燃气锅炉烟风系统振动和噪声的分析及优化设计

申 政

(太原市热力设计有限公司，山西 太原 030024)

1 概述

某热源厂二期工程装机2台116 MW燃气热水锅炉及其附属设施，为2019年开工建设的工程，也是当年建设当年投运的热源项目。二期工程投运后，锅炉负荷达到80%以上时，尤其是烟气再循环系统启动后，锅炉系统的风道、烟道、燃烧器、燃烧器阀组和锅炉后墙噪声大、振动明显，经现场实际测试，炉体1 m范围内噪声达到 85 dB～90 dB，锅炉房外1 m达到70 dB～75 dB。

本文结合热源厂“煤改气”工程实例，对燃气锅炉高负荷运行工况下锅炉本体及烟、风道系统的振动和噪声问题进行探讨。

2 锅炉系统振动原因分析

锅炉正常运行时，需连续的将燃烧所需的空气送入炉膛，并将燃烧烟气排送至大气，连续送风和排出燃烧产物的过程即是锅炉的通风过程。本工程为大型高温燃气热水锅炉，采用机械通风的正压通风方式，在锅炉烟、风系统中只装设送风机，利用送风机出口压头来克服全部烟、风道阻力。

本工程为保证氮氧化物NOx≤30 mg/Nm3，实现超低排放，采用扩散式燃烧火焰，燃料与空气在锅炉炉膛中边混合边燃烧，即FGR烟气再循环低氮燃烧技术，贫燃燃烧以降低火焰温度，进而减小氮氧化物的生成量，实现低氮排放。

锅炉鼓风机进口冷空气通过空气热交换器预热后，与部分烟气混合进入燃烧器，在炉膛燃烧后依次通过对流管束、一网节能器、二网冷凝器及烟气热交换器等设备进行换热，然后进入烟囱排入大气。由于工程受场地既有框架结构的限制，锅炉本体至烟囱和吸风口至燃烧器之间，出现多个转角弯头和变径等异形管件。烟、风系统由薄钢板和支撑杆焊接而成，所以烟、风系统强度和刚度较差，而且由于吸风量和燃烧产生的烟气量大，气流速较快，在通过换热面、转角和变径时就会产生涡流，引起烟道系统的振动和产生噪声[1]。

锅炉本体和烟、风系统振动与噪声是燃气锅炉常见的问题。根据现场烟、风管道系统结构特点，结合现场运行的测试结果，对锅炉的炉体和烟、风系统的振动原因进行分析，主要由以下原因引起。

2.1 气流不均匀引起的振动

由于本工程为既有锅炉房“煤改气”项目，利用既有锅炉厂房进行设备布置，烟、风系统在既有厂房内走向设置复杂，通过多个变径异形管道、弯头和空气热交换器的管束，将多个设备连通。当气流流过异形结构管路和管束时，会出现断面流速分布不均匀的现象，由于在弯头和异形变径处内压与外压不同，使得内、外侧气流速度不同，气流出现双螺旋流形式的二次流和在弯头前后岀现局部的涡流区。一方面，不均匀的气流分布会导致风机叶轮在不均匀的气流中工作，从而引起通过叶轮后气流的脉动。另一方面，当气流流过具有较大扩张角的烟道时，会在有扩张角的壁面附近形成旋涡，旋涡中有一个低压区，旋涡的不断发生和脱落会使和流体接触的固体壁面受到交变力的作用，从而产生噪声和振动[2]。通过现场进行的运行测试分析，锅炉的振动和噪声具体表现如下：

1)随着锅炉运行负荷增加，氮氧化物排放指标NOx>30 mg/Nm3，为保证均衡燃烧、降低火焰温度，保持低氮排放，则启动烟气再循环系统。随着再循环烟气混入风道后，由于现场安装空间受限，设计中未使用混风箱，因此混合段较短，造成与冷风混合不均匀进入到两台燃烧器内的烟气量存在一定偏差，导致风道内气流分布不均匀，形成涡流出现振动现象[3]。进而影响了燃烧器正常调试和出力。原设计图见图1。

2)随着锅炉运行从低负荷到高负荷，鼓风机频率逐步升高，通风量逐渐增大，冷风通过空气热交换器管束由于气流不均匀或气流流速过大，因而造成鼓风机出口至空气热交换器振动频率和噪声明显的增大。

