管式GGH振动原因分析及对策

潘超群，葛春亮

(浙江天地环保科技有限公司，浙江杭州310003)

管式GGH振动原因分析及对策

潘超群，葛春亮

(浙江天地环保科技有限公司，浙江杭州310003)

随着管式GGH在超低排放改造中的大量应用，设计时容易忽视管束的共振，对某厂600MW机组的管式GGH振动进行分析计算，判别为卡曼涡街与声波引起的共振，通过对腔室加装隔板，有效地消除了换热器的振动。关键词:管式GGH;振动;分析;对策

管壳式换热器是石油、化工、食品、医药等行业广泛使用的工艺设备［1］。某厂超低排放改造中的1台600MW机组，已通过运行考核并移交生产，但机组非满负荷运行过程中，发现管式GGH烟气冷却器的在某负荷区间段内存在振动。

1 管式GGH振动现象

管式GGH冷却器并列布置4只，冷却器运行在420MW负荷时开始振动。振动来自冷却器尾部，周围伴有低沉的轰鸣声。为找到振动对应的机组负荷区间，并观察振动变化情况，进了增减负荷运行试验，从300MW升至600MW后再降低至300MW。观察发现:中间2只冷却器在500MW负荷前振动随负荷增加愈加增强后随负荷降低趋于减缓;周边2只冷却器与中间两只情况类似，但振动最强时负荷为520MW;振动负荷区间均在420MW～520MW。根据烟道布置、烟气流场分布及实际运行情况看，中间两只冷却器的烟气量比周边两只冷却器稍大。

其中较为特殊情况是在机组600MW负荷运行一段时间后再降至500MW负荷附近短期运行时，振动强度明显没有升负荷阶段相同负荷的振动强烈;但运行一段时间后，冷却器振动程度也会明显增强。同时还发现投运冷却器蒸汽吹灰器时振动会减缓，管束振动峰值对应的负荷点发生偏移。

从负荷试验可知，烟气流速在一定的临界值区间，冷却器管束将发生振动;在一定烟气流速时，振动强度趋于峰值;管束积灰程度对振动有较大影响。

2 振动原因分析

2.1 机理分析

管束式换热器内流体的运动十分复杂，烟气的流速及方向不断的发生不规则的变化，使换热管束处在不均匀力场中，当诱导振动的频率与管束固有频率接近时，换热器就会产生强烈的共振［2］。普遍认为，横向流是流体诱导管束振动的主要根源［3］。主要有涡街振动、紊流抖振、声振动三种型式。

2.1.1 涡街振动

卡曼涡流作用力方向的交变性是由于在管子尾流的卡门涡街中，两列旋转方向相反的漩涡周期性均匀交替脱落所引起的。卡曼涡流作用力的交变频率等于漩涡脱落频率。振动频率fv公式［4］:

式中:St为斯特罗哈准数，无因次;V为最小界面处流速，m/s;d0为管束外径，m。

2.1.2 紊流抖振

紊流产生的漩涡使管子受到随机的波动，当其频带中的某一频率与管子任一振型的自振频率接近或相等时，便会导致大振幅的管子振动。振动频率公示如下［4］:

式中:V为相邻两管道之间的平均流体流速，m/s; d0为管子外径，m;L为纵向与横向的管间距，m。2.1.3声振动

换热器壳程中气体或蒸汽流过换热管时，在与流体和换热管轴线均垂直的方向上形成声学驻波。当声学驻波频率与卡曼涡街频率或紊流抖振主导频率相耦合时，会使气体介质所具有的动能转化为声压波，便发生声学共振［5］。振动频率公式［4］:

fa=nC/2D(3)

式中:n为驻波的阶数，1、2、3、4;C为特性长度，一般情况下是指气室的内径，即烟道的宽度，m;D为气室中声音传播的速度，m/s。

2.2 计算分析

换热管束发生振动的基本条件是各种激发力的频率等于或者接近管束的固有频率;或者当涡街频率接近声学驻波某阶谐波的20%以内时，比较容易发生声学共振［6］。根据《钢制管壳式换热器》(GB 151－2014)，U型管束固有频率计算公式如下［4］:

依据上述振动分析计算式并结合厂家提供的冷却器结构图纸，计算出各振动频率见表1。

表1 管式GGH冷却器500MW负荷下各种频率数据

从计算结果可以看出:

(1)三种主要振动频率皆与固有频率有较大差距，不会引起共振;

(2)卡曼涡街、紊流抖振与声驻波的二阶谐波频率比较接近，可引发声学共振。

3 减振方案及处理效果

从振动的发生机理看，防振措施主要有［4］:改变壳程流速，采取折流板的型式，改变流通面积或者改变机组运行负荷。改变换热管的固有频率;在壳程沿平行气流的方向插入隔板，减少气室的宽度，可提高声频;在换热管束外表面缠绕金属丝或沿轴向安装金属条，可抑制周期性涡街的形成。

为方便施工且保证传热效率，解决声学共振的常用办法就是换热器管束间加隔板。冷却器的腔室加装隔板后声振频率计算见表2。

表2 管式GGH冷却器增设隔板后的计算结果

考虑到冷却器的模块高度方向上为8只，增加2层隔板不能将腔室等分，故考虑增设三层隔板，将原来的一个气室分割成四个气室。

经冷却器加装隔板改造后，对冷却器振动进行了缓慢升负荷的动态观察试验，结果表明:锅炉全负荷段内冷却器无振动情况发生，运行平稳。

4 结语

综上所述，管式GGH的管束振动比较复杂，引发原因主要为卡门涡街振动、紊流抖振或声振动的频率与管束固有频率相近产生的共振。该机组通过增加防振隔板改变换热器的声振动频率，减振效果明显，成功解决了管式GGH冷却器的振动问题，对类似管束式振动问题的处理及管束换热器的设计具有显著地借鉴和指导意义。

［1］刘晓红.螺旋隔板换热器的研究现状及应用［J］.机电工程技术，2008，37(7):52－54.

［2］童鲁海.管壳式换热器的振动特性分析与模态试验［J］.机电工程，2009，26(7):46－48.

［3］符兴承，吴金星.管壳式换热器管束振动分析及防振措施［J］.化学工业与工程技术，2003(3):26－28.

［4］GB 151－2014，管壳式换热器［S］.

［5］吴翔.管壳式换热器管束振动机理及改进措施［J］.石油与化工设备，2012，15(10):62－64.

［6］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.

Analysis and countermeasures of the tubular－GGH vibration

As the tubular－GGH equipments are commonly and widely used in ultra－low emissions reform project in power plants，it may be that the design of the resonance tubes is overlooked.The vibration for tubular－GGH in a 600MW power－unit can be recognised as the resonation which caused by the Karman vortex streets and sound waves.But hopefully it can be effectively removed by installing the anti－vibration separator.

tubular－GGH;vibration;analysis;countermeasures

X701.3

B

1674－8069(2016)04－048－02

2016-01-04;

2016-01-22

潘超群(1984-)，男，本科，工程师，主要从事火电厂脱硫、脱硝等环保工程工艺设计工作。E－mail:pcq_68@163.com