟道的振动频率在22.25 Hz和31.25 Hz，振动的原因为省煤器管排的卡门涡流脱硫频率与尾部烟道的2阶、3阶谐波频率非常接近从而引发了声学共振。

(2)实践证明，消除振动的有效方法之一是在尾部烟道加装防震隔板。加装隔板后，烟道被分隔为若干个小区域，每个区域越小时，其驻波频率越大，当其最小的驻波频率都比卡门涡流的脱落频率大得多时，就可以完全避免共振的发生。

(3)该锅炉安装的防振隔板共30块，总重约10 t，耗材并不多。在检修期间安装，由于零件较多，检修空间受限，安装相对比较困难。建议类似型号参数的锅炉在出厂时设计好防振隔板，受热面安装时直接装上。

［1］魏新华.大型电站锅炉尾部烟道的声学振动［J］.锅炉技术，1993(1):1－10.

［2］柴锡强，熊建国，朱云水.锅炉尾部烟道振动原因分析及对策［J］.浙江电力，2004(6):6 －9.

［3］赵建新.电厂锅炉尾部烟道振动分析［J］.现代电力，2009，26(5):49 －51.

［4］董琨.卡门涡流对电站锅炉安全性的影响及治理措施［J］.热力发电，2008，37(10):31 －34.