低温省煤器及MGGH振动原因分析与消振措施

李 健， 秦松波

(1. 上海发电设备成套设计研究院有限责任公司， 上海 200240； 2. 上海吴泾第二发电有限责任公司， 上海 200241)

运行与改造

低温省煤器及MGGH振动原因分析与消振措施

李 健1， 秦松波2

(1. 上海发电设备成套设计研究院有限责任公司， 上海 200240； 2. 上海吴泾第二发电有限责任公司， 上海 200241)

针对火电机组中低温省煤器及MGGH烟气换热器出现的振动问题，进行了深入的测试分析。结果表明：低温省煤器与MGGH烟气换热器振动的原因为烟气流速过高或来流不均引起的卡门涡街的脱落频率与烟道声学驻波频率相近导致共振。通过在适当位置增加防振板和导流板，能够有效地消除振动问题。

低温省煤器； MGGH； 卡门涡街； 声学驻波频率； 振动

余热利用是电站节能环保的重要手段，回收余热对我国电站实现节能减排和环保发展战略具有重要意义[1]。近年来，随着国家节能、环保要求的不断提高，烟气余热深度利用已经在全国电厂得到广泛推广。目前主要的利用方式为加装低温省煤器或MGGH系统，多数机组运行状态较好，但是其中一些低温省煤器及MGGH烟气换热器出现了振动问题，严重影响机组安全。因此有必要对该振动问题进行试验研究，找出振动原因，并提出可靠的消振措施。

1 振动情况

某电厂2台350 MW进口燃煤机组于2014年7月机组大修期间，在静电除尘器入口水平烟道安装了低温省煤器，利用凝结水回收烟气热量，并将静电除尘器入口烟气温度冷却到93 ℃，以达到低低温除尘器的工作烟气温度要求。2014年9月初投入运行后，低温省煤器烟道在机组负荷超过325 MW时发生强烈振动，烟道出现明显晃动，测得烟道壁面振动烈度最大超过50 mm/s，机组被迫降低负荷运行。

每台锅炉配有2套低温省煤器，换热管采用螺旋形翅片管，顺排布置。换热管外径为45 mm，低温省煤器本体烟道截面宽度为9 m，高度为5.136 m。

2 振动数据采集与分析

锅炉尾部烟道管式换热器发生振动，通常是由于换热管绕流脱落频率与烟道声学驻波频率接近时“卡门涡街会激起气柱的振动”，即发生共振，见图1。

图1 卡门涡街会激起气柱的振动示意图

螺旋翅片管具有换热面积大、流场均匀等特点，在低温省煤器及MGGH中被广泛使用。同时，螺旋翅片具有消除、减少绕流脱落的作用，是消除卡门涡街脱落频率与声学固有频率共振的一种手段，一般不会产生脱落频率与声学驻波频率共振的现象。但是该螺旋翅片管式低温省煤器依然出现了振动现象。

在低温省煤器剧烈振动时，使用爱默生S2130振动测量仪对两侧低温省煤器区域烟道壁面多个位置、不同时间进行振动频谱采集与测量，典型频率见图2。

图2 烟道振动频谱图

从采集的频谱分析，振幅和测试时间虽然不同，但最大振动分量的频率是不变的，约为38 Hz。

同时，运行过程还发现：当机组负荷缓慢增加时，即使到满负荷时，低温省煤器也不会发生振动或振动不剧烈；而当机组快速增加负荷时，超过325 MW就会发生强烈振动。因此，使用TK2000电量录波仪和高灵敏度专用压力传感器，通过烟道烟气测量孔对低温省煤器入口及内部烟气压力波形进行测量，记录机组负荷约为330 MW时1 s内的波形图进行分析。

图3为不振动时低温省煤器进口的波形图，图4为不振动时低温省煤器内部的波形图，图5为振动时低温省煤器进口波形图，图6为振动时低温省煤器中部波形图。

图3 不振动时低温省煤器进口波形图

图4 不振动时低温省煤器内部波形图

图5 振动时低温省煤器进口波形图

图6 振动时低温省煤器中部波形图

从图3、图4、图5、图6可以看出：低温省煤器内部气流振动频率与烟道壁面振动频率完全一致，且低温省煤器内部气流振动比进口更为剧烈。该现象符合漩涡脱落频率与声学驻波频率共振，因此对脱落频率和声学驻波频率进行计算。

当机组负荷变化时，烟气温度和烟气流速发生变化，烟道的声学驻波频率发生变化。烟道声学驻波频率的简化计算公式为[2]：

(1)

式中：fn为n次谐波的驻波频率；n=1，2，3，当n=1时为固有频率；T为烟道内绝对温度，K；L为烟道壁面距离，m。

在325 MW负荷下，T取低温省煤器进出口平均烟温，约为383 K，L=5.136 m，计算得出fn=38.1 Hz，与测量值吻合。

在325 MW负荷下，对低温省煤器进口烟气流速分布进行了测量，A1～A5为宽度方向测点，1～8为高度方向测点(见表1)。

表1 振动时低温省煤器进口烟气流速分布 m/s

卡门涡街的脱落频率

f=Sr(v/d)