3)随着锅炉运行负荷增大，烟气量增大，烟气通过烟道流速也明显增大，烟气气流在炉膛尾部转弯时形成的涡流越发明显，因而锅炉高负荷运行时会造成后炉墙模式壁振动明显，形成锅炉本体的喘振。

4)从锅炉低负荷运行到高负荷调整过程中尾部烟道振动频率和噪声大幅增大，随着运行负荷增大，烟气流速也随之增大，而尾部烟道由异形变为规则烟道，并未进行明显的缩径，主要由于尾部烟道气流未进行合理的导流设置，因而在烟道内形成了涡流，影响到锅炉正常烟气流动，烟气的波动造成了锅炉的尾部烟道的振动。

2.2 锅炉大负荷运行时炉体振动分析

1)炉体振动源主要是燃烧器喷射脉动火焰在炉膛内形成震荡性气流，造成炉膛膜式水冷壁的大幅震动，其火焰的稳定性决定了炉体震动的大小。

2)燃烧器稳定性调试存在一定问题，由于锅炉急于进行能效测试，匆忙提升至大负荷，燃烧器调试时间过短，没能很好的对大负荷燃烧进行稳定性调整。

2.3 锅炉运行噪声高分析

1)高压燃气管道及阀组在大流量燃气通过时形成啸叫，造成锅炉房整体高频噪声高。

2)炉膛内火焰运行稳定性差，火焰轰鸣声造成炉体低频噪声高。

3)炉体及烟道内烟气流动形成喘振，进一步放大了低频噪声。

2.4 烟、风道强度不足引起的振动

烟、风道由4 mm薄钢板焊接而成，大截面的烟、风道往往存在强度和刚度过低的问题，因此需要在烟、风道内侧加装加固肋片对其进行加固。目前烟、风道的加固以外侧加装横肋为主，管道内侧加装内撑杆承担内外荷载的布局设计方案[4]。根据现场情况，部分烟道和风道管件连接安装时加固肋片不足，导致强度不够，引起局部振动。

3 锅炉烟、风系统振动消除的优化设计

通过对锅炉本体和烟、风道系统振动与噪声源的分析，并对烟、风道系统部分阶段进行校核计算，同时结合设计方案和其结构特点，对部分烟、风道结构进行改造，采取相应改造调整措施。

3.1 鼓风机出口至空气热交换器的风道优化设计

为解决本工程鼓风机出口至空气热交换器风管段随着锅炉负荷增大而振动频率和噪声明显增大的问题，首先对标准风道流速和冷风冲刷空气热交换器管束流速进行校核，以确定是否由于局部流速过大造成了振动原因。

冷风通过空气热交换器的流速v：

v=V/(3 600F)。

其中，V为每小时的空气流量，m3/h；F为风道有效截面积。

冷风冲刷空气热交换器管束时的有效截面积F:

其中，a，b均为风管横截面的净尺寸，m；n为空气热交换器并联管的数量；dw为管束单管外径，m。

本工程鼓风机额定风量135 000 m3/h，通过上述校核计算，对本工程标准风道流速和冷风冲刷空气热交换器管束流速对比如表1所示。

表1 标准风道和冷风冲刷空气热交换器管束的流速对比

根据上述计算结果对比可知，为尽可能减小燃气锅炉烟、风管道阻力，本工程在原方案设计时即考虑了风速过大造成的阻力过大，进而造成不节能和振动、噪声问题。因而造成鼓风机出口至空气热交换器风管段随着锅炉负荷增大而振动频率和噪声明显增大的原因并非由于风速过大引起，而是由于鼓风机出口的异形结构管件至空气热交换器气流不均匀，造成局部形成涡流现象而引起振动。

针对上述振动问题，通过在鼓风机出口位置异形结构管件和空气热交换器弯管位置分别增设倒流板，尽可能使得气流快速趋于平稳流动，可有效减少风道冷风冲刷空气热交换器管束时造成的局部涡流现象，并对风道结构进行了密封和加固处理，从而使得鼓风机出口至空气热交换器风管段振动明显下降。

3.2 再循环烟道和风道连接处的优化设计

再循环烟气混入风道后，原设计由于安装空间受限未使用混风箱，混合段较短，造成烟气与冷风混合不均匀，因而进入到两台燃烧器内的烟气量也存在一定偏差，导致风道内气流分布不均匀，形成涡流出现振动现象，进而影响了燃烧器正常调试和出力。

