管式空气预热器振动的原因分析及处理

管式空气预热器振动的原因分析及处理

一、前言

茂名热电厂建于1958年，锅炉设备为两台220t/h和两台410t/h 的燃油锅炉，到了20世纪末，油价不断上升，为了降低发电成本，茂名热电厂发展水煤浆应用技术，以煤代油，推广洁净燃料水煤浆燃料。于2001～2002年先后把两台220t/h燃油炉改为燃水煤浆、油两用炉，成为国家级水煤浆燃烧发电的示范基地。于2004年，又把#3炉为WGZ410/100-3型燃油炉改烧水煤浆，为保证锅炉的出力，进行了锅炉炉膛扩容，降低炉膛热负荷等技术改造，尾部回转式预热器改为管式预热器。炉改安装施工完，进行了锅炉的风压和冷态试验，在试验过程中，当送风机的调节档板开到40%时，管式空气预热及其入口风道出现了较为剧烈的振动，风机无法继续升负荷。随着送风机负荷的升高，管式空气预热器振动加剧，被迫进行管式空气预热器防振改造处理。

二、原因分析

本次改造的管式空气预热器结构布置分为高、低温两级，低温段又分为上、下两段，均采用错列光管束立式布置。预热器剧烈振动时，甲、乙两侧送风机调节档板开度35%，甲送风机：电流41.9A，风机出口压力1810Pa，风量18万立方米；乙送风机：电流37.2A，风机出口压力1087Pa，风量15万立方米。根据现试运情况及测试数据，振动剧烈，振动声音很大。

在管式空气预热器中，当汽流横向绕流管束时，卡门涡街的交替

脱落会引起风声响效应，因为卡门涡流的交替脱落会引起空气预热器中气柱的振动。当漩涡的脱落频率与管箱的声学驻波振动频率相重合时，会诱发强烈的管箱声学驻波振动，产生很大的噪声，造成空气预热器管箱的激烈振动。

卡门涡流频率

fK=StV/d

式中：St———斯特罗哈数

V———空气进入空预器速度

D———管子的直径

气室固有频率

fc=

式中：C———谐波的阶次

T———气流平均温度

L———气室宽度

当C=1时，气室固有频率称为基本频率，以f表示。

管式空气预热器的声学共振过程是锅炉机组升负荷时，卡门涡流频率逐渐接近于气室固有频率，首先在锅炉低负荷时可能重合，由于激发能还不足以产生强烈的振动，随着锅炉负荷的增加，使空气预热器产生强烈的振动，并发出噪声，导致于设备疲惫破坏和锅炉机组被迫被迫降负荷运行。由于气流振动是多阶次的，卡门涡流频率和气室固有频率可能在一次阶波上重合，也可能在较高阶波上重合。

三、处理方法

管式空气预热器的声学共振的消除方法一般有下述三种：

方法一：圆管改为流线型或螺旋肋片式管子，消除卡门涡流效应。这将引起制造成本等一系问题。

方法二：改变管子节距，使St系数增或减，从而改变卡门涡流频率。实际难以实现。

方法三：提高气室固有频率，加装消振隔板将气室分成几个空腔，提高振风量，避免声学共振。

根据茂名热电厂家#3炉安装情况，采用方法三是简易可行的。

管式空气预热的防振设计是按照气室的固有频率的基本频率在所有的锅炉负荷内都大于卡门涡流频率来选择气室的宽度。故管式空气预热器的防振必要条件为：

fc＞m.·fk

式中：fc———气室固有频率

fk———卡门涡流频率

m———储备系数，错列管束，取1.5。

1.现低温段下部管箱为错列布置：查得St=0.5

进入空预器速度V=7.3m/s

管子的直径d=0.04m

则：fk=0.5×7.3／0.04=91.25

m·fk=1.5×91.25=136.88

管箱宽度L=5.96m

管箱进口处：T1=273+25=298K

f1===28.96

管箱出口处：T2=273+105=378K

f2===32.62

根据以上计算，所有管箱单元均未满足管式空气预热器振动必要条件fc＞m·fk，故应加装防振隔板，将气室分成几个腔，以提高气室的固有频率。

若加装隔板数为n，则应满足·f＞m·fk=136.88

对管箱进口：n1＞m·fk／f1－1=136.88／28.96－1=3.72

对管箱出口：n2＞m·fk／f2－1=136.88／32.62－1=3.19 为确保管式空气预热器的防振必要条件fc＞m·fk，采用n=5；即低温段下部两组多加装防振板5块，加装隔板须取掉部分钢管，排烟温度有所提高，经计算会造成锅炉效率下降0.03%，影响较小。

1.现低温段上部管箱为错列布置：查得St=0.5

进入空预器速度V=5.9m／s

管子的直径d=0.04m

则fk=0.5×5.9／0.04=73.75

m·fk=1.5×73.75=110.63

管箱宽度：L=5.96m

管箱进口处：T1=273+105=378K

f1===32.62

管箱出口处：T2=273+183=456K

f2===35.83

根据以上计算，所有管箱单元均未满足管式预热器的防振必要条件fc＞m·fk，故应加装防振板，将气室分几个腔，以提高气室的固有频率。

若加装隔板数为n，则应满足·f＞m·fk=110.63

对管箱进口：n1＞m·fk／f1－1＝110.63／32.62－1＝2.39

对管箱出口：n2＞m·fk／f2－1=110.63／35.83－1=2.09（取整数为3）为确保管式空气预热器的防振必要条件fc＞m·fk，采用n=3，即低温段上部管箱加装防振隔板3块。

2.高温段管箱为错列布置；查得St=0.5

进入空预热速度v=8.1m／s

管子的直径d=0.04m

则fk=0.5×8.1／0.04=101.25

m·fk=1.5×101.25=151.88

管箱宽度L=5.96m.

管箱进口处；T1=273＋183=456K

f1===35.83

管箱出口处；T2=273＋339=612K

f2===41.51

根据以上计算，所有管箱单元均未满足管式空气预热器的防振必要条件fc＞m·fk，故应加装防振板，将气室分成几个腔，以提高气室的固有频率。

若加装隔板数为n，则应满足·f＞m·fk=151.88