(2)

式中：当Re大于1 000时，Sr近似于常数值(0.21)；v为绕流速度，m/s；d为管外径，m，等于0.045 m。计算得出脱落频率f主要在37～42 Hz，一般来说当脱落频率接近驻波的某阶谐波上下20%以内，容易发生声学振动[3]，因此可以判断低温省煤器的振动是漩涡脱落频率与声学驻波频率共振造成的。

由于当机组负荷缓慢增加时，即使到满负荷时，低温省煤器也不会发生振动或振动不剧烈，说明除了烟气流速之外的其他因素也是引起共振的原因，因此在同样负荷下，分别在振动时和不振动时，对低温省煤器烟气来流波形进行测量。

图7为不振动时空气预热器出口波形图，图8为振动时空气预热器出口波形图。

图7 不振动时空气预热器出口波形图

图8 振动时空气预热器出口波形图

从图7和图8中可以看出：振动时空气预热器出口烟气波动频率同低温省煤器振动频率相同，说明低温省煤器振动时产生的压力波可能对前方流场造成影响，为了避免这种影响，在炉内省煤器出口继续进行测量。

图9为不振动时炉内省煤器出口波形图，图10为振动时炉内省煤器出口波形图。

图9 不振动时炉内省煤器出口波形图

图10 振动时炉内省煤器出口波形图

从图9和图10可以看出：烟气波动频率明显不同于后方流场波动频率，说明后方流场的影响已经可以忽略，同时振动时前方烟气来流的振幅明显大于不振动时，说明前方来流的振幅也是引起换热管绕流脱落从而引起声学共振的原因之一。

3 消振措施

为了消除低温省煤器振动，在低温省煤器管束区中部水平方向加装防振隔板，使烟道声学驻波频率加倍，并在低温省煤器前方烟道水平方向和垂直方向都安装导流板(见图11)，减少前方气流的扰动。进行上述措施后，低温省煤器在机组任何负荷下振动烈度不大于1 mm/s。

4 应用实例

某600 MW燃煤机组进行MGGH改造后，脱硫塔后烟气换热器出现剧烈振动。换热管采用螺旋形翅片管，顺排布置。低温省煤器长度为12 m、高度为13 m，换热管外径为42 mm。图12为不振动时MGGH内部波形图，图13为振动时MGGH内部波形图。

图12 不振动时MGGH内部波形图

图13 振动时MGGH内部波形图

通过波形图可以看出振动的主频约为40 Hz。入口烟温约为50 ℃，计算得出fn=13.8 Hz，3倍频为41.5 Hz，设计流速在7～9 m/s，卡门涡街脱落频率f在35～45 Hz。

由于烟气换热器前烟道不易安装导流板，为了确保不再发生振动，在烟气换热器水平方向安装9层防振隔板，将烟道分为10等分(见图14)。安装防振隔板后，MGGH烟气换热器不再发生振动。

图14 防振隔板安装位置图

5 结语

通过对该电厂实测数据的分析可知，螺旋翅片管式低温省煤器或MGGH换热器在一定条件下也会发生漩涡脱落频率与声学驻波频率共振的现象，影响该共振产生的条件包括烟气流速、烟气温度、低温省煤器烟道截面距离、烟气来流振幅大小等。通过改变烟道截面距离、减小烟气来流振幅大小，能够有效地消除低温省煤器的振动问题，对今后同类型低温省煤器的设计和安全运行具有很大的借鉴意义。同时，通过烟气波形记录与理论计算相结合的方法，能够准确地找出振动原因，为今后出现的类似问题找到了一条可行的解决途径。

[1] 徐钢, 许诚, 杨勇平, 等. 电站锅炉余热深度利用及尾部受热面综合优化[J]. 中国电机工程学报, 2013, 33(14): 1-8, 15.

[2] 吴柏杨. 大型电站锅炉尾部烟道声学振动机理及消振措施[J]. 锅炉技术, 2000, 31(10): 23-25.

[3] 魏新华. 大型电站锅炉尾部烟道的声学振动[J]. 锅炉技术, 1993, 24(1): 1-10.

CauseAnalysisandCountermeasuresforVibrationofaLow-temperatureEconomizerandMGGH

Li Jian1, Qin Songbo2

(1. Shanghai Power Equipment Research Institute Co., Ltd., Shanghai 200240, China; 2. Shanghai Wujing No.2 Power Generation Co., Ltd., Shanghai 200241, China)

To solve the vibration problems occurring in low-temperature economizer and MGGH of a thermal power plant, deep testing and analysis were conducted. Results show that the vibration is found to be caused by the resonance due to the shedding frequency of Karman vortex resulted from too high or uneven flue gas flow being approximate to the frequency of standing acoustic waves of the flue duct. Above problems could be solved by adding shock plates and baffle plates at appropriate locations.

low temperature economizer; MGGH; Karman vortex; standing acoustic wave; vibration

2017-03-01；

2017-08-16

李 健(1987—)，男，工程师，主要从事电站节能、余热利用与系统集成、污染物减排等方面的研究。E-mail: lijian@speri.com.cn

TK223.33

A

1671-086X(2017)06-0438-04