炉顶吊挂装置振动特性的测量与分析

梁进林，邱 忠，张 力

（ 神华神东电力有限责任公司新疆米东热电厂，乌鲁木齐 830019）

0 引 言

电站锅炉炉顶吊挂装置是将锅炉受压元件悬吊于钢结构上的承载连接装置，包括锅炉的水冷壁、过热器、再热器、省煤器、联箱及炉顶各部分连接管等都需要通过吊挂装置固定在钢结构上。因此，炉顶吊挂装置承载了锅炉的绝大部分载荷，并且对锅炉的安全运行起着至关重要的作用［1－2］。

神华神东米东热电厂循环流化床锅炉自投产以后，在锅炉运行中一直存在炉顶吊挂装置振动较大的现象。振动对炉顶吊挂装置的危害很大，不但会加速材料的疲劳损坏，大大缩短材料的使用寿命，并容易引发管道焊接接头的破坏失效，引发灾难性事故。为了改善炉顶吊挂装置振动速度及幅度，需要对吊挂装置自身的振动特性进行测量与分析［3］。

文中从吊挂装置的敲击法测试手段入手，得到了炉顶吊挂装置的有效振动特性数据，同时经过测量分析找到引起振动的原因，提出根据吊挂装置振动行为的治理方案。

2 吊挂装置固有频率的测量

不同材料、不同尺寸和形状的物体，在被撞击时，发出声音的频率是各不相同的。对截面积不变、材料一致的细长杆，当沿轴向施加外力撞击时会在杆中形成纵波，由于细长杆的长宽比很大，纵波会成为平面纵波且截面上各质点作等幅同相振动，因此撞击形成的波频就是其固有频率。

锅炉炉顶吊挂装置多为一节或者二节刚性吊杆，通过铰接的方式将被悬吊物和钢结构相连。循环流化床锅炉由于炉膛和尾部烟道的顶部标高相差较大，因此炉顶吊挂装置往往较长，吊挂装置的振动可简化为两端收到轴向拉力的细长杆的振动。对受到敲击后发生受迫震动的吊挂装置，采用电涡流传感器系统用于测量目标在位移方向的变化，将位移信号转换为电信号并存储处理，能够直观反映振动幅值及波形。经过数据处理，可以计算得到目标的振动频谱图，反映振动频率特性。

一般来说，对于高频振动，需采用刚性件(如铁锤)进行敲击;对于低频振动，可采用柔软材质物件(如橡胶锤、木棒)进行敲击。炉顶吊挂装置的振动属于可明显观察的低频振动，因此采用橡胶锤进行敲击。现场测量选择约束状态一致的吊杆进行分析对比，传感器测量点选择位于吊挂装置整体长度的1/2处，敲击点则位于整体长度的下1/4处。将采集到的受迫振动数据进行傅立叶变换，做出其频谱曲线，得到该吊杆的n阶固有频率值。

经过验证，敲击法测量吊挂装置固有频率受到测量过程中人为控制因素的影响可以忽略，可以真实反映吊挂装置的固有频率。炉顶部分吊挂装置固有频率测量结果见表1。

表1 部分炉顶吊挂装置的固有频率测量结果

3 吊挂装置的振动测量与分析

通过对运行机组炉顶吊挂装置振动状况的观察，选择振动较大的吊杆进行振动测量，分析振动波形，通过频谱分析掌握振动主频率，并与吊杆的固有特性相比较，分析吊杆振动原因，为制定振动治理方案提供依据，也为振动治理后的效果评价提供数据。部分吊挂装置的主振频率数据详见表2中。

表2 部分炉顶吊挂装置的固有频率测量结果

对吊挂装置悬吊对象(如集箱、顶棚等)进行振动测量，可以判断振源。通常管道介质形成的湍流漩涡、炉膛燃烧波动及烟风道烟气扰动等都会形成激扰力，成为振源。根据对锅炉集箱和顶棚的振动数据测量得知，其主振动频率在3 Hz左右，且具有1～2 Hz的振动频率宽度，这也与表2中吊挂装置振动时的主振频率范围相一致。因此炉顶吊挂装置受到炉膛、集箱等锅炉部件产生的激扰力作用而受迫振动。尽管前水冷壁上集箱、后墙水冷壁、侧水冷壁上集箱、分离器上集箱吊挂装置尺寸及受力不完全一致，但其1阶固有频率在2～3 Hz左右，处于激扰频率范围，因此使得以上吊挂装置受迫振动频率接近其1阶固有频率形成共振，引起吊杆的明显横向摆动。由于吊挂装置的2阶固有频率为6 Hz左右，不在激扰力的频率范围内。

4 吊挂装置的振动抑制

为了减弱炉顶吊挂装置对外界激扰力的响应，改善其振动速度及幅度，需要从改变吊挂装置自身的振动特性着手。吊挂装置1阶振动的振动幅度最大处位于其中心点处，因此可以通过在吊挂装置中间位置增设限位装置作为使其远离共振区域、抑制共振发生的有效办法。

在安装固定装置前后，对吊挂装置中心位置处进行振动速度及波形的测量。增加约束前，各吊挂装置测量点的振动速度普遍能达到20 mm/s以上，而添加约束后测点的振动速度均降低至5 mm/s以内，振动速度大大降低;增加约束前，吊挂装置测量点最大振动幅度达5 mm以上，而添加约束后测点的振动幅度降低至约1 mm，振动幅度降低60%以上。因此吊挂装置的振动得到了明显的抑制。

5 结论

(1)对于锅炉炉顶吊挂装置，可采用敲击法准确测量其固有频率。

(2)吊挂装置的固有频率与锅炉运行过程中形成的激振力的频率较为一致，是造成吊挂装置发生振动的原因。

(3)根据吊挂装置振动时的频率及振型，确定对吊挂装置增加约束方案，是较为合理的振动抑制方法。

［1］姜子豪，李浩，阚江明.减振降噪在机械设计中的应用［J］.森林工程，2013，29(5):55－59.

［2］机械振动［M］.机械工业出版社，1980.

［3］提高固有频率测量精度的声频法及其工程应用［J］.合肥工业大学学报，2005.