为再循环烟气混入风道不均匀问题，采用增大进入燃烧器前的风道容器，形成静压箱结构，再将再循环烟道分两部分插入风箱中，其烟道上开孔与鼓风机出风均匀混合后，再进入上升的垂直风道，进入燃烧器，见图2。

沿风道宽度截面插入两个烟道，烟道板面上开孔面积与烟气截面等同，如图3所示。

按上述方案进行改造后形成了混风箱，再循环烟气通过烟道板面小孔进入风道，与冷风进行充分混合，形成分布均匀的气流，有效解决了再循环烟气与冷风混合不均匀进入到两台燃烧器内的烟气量而引起的涡流出现振动现象，进而保证了两台燃烧器的正常调试和出力。

3.3 锅炉大负荷运行时炉体振动问题的解决

结合上述优化方案改造后，随着燃气锅炉在高负荷运行时期，启动烟气再循环系统，再循环烟气与冷风混合均匀后分别进入到两台燃烧器。经过燃烧器厂家重新调整校核燃烧器，保持火焰的连续燃烧，减少了火焰脉动性，基本达到了燃烧稳定运行的要求。

锅炉本体的喘振随着锅炉运行负荷从低到高越发明显的现象，经过分析研究，主要原因由于烟气气流在炉膛尾部转弯时形成了涡流而引起的。运行负荷越高，涡流现象越严重，后炉墙模式壁振动明显，锅炉本体的喘振现象也越突显。结合现状结构形式，对炉体结构进行整改，增加炉膛后墙与左侧墙的导流膜式壁，以避免在该角落形成烟气涡流。经过改造后运行试验，证明能够有效降低后墙的振动量，具体结构优化设计改造见图4。

烟气从锅炉尾部进入不规则烟道，烟道由不规则通过变径和转弯变为规则烟道，烟气随着运行负荷增大，流速也随之增大，烟气容易在变径和转弯处形成涡流，造成锅炉的尾部烟道的振动。在锅炉本体出口即尾部烟道异形结构向规则改变位置和转弯处分别增加了3片导流板，有效避免了烟道内形成涡流现象。同时，也在节能器之后的烟道转弯位置增设了导流板，保障了烟气气流的平稳流动。

3.4 锅炉运行噪声高问题的解决

1)针对炉前燃气管道和阀组高流量时的啸叫噪声进行了整改，整个方案是将燃气管道增大一个口径，可降低燃气管道的燃气流速，进而有效减小了炉前燃气管道和阀组啸叫的噪声。

2)针对炉膛内火焰轰鸣噪声，通过优化设计再循环烟道与风道，将再循环烟气和冷风均匀的气流，同时通过对燃烧器稳定燃烧调试以后，有效提高了火焰燃烧稳定性，炉膛内火焰轰鸣噪声明显降低。

3)针对锅炉高负荷运行时，冷风通过鼓风机出口、空气热交换器至弯管位置噪声问题，通过在鼓风机出口位置异形结构管件和空气热交换器弯管位置分别增设倒流板，尽可能使得气流快速趋于平稳流动，较少风道冷风冲刷空气热交换器管束时造成的局部涡流现象，并对风道结构进行了密封和加固处理。经过上述优化调整后，风道振动减小的同时噪声明显下降。

4)针对炉体尾部烟道喘振的噪声问题，通过上述在尾部烟道异形结构向规则改变位置和转弯处分别增设导流板，有效避免了烟道内形成涡流现象，并对烟道结构进行了密封和加固处理，炉体尾部烟道喘振的噪声也得以明显下降。

4 改造效果和结论

通过上述优化设计方案对燃气锅炉的烟、风系统和锅炉本体进行优化设计改造调整，通过2020—2021和2021—2022两个采暖季现场实测，锅炉负荷达到80%以上时，同时启动烟气再循环系统，风道、烟道、燃烧器、燃烧器阀组和锅炉后墙振动与噪声明显降低，炉体1 m范围内噪声为62 dB～65 dB，较优化改造以前降低27%，锅炉房外1 m为50 dB～53 dB，较优化改造以前降低29%，取得良好的改造效果，达到了设计要求。