锅炉水冷壁异常振动问题解决方案研究

周　昊，　朱国栋，　黄　燕，　王恒栋，　周　康

(浙江大学 能源清洁利用国家重点实验室，杭州 310027)



锅炉水冷壁异常振动问题解决方案研究

周昊，朱国栋，黄燕，王恒栋，周康

(浙江大学 能源清洁利用国家重点实验室，杭州 310027)

摘要：针对锅炉炉墙振动常发影响其安全运行的问题，通过试验研究了某电厂60 MW机组锅炉炉膛振动特性，并利用Ansys软件进行结构动力学模拟分析，提出了减振改造方案：增设拉杆连接，提高刚性梁刚度；分散吹灰器质量，减小集中质量.通过理论分析获得锅炉炉墙改造前后的固有频率以及强迫振动下各测试点的振动位移.结果表明：模拟中改造方案最大可减小84.3%的振动位移，而实际测得最大可减小79.2%的振动位移.

关键词：炉墙振动； 模态分析； 强迫振动； 现场改造

符号说明：

Fm——惯性力，N

FD——阻尼力，N

FS——弹簧约束力，N

P(t)——外界施加力,N

m——质点质量,kg

c——阻尼系数

k——弹簧刚度系数,N/m

D——水冷壁管外径,mm

d——水冷壁管内径,mm

E——弹性模量，MPa

Et——水冷壁管弹性模量，MPa

Ep——简化后平板弹性模量，MPa

b——简化后平板宽度，mm

h——简化后平板长度，mm

I——截面惯性矩，mm4

It——水冷壁管截面惯性矩，mm4

Ip——简化后平板截面惯性矩，mm4

锅炉的炉膛下部是燃烧区，上部与烟道相通，运行时燃烧产生的气体在整个炉膛空间内形成一个气体流场[1].炉内气体流场对炉墙水冷壁进行压力加载[2]，当炉内气流压力出现波动时，就会激励炉墙振动.当炉内燃烧形成的压力波动频率与水冷壁的自振频率相吻合时就会引起炉膛共振[3]，振幅剧烈增大，产生炉壁破坏的风险.在压力波动下，物体的受迫振动不可避免，但为了生产安全，在工程中必须规避有害振动，避免共振情况的发生，因此炉膛要有一定的刚度，以防止被破坏.刚性梁不仅可以改变炉壁的刚度，还能改善受力与重力之比，保证炉膛在运行波动负压或者爆燃工况下不受破坏的性能比高[4].毫米级振动不会对水冷壁管造成较大影响[5]，但如果刚性梁的刚性不足或者安装达不到设计要求，都会使炉膛刚度不够，导致炉墙固有频率偏低[6]，从而引起较严重的振动.由于锅炉振动大，其运行中水冷壁非受热面应力也大，会引起锅炉泄漏，导致锅炉不能安全运行[7].

针对结构设计的优化，林坤等[8-10]根据Ansys软件所得的模拟分析提供了很好的理论依据，Ansys软件已成为大型结构动力分析中的重要工具[11-12].韩广才等[13-15]发现集中质量块对主体的固有频率有影响,陈雷等[16]则研究了强迫振动集中质量块的影响.

笔者采用Ansys软件进行炉墙振动分析，结合现场测试结果及理论分析，提出一套实用可靠的改造方案，并进行现场改造，获得了良好的减振效果.

1试验简介

某电厂1号锅炉为无锡华光锅炉股份有限公司制造的UG-260/9.8-M型高温、单锅筒、自然循环、π形布置的60 MW固态排渣煤粉炉.锅炉前部为炉膛，四周布满膜式水冷壁，炉宽为8.37 m，炉膛出口处布置屏式过热器，水平烟道装设两级对流过热器，炉顶、水平烟道两侧及转向室设置顶棚和包墙管，尾部竖井烟道中交错布置两级省煤器和两级管式空气预热器.锅炉本体示意图如图1所示.

为准确获得锅炉前墙异常振动吹灰器区域的振动情况，采用精度为400 mV/g、型号为TG-1B的加速度传感器进行试验，试验锅炉蒸发量为220 t/h.采用数据采集卡NI USB-6128，采样时间为40 s，采样频率为1 000 Hz，通过积分计算获得其振动位移.振动位移测试点如图2所示.

