中压蒸汽过热器、焚烧炉蒸发器开工时振动原因分析

张小虎,李腾飞,由召举

(1.河南方圆工业炉设计制造有限公司，河南 洛阳 471133;2.中国石油化工股份有限公司洛阳分公司，河南 洛阳 471000)

1 加热炉概况

中压蒸汽过热器(0256-E-213)、焚烧炉蒸发器(0256-E-214)由烟气进口、方形壳体、蒸发段管束、过热段管束、烟气出口以及外部管道组成;蒸发段产生的饱和蒸汽通过蒸发段上部汽包蒸汽出口和制硫段燃烧炉汽包出口的饱和蒸汽汇合后，进入过热段管束;饱和蒸汽被过热段烟气加热后，产生过热蒸汽，经过减温减压后，进入中压蒸汽管网。中压蒸汽过热器、焚烧炉蒸发器结构见图1。

图1 加热炉结构

2 加热炉操作情况

2.1 烘炉、试开工阶段

中压蒸汽过热器、焚烧炉蒸发器于2020年7月在某项目现场正式开始烘炉、试开工。在试开工过程中，焚烧炉中烟气的温度最终达到设计工况的上限800℃并运行一定的时间。在焚烧炉升温过程中，车间工作人员反馈中压蒸汽过热器、焚烧炉蒸发器设备有一定的振感，设备内部有连续的轰鸣声，其设计制造单位(以下称方圆公司)当天派技术人员赶赴项目现场进行调查，并到中控操控室调取设备运行的温度、压力、燃料气流量、空气流量等各种参数，按照GB/T 151—1999附录E管束振动的计算方法核算了炉膛内的烟气在中压蒸汽过热器、焚烧炉蒸发器蛇形管、换热管之间和蛇形管、换热管进行对流传热时的流速，计算结果显示，烟气流速极低，在二级过热器换热管附近烟气流速最高为1.95 m/s，在蒸发段换热管附近烟气的流速为1.76 m/s。此外，还计算了中压蒸汽过热器、焚烧炉蒸发器的卡门漩涡频率/声频频率比值、紊流主频率/声频频率比值、卡门漩涡频率/固有频率比值、紊流主频率/固有频率比值，结果显示，比值均不在因烟气流动造成蛇形管、换热管诱发振动的范围之内，简言之，烟气流动不会造成蛇形管、换热管的振动。

由于中压蒸汽过热器、焚烧炉蒸发器和尾气焚烧炉以及尾气燃烧器是安装后焊接在一起，因此，尾气焚烧炉燃烧器厂家也同时派技术人员赶赴现场对设备振动原因进行协助分析。经燃烧器厂家技术人员指导，车间工作人员调整了燃烧器的操作参数:1)燃料气进入燃烧器的入口由开工燃料气入口切换为主燃料气入口;2)调整空气/燃料气的流量比例，将原流量比值调小。参数调整后，中压蒸汽过热器、焚烧炉蒸发器设备的振感明显下降，变得非常小;同时，通过优化燃烧，减少了次生振动源的振动。

结合中压蒸汽过热器、焚烧炉蒸发器进行烟气流体诱发振动计算的结果，以及与尾气焚烧炉相连的焚烧炉燃烧器中关于介质空气/燃料气的流量比例调整、主燃料气进气管路的切换操作后中压蒸汽过热器、焚烧炉蒸发器振动很快下降至正常值的情况，初步认为造成中压蒸汽过热器、焚烧炉蒸发器振动的主要原因是焚烧炉燃烧器的配风比例不恰当、燃料气进气管路没切换正确造成的。

2.2 开工阶段

中压蒸汽过热器、焚烧炉蒸发器于2021年6月开工，开工阶段发现中压蒸汽过热器、焚烧炉蒸发器还是有一定的振动，经车间工作人员反馈后，方圆公司于2021年6月7日和6月9日两次派技术人员赶赴现场，调查设备振动的原因，并测量了焚烧炉燃烧器、尾气焚烧炉、中压蒸汽过热器、焚烧炉蒸发器不同部位振动的振幅和频率数据。

