电站锅炉炉墙异常振动的分析及建议

摘要：通过对某锅炉炉墙异常振动的调研和分析，确定了炉墙振动的主要原因是卡门涡流的声学共振及烟道刚性下降。卡门涡流的脱落频率与管束间烟气柱声学驻波的固有频率耦合，激发起烟气柱发生强烈的自激振动，加之烟道阻尼器老化，烟道刚性降低，继而引起尾部烟道的振动。阐述了卡门涡街门涡流频率和低温过热器管束间驻波频率的计算方法，并提出了防止炉墙振动的措施。

关键词：炉墙;振动;卡门涡街;烟道驻波;声学共振

1.概述

某锅炉为东方锅炉厂DG1900/25.4-Ⅱ1型超临界参数、变压、直流、本生型锅炉，其尾部竖井烟道前侧为再热烟道，后侧为过热烟道，分别通过各自的烟气挡板调节汽温。该机组在提高负荷至近600MW工况时，竖井烟道右后侧处炉管泄漏测点频繁报警，经过现场查看，发现此处炉墙振动大。

国际上对炉墙振动的研究始于20世纪50年代，早期遇到的是由karman（卡门）涡流所引起的振动，解决这方面的振动在理论和实践方面取得了显著的成效，并且设计阶段就加以考虑。上世纪70年代至今，炉墙振动研究已转向燃烧方面，主要在控制燃烧的稳定性方面取得了某些进展，但距理论上解决还有相当距离。国内在上世纪60年代就曾解决过由于流体流经管束而引起的锅炉振动问题。

振动产生的危害非常大，对锅炉的钢性梁等构件会产生较大的疲劳应力，同时对炉内的受热面也会带来破坏应力，严重时会造成爆管。

2.案例问题分析

2.130号炉管泄漏报警装置误报

查询历史曲线发现，自2020年4月19日3号锅炉检修完成启动至8月10日，机组负荷很少高于500MW，30号炉管泄漏测点每天10：00左右即出现瞬时报警。

经查询历史曲线，30号炉管泄漏测点吹灰时间关系相关性较强，分析发现，30号炉管泄漏出现报警与此处吹灰时间吻合，且该测点与吹灰器距离较近，不足0.5m，而其他测点与吹灰器距离较远，且极少出现报警现象。而报警与负荷等其他因素无相关性，另外经核实补水量无明显变化，不存在炉管泄漏，因此认为该测点炉管泄漏报警是由于吹灰振动所致的误报。

2.2声学共振

自8月10日起，3号锅炉负荷率大幅提高，当机组负荷升至600MW时，竖井烟道后侧区域的29、30、31、34号炉管泄漏测点频繁报警，其中位于右侧的30、32号测点尤为剧烈，且经核实炉管无泄漏，依然为振动引起的误报。现场查看发现竖井烟道右侧墙有明显振动，且伴有低沉的噪音，负荷降低或者降低过热器烟气挡板开度后振动消除。炉管泄漏测点报警与负荷关系历史曲线如图1所示。

图1炉管泄漏测点与负荷关系历史曲线

当负荷较高时，烟气量增大，锅炉过热器烟气挡板开大，过热器侧的烟气流速较大，再热器侧的烟气流速较小，此时烟气流经低温过热器水平段管排产生卡门涡流，这些漩涡交替地从管子两侧脱落，脱落频率与来流

速度成正比。当管束中卡门涡流的脱落频率与管束间烟气柱声学驻波的固有频率耦合，就会激发起烟气柱发生强烈的自激振动，加之烟道阻尼器老化，烟道刚性降低，继而引起尾部烟道的振动。此外，600MW负荷下调节烟气挡，减小过热侧的烟气量和流速，振动消除，同样说明该振动与烟气流速有关。

2.3振动的计算

（1）卡门涡流频率

卡门涡流脱落频率f的计算式为：

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ൌ

式中，u为烟气速度（m/s）;d为受热面管子外径（m）;S为Strouhal数，是一个与雷诺数有关的无因次量。

设管排的纵向节距为L，横向节距为T，则顺列管排的S为：

3618

（2）低溫过热器管束间驻波频率

周期和振幅相同的波向顺列管束间传播时互相干涉，形成驻波。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。

假如低温过热器所在烟道内存在驻波，则其波长和烟道宽度W之间必然有一定的关系，基波（一阶谐波）波长是烟道宽度的两倍;二阶谐波波长等于烟道宽度;三阶谐波波长为烟道宽度的2/3……驻波频率fz计算公式为：

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式中，c为某一温度下烟气介质中的声速;n=1，2，3……;W为烟道宽度。

某一温度下的声速可由下式求出：

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式中，烟气绝热指数K=1.333;烟气气体常数R=276J/kg·K;T为气体热力学温度。

3.结论建议

通过分析，初步认为该锅炉竖井烟道右侧墙振动的原因为烟道刚性下降及声学共振，需进一步对振动进行频谱分析。为此建议如下：

（1）进行现场测试，对振动进行频谱分析，计算出共振频率，找出振动位置，进行增加隔板等改造，消除振动。

（2）对振动位置的烟道阻尼器维护更换或者加固烟道，提高烟道刚性。

（3）调节竖井烟道烟气挡板，改变流经过热器烟气流速，避开共振。

作者简介：赵瑞松（1988-04），男，汉族，河南郑州，工程师，硕士，中国大唐集团科学技术研究院有限公司中南电力试验研究院（大唐中南电力试验研究院），研究方向：电站锅炉节能及环保。