图1　锅炉本体示意图

图2　测试点示意图

压力波动传感器的型号为CYG1406-10 kPa，采用半无限法[17]取压，采样频率为1 000 Hz，对炉内压力波动情况进行采样并进行快速傅里叶变换(Fast Fourier Transforms，FFT)分析.图3为压力波动频谱分析图.由图3可知，炉内压力波动频率f为0～15 Hz，炉内平均负压为100 Pa.图4为1号锅炉炉膛前墙刚性梁及吹灰器布置示意图.

图3　压力波动频谱分析图

2理论分析

2.1理论基础

根据动力学基本方程：

(1)

设某一质点的位移为x(t)，则式(1)可写为

图4　炉膛前墙刚性梁及吹灰器布置示意图

(2)

在分析中忽略阻尼力，炉壁可以认为是广义的单自由度体系，是大量质点的刚体集合.由于炉壁物理特征分布均匀，理论分析时可将面单元简化为均匀分布质量为m的杆单元，再进一步简化为一个有弹簧约束的质量块m0，吹灰器则认为是与系统紧密连接的集中质量块m1.设t时刻的位移为x(t)，则受力情况如图5所示.

图5　受力示意图

式(2)可简化为

(3)

该体系的固有频率为

(4)

以上分析结果表明，增大弹簧刚度系数k和减小质点质量m可以提高固有频率同时减小振动位移.

2.2改造方案

根据理论基础，针对原有改造经验以及现场施工可行性分析，进行数值模拟优化，提出了初步改造方案(见图6)：(1)利用拉杆连接安装吹灰器部位的水冷壁两层围带刚性梁，从而提高刚性梁的刚度，以提高炉墙整体刚度，同时拉杆可以调节拉力；(2)通过加装恒力弹簧吊架，将吹灰器的重量由恒力弹簧承担，恒力弹簧的固定点用槽钢安装在锅炉钢架上，将原本作用于炉墙上的吹灰器重量分散到钢架上，改善了炉墙的受力情况，去除集中质量块.

图6　改造方案示意图

2.3模拟分析

2.3.1模拟简介

为了检验改造方案的有效性，采用Ansys软件进行模拟分析.采用分块兰索斯(Block Lanczos)法进行模态分析，通过求解获得前墙固有频率；采用模态叠加(Mode Superpos'n)法[18]进行谐响应分析，求解并获得位移与频率关系的曲线.

在模拟过程中对前墙模型进行如下简化：

(1)在保证弯曲刚度不变的前提下，将水冷壁管炉墙简化为一维平板[19].简化公式如下：

(5)

(6)

(7)

(2)吹灰器简化成同质量的集中质量块.

(3)由于燃烧器区域(即图4中标高10 190～15 200 mm区域)未出现明显振动，在该区域刚性梁处设置法向约束[20].

(4)改造前吹灰器所在区域刚性梁不做法向约束，改造后对吹灰器所在区域刚性梁处进行法向约束[20]，以对比改造效果.

2.3.2模拟结果与分析

在Ansys软件模态分析中，读取前墙一阶和二阶模态，其振型显示在图7和图8中.由图7和图8可以看出，改造前前墙一阶、二阶固有频率较低，分别为5.11 Hz和6.01 Hz，均处于炉内压力波动频率0～15 Hz内，极易发生共振，对炉墙有严重危害，从而造成安全事故.对比改造前后模态分析结果，一阶、二阶固有频率分别提高了6.23倍和5.95倍，有效地避开了炉内压力波动频率范围，避免了强迫振动时共振的发生.

通过Ansys软件谐响应分析获得在炉内平均负压100 Pa作用下，图4中(1 000，18 550)、(6 265，19 600)和(7 500，18 550)3个测试点振动位移随压力波动频率的变化曲线如图9所示.

图7　一阶振型示意图

图8　二阶振型示意图

由图9(a)可以看出，改造前测试点1的最大振动位移为6.39 cm，测试点2的最大振动位移为1.95 cm，测试点3的最大振动位移为3.83 cm.由图9(b)可以看出，改造后测试点1的最大振动位移为1.02 cm，测试点2的最大振动位移为0.45 cm，测试点3的最大振动位移为0.60 cm.综上所述，通过改造测试点1、测试点2和测试点3的最大振动位移分别减小了84.0%、76.9%和84.3%，强迫振动下，炉墙系统共振频率有较大程度的提高.

模态分析和谐响应分析的结果表明，通过增设拉杆和分散吹灰器质量可以有效地提高锅炉炉墙的固有频率，减小炉墙振动位移，使锅炉正常运行.