燃料气为瓦斯气，减压阀后压力为0.28 MPa(表)，温度73.2℃，流量(标准状态)为391.5 m3/h(流量不稳定，数值也不停变化，该值为拍照时数据)，其介质组成如表1所示。

表1 瓦斯气组成(体积分数)

燃烧空气分为两路，一次风进燃烧器，流量(标准状态)为5 691.2 m3/h，压力为0.021 MPa(表)，温度为72.2℃;二次风进焚烧炉炉膛，流量(标准状态)为979.2 m3/h，压力为0.021 MPa(表)，温度为72.2℃。

尾气焚烧炉前端温度为825℃，炉膛中部温度为688.5℃，炉膛压力为0.002 MPa(表)。

焚烧炉蒸发器的上、下集箱中介质通过上升管、下降管和焚烧炉汽包相通，通过中控操作室的数据可以看出，焚烧炉汽包中还在进除氧水，流量为1 574.8 kg/h，汽包顶部蒸汽出口蒸汽为0 kg/h，说明焚烧炉蒸发器还未产生蒸汽，换热管中的水还在被烟气加热，远未达到饱和状态。

中压蒸汽过热器一级过热器入口管道中蒸汽量为17 828 kg/h(取平均值)，温度为224℃(设备顶部管道温度指示表读数)，压力为2.44 MPa(表);二级过热器出口管道中蒸汽温度为372.5℃，由减温减压器喷水1 027.3 kg/h后，管道中的介质温度降为222.7℃;进入三级过热器加热后，蒸汽温度为310℃，压力为2.386 MPa(表)，经消音器后全部放空。

根据上述参数值初步分析可知:1)一级过热器入口管道中介质处于饱和状态;2)二级过热器出口管道中蒸汽处于过热状态;3)蒸汽经减温减压器喷水管道中介质处于未饱和状态[注:在蒸汽压力按2.386 MPa(表)时，饱和汽、液状态温度为223.7℃];4)未饱和水进入三级过热器加热后，蒸汽处于过热状态。

静态分析结果显示:1)一级过热器、二级过热器中介质均为饱和、过热气体，介质无相态变化，通过计算分析可知，气体在蛇形管内流动不会产生振动;2)经减温减压器喷水后，未饱和介质进入三级过热器集箱和蛇形管，很快被烟气加热成饱和、过热蒸汽，但汽、液两相同时存在于集箱和蛇形管的时间极短，也不至于造成集箱、蛇形管的振动。另外，通过到中压蒸汽过热器设备顶部触摸三级过热器入口集箱和三级过热器出口集箱也可以发现，振感并不是很强烈，说明震源应该不是来自三级过热器。

动态分析结果显示:饱和蒸汽经过热器变为过热蒸汽的过程，是一个热力交换极其剧烈的过程，在开工阶段，烟气流量、流速、温度等一直在变化、升高，都会对过热器蛇形管产生影响，进而形成过热器管内蒸汽的脉动冲击。受此脉动冲击影响，换热管、蛇形管本身会产生一定的振动，但频率、振幅不会很大，属于正常。

2.3 燃烧器、尾气焚烧炉、中压蒸汽过热器、焚烧炉蒸发器振动振幅、频率测量分析

通过对尾气焚烧炉燃烧器、尾气焚烧炉、中压蒸汽过热器、焚烧炉蒸发器不同部位(一层平台的南侧、北侧，从一层平台向上高度约为1.5 m左右)进行振动振幅、频率测量，测量数据见表2。炉顶过热管道、炉顶横梁、消音器附近(均位于二层平台)振动振幅、频率测量数据见表3。测点位置标注示意(俯视)见图2。

图2 测点位置标注示意(俯视)

