郝玉剛

(中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司，北京 100038)

0 前言

余熱鍋爐是有色冶煉廠(chǎng)中的一個(gè)重要節(jié)能減排設(shè)備，與冶金爐緊密相連，可以有效地降低冶金爐排出的高溫?zé)煔鉁囟?，回收煙氣中的部分煙塵，為后續(xù)煙氣處理的降溫除塵提供必要支撐，實(shí)現(xiàn)整個(gè)冶煉工藝流程的連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。余熱鍋爐吸收煙氣中的熱量，轉(zhuǎn)化成飽和蒸汽或過(guò)熱蒸汽用來(lái)驅(qū)動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電，同時(shí)可以從汽輪機(jī)組第二級(jí)抽出低壓蒸汽供生產(chǎn)、生活蒸汽用戶(hù)使用，實(shí)現(xiàn)有效的節(jié)能減排[1]。

有色冶煉余熱鍋爐非標(biāo)設(shè)備設(shè)計(jì)技術(shù)是中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司的核心專(zhuān)長(zhǎng)技術(shù)，從上世紀(jì)五六十年代引進(jìn)國(guó)外余熱鍋爐設(shè)計(jì)技術(shù)開(kāi)始，經(jīng)過(guò)幾代工程設(shè)計(jì)師幾十年的研究、設(shè)計(jì)、工程應(yīng)用，并不斷在實(shí)踐中修正，解決了余熱鍋爐煙塵結(jié)焦、煙氣腐蝕、受熱面振動(dòng)、爆管、漏風(fēng)等多種問(wèn)題，取得了一次又一次的技術(shù)進(jìn)步，目前中國(guó)恩菲的有色余熱鍋爐設(shè)計(jì)技術(shù)處于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先、世界一流的水平。

早期設(shè)計(jì)的余熱鍋爐偶爾有受熱面振動(dòng)情況，增加了余熱鍋爐的檢修時(shí)間，影響了余熱鍋爐及整個(gè)冶煉廠(chǎng)的作業(yè)率。本文以某冶煉廠(chǎng)煙化爐余熱鍋爐為例，分析討論該煙化爐余熱鍋爐對(duì)流區(qū)左右側(cè)受熱面及爐罩受熱面產(chǎn)生振動(dòng)的原因及解決措施，對(duì)該工程問(wèn)題進(jìn)行梳理和總結(jié)，希望對(duì)后續(xù)工程設(shè)計(jì)和投產(chǎn)后解決問(wèn)題起到一定的借鑒作用。

1 余熱鍋爐的基本情況

余熱鍋爐作為某余熱回收系統(tǒng)的核心設(shè)備，配置在煙化爐后部，用于吸收煙化爐排出煙氣攜帶的余熱，降低煙化爐排出煙氣溫度?？紤]到煙化爐的工作特點(diǎn)，配置了三通道余熱鍋爐，包括爐罩、上升煙道、下降煙道、輻射區(qū)、對(duì)流區(qū)、出口煙道等部件，其中爐罩、上升煙道、下降煙道布置在室內(nèi)，輻射區(qū)、對(duì)流區(qū)、出口煙道等布置在室外。余熱鍋爐的工程設(shè)計(jì)及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行工況的主要參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 余熱鍋爐的主要參數(shù)

該余熱回收系統(tǒng)的輔助設(shè)備包括電動(dòng)給水泵、電動(dòng)循環(huán)泵、除氧器、鍋筒、定期排污擴(kuò)容器、清灰裝置等。電動(dòng)給水泵和電動(dòng)循環(huán)泵布置在室內(nèi)，均為2臺(tái)，采用一用一備的運(yùn)行方式；除氧器為大氣式熱力除氧器，布置在室內(nèi)，用于除鹽水除氧，除氧后由給水泵打入余熱鍋爐鍋筒；鍋筒布置在余熱鍋爐頂部的室內(nèi)，有一定的水容積，使余熱鍋爐穩(wěn)定運(yùn)行，并保證鍋爐水循環(huán)順利進(jìn)行；定期排污擴(kuò)容器布置在室外，用于接收鍋筒、集箱等的排污；清灰裝置包括高能脈沖清灰和彈簧振打清灰兩種形式，高能脈沖清灰主要布置在對(duì)流管束頂部，彈性振打清灰裝置布置在余熱鍋爐的爐罩、上升煙道、下降煙道、輻射區(qū)等部位。

2 余熱鍋爐受熱面振動(dòng)的原因及解決措施

該余熱鍋爐投產(chǎn)后整體運(yùn)行狀態(tài)良好，鍋爐的蒸發(fā)量、工作壓力、出口煙氣溫度都達(dá)到了設(shè)計(jì)的額定值，但是在投產(chǎn)初期出現(xiàn)了受熱面振動(dòng)、管道振動(dòng)的情況，振動(dòng)部位主要是在爐罩左右受熱面、對(duì)流區(qū)左右側(cè)受熱面和與余熱鍋爐受熱面連接的管道。針對(duì)受熱面的振動(dòng)情況，設(shè)計(jì)人員根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙、查閱了大量文獻(xiàn)，與業(yè)主進(jìn)行了認(rèn)真的分析討論，提出了一些較為有效的解決措施。

2.1 優(yōu)化煙化爐操作

煙化爐為間斷作業(yè)，每天操作9爐左右，每爐操作周期約140 min，其中加料期約20 min，吹煉期約100 min，出渣期約20 min[2]。每個(gè)工作期的煙氣量不相同，吹煉期是有效工作期，煙氣量最大；加料期和出渣期煙氣量為正常吹煉期煙氣量的30%～50%。

由于煙化爐的間斷性作業(yè)制度，產(chǎn)生并進(jìn)入余熱鍋爐的煙氣量具有很大的波動(dòng)性，煙氣在余熱鍋爐內(nèi)的流速和對(duì)余熱鍋爐受熱面的側(cè)推力都具有不確定性和波動(dòng)性，導(dǎo)致余熱鍋爐左右側(cè)受熱面發(fā)生振動(dòng)。

為了從源頭上解決上述原因?qū)е碌腻仩t受熱面振動(dòng)，決定改變煙化爐的傳統(tǒng)操作制度，在加料期和出渣期不減少粉煤的噴吹量，使煙化爐在這兩個(gè)工作期產(chǎn)生的煙氣量與吹煉期基本相同，不產(chǎn)生很大的波動(dòng)。這樣，就保證了煙化爐煙氣流經(jīng)余熱鍋爐的速度相對(duì)穩(wěn)定，對(duì)受熱面的側(cè)推力相對(duì)恒定，在一定程度上減弱了余熱鍋爐受熱面的振動(dòng)，促進(jìn)了余熱鍋爐的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2.2 調(diào)整振動(dòng)頻率

內(nèi)部煙氣的氣動(dòng)激振力頻率和受熱面管道內(nèi)汽水混合物產(chǎn)生的激振力頻率與受熱面的固有振動(dòng)頻率接近，當(dāng)頻率接近時(shí)就容易產(chǎn)生共振，在受熱面上表現(xiàn)出較大振幅[3-5]。由于余熱鍋爐受熱面已經(jīng)制造安裝完成，其振動(dòng)頻率是確定的，不能再改變，只能從以下兩個(gè)方面調(diào)整振動(dòng)