3试验结果及分析

对加速度传感器采集结果进行积分计算后，获得测试点1、测试点2和测试点3的振动位移曲线(见图10).由图10可以看出，测试点1的振动位移可达5.1 cm， 而测试点2和测试点3的振动位移则相对较小，但振动位移也分别达到3.6 cm和2.4 cm.锅炉在该种状态下长期运行可能会造成连接松脱、焊缝开裂以及产生很大的噪声，严重时可使锅炉水冷壁疲劳破坏，造成较大的安全风险.

(a)改造前

(b)改造后

(a)测试点1

(b)测试点2

(c)测试点3

对比测试点1、测试点2和测试点3的振动位移，测试点1的振动位移明显大于其余2个测试点，这主要是由于测试点1处于两层刚性梁之间，该处无刚性梁布置，其刚度明显低于测试点2和测试点3.刚度低导致测试点1处固有频率偏低，在炉内气体扰动下，极易发生共振，造成较大程度的异常振动位移.同时由于集中质量块(吹灰器)的影响[11]，水冷壁固有频率有所下降，而吹灰器所受的力也直接作用于水冷壁上，导致该处振动加剧.测试点2和测试点3产生了肉眼可见的、厘米级的振动位移，表明由于设计或安装异常，刚性梁没有起到很好地提高炉墙刚度的作用，因而导致炉墙出现较严重的振动.

图11给出了改造后测试点1、测试点2和测试点3的振动位移.由图11可以看出，由于分散了吹灰器的质量，去除集中质量块的作用，测试点1的最大振动位移减小至3.1 cm；在原有刚性梁和改造拉杆的共同作用下，炉墙的刚度明显提高，使测试点2和测试点3的振动位移成功减小至毫米级，最大振动位移分别减小了75.0%和79.2%.采用拉杆提高刚度的方案，其施工简单且周期短，对锅炉运行没有影响，同时又能有效地解决炉墙的异常振动.

(a)测试点1

(b)测试点2

(c)测试点3

图12对比了各测试点模拟与实际测得的振幅减小率.由图12可以看出，测试点2和测试点3模拟结果与实际结果的拟合度较高，而由于测试点1所处位置的原因，其刚度较低，在测量时炉内实际运行的瞬态不稳定因素对其振幅影响较大，导致改造效果不如测试点2和测试点3，测试点1的最小振动位移减小了39.2%，且与模拟结果相差较大.在模拟过程中对模型进行了简化，所以模拟效果比实际效果更好.

图12　模拟与实际改造效果对比图

4结论

(1)通过拉杆连接两层刚性梁，可以有效地提高炉墙刚度和固有频率，结合悬吊吹灰器的方法，很大程度上减小了炉墙的振动位移，提高了锅炉运行安全性.

(2)测试点的模拟结果显示改造后最大可以减小84.3%的振动位移.现场实际改造后，测得最大可减小79.2%的振动位移，最小可减小39.2%的振动位移.

(3)采用简化假设，数值模拟结果可以指导现场改造的进行，为改造提供参考，同时实际改造结果也表明仿真模拟具有可靠性和实用性.

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Solutions for Abnormal Vibration Faults in Boiler Water Walls

ZHOUHao,ZHUGuodong,HUANGYan,WANGHengdong,ZHOUKang

(State Key Laboratory of Clean Energy Utilization, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China)

Abstract：To overcome the abnormal vibration faults frequently occurring in boiler water walls that may affect the safety operation of the boiler, vibration characteristics of a 60 MW boiler furnace were experimentally studied and numerically simulated with Ansys software, after which vibration suppression measures were proposed and implemented, such as adding pulling bars to enhance the stiffness of rigid beams, and hanging the soot blowers to reduce the concentrated mass, etc. In addition, inherent frequencies of boiler water walls before and after retrofit, and also the vibration displacement of each measuring point under circumstance of forced vibrations, were obtained via numerical simulation. Results show that the vibration displacement can be reduced by a maximum of 84.3% and 79.2% respectively in simulated scheme and actual measurement.

Key words：furnace wall vibration; modal analysis; forced vibration; on-site retrofit

收稿日期：2015-07-02

修订日期：2015-09-01

基金项目：国家重点基础研究发展计划资助项目(973计划)(2015CB251501)；国家科技支撑计划资助项目(2012BAA12B03)

作者简介：周昊(1973-)，男，江苏吴江人，教授，博士生导师，研究方向为煤的低污染优化燃烧技术. 电话(Tel.)：0571-87951598；

文章编号：1674-7607(2016)06-0436-06中图分类号：TK229.2

文献标志码：A学科分类号：470.30

E-mail: zhouhao@cmee.zju.edu.cn.