表3 炉顶过热管道、炉顶横梁、消音器附近(均位于二层平台)振动振幅、频率测量数据

分析表2测量数据发现，振幅较大的是一层平台梯子，其次是焚烧炉后端锥段，再次是燃烧器的燃料气进气管端。

表2 燃烧器、尾气焚烧炉、中压蒸汽过热器、焚烧炉蒸发器(均位于一层平台)振动振幅、频率测量数据

分析表3测量数据发现，振幅和频率最大的是二层平台角落上的消音器，振幅最大达到6 173 μm，振动频率最大为238.6 mm/s。消音器设计和现场安装图片分别见图3和图4。

图3 消音器设计

图4 消音器现场安装

结合表2、表3和图3、图4进行综合分析，初步判定造成中压蒸汽过热器、焚烧炉蒸发器平台梯子振动的原因如下:

1)在烘炉、开工阶段，由于烟气流量、温度一直在不断变化，过热器内产生的蒸汽还未达到输送至中压管网的温度和压力，需要通过消音器直接排空。大量的蒸汽通过消音器排空时，消音器在蒸汽冲击下，产生较强的振动，消音器下面的管道设计时未设置支撑，但在安装时，却在消音器管道下面安装了1个鞍座，用1个短钢管将消音器管道支撑在平台上，导致消音器的振动传导给平台钢结构，造成二层平台的震感远超中压蒸汽过热器、焚烧炉蒸发器本身的振动。

2)消音器位于二层平台的西北角，因此二层平台北侧的震感高于南侧。如表2所示第11组是一层平台南侧栏杆的测量数据，第15组是一层平台北侧栏杆的测量数据，通过二者对比可以看出，北侧的振幅大于南侧。

3 原设计工况、现在操作工况的结果分析

3.1 原设计工况

正常运行时，焚烧炉蒸发器换热管中除氧水被换热管外面的烟气加热，生成饱和蒸汽，换热管中存在汽、液两相同时存在的工况，水被加热至沸腾时，换热管本身会有轻微的震感。燃烧炉蒸发器产生的饱和蒸汽分两路，其中一路饱和蒸汽和焚烧炉蒸发器产生的饱和蒸汽混合后，进入中压蒸汽过热器一级过热器。对于中压蒸汽过热器蛇形管来说:一级过热器入口管中的介质是饱和的水蒸气，在经过一级过热器、二级过热器被管外的烟气加热后，需要通过减温减压器喷水降温，短时间存在汽、液两相的状态，之后再进入三级过热器的蛇形管，因此蛇形管也会存在轻微的振动情况。正常运行工况下，过热蒸汽通过三级过热器出口管道进入炼油厂的中压管网，不再经消音器排空，因此设备平台不会出现因消音器振动造成的连带振动情况。

3.2 现在操作工况

由2.3节中对振动原因的分析可知，二层平台的震感远超中压蒸汽过热器、焚烧炉蒸发器本身的振动。蒸发器换热管内的水在被加热过程中局部汽化出现相变，使流动状态发生振动性变化会引发热交换噪声;过热器管路中饱和蒸汽被加热过程中，换热管、蛇形管本身也会产生一定的振动。此外，如果燃烧器调节操作不当，如空气流量/瓦斯气流量比例调节过大或过小，也会造成炉子本身的振动。以上多种因素叠加，造成现在中压蒸汽过热器及平台梯子的振动，其中由于消音器振动引起平台的振动因素占比应该最大。

4 建议

针对上述中压蒸汽过热器、焚烧炉蒸发器开工时产生振动的原因，建议采取如下措施:

1)过热器管道上的消音器下面建议增加减振措施或直接将其支撑在地面上，避免或减少以后在开工、停炉阶段，蒸汽需经过消音器排空时，因消音器振动传导至平台钢结构而造成钢结构平台、栏杆的振动;

2)在开工、停炉阶段，焚烧炉燃烧器进空气/瓦斯的流速比例建议参照燃烧器设计厂家的调节范围调整，开工燃料气和主燃料气进气口的切换要及时，排除因燃烧器进气管路的因素造成的设备振动;

3)一级过热器入口集箱下部设有排凝口，并安装有阀门，需经常排凝，将饱和蒸汽管道的水尽量排净，减少两相流的存在以及水击的可能，避免因两相流、水击引起管束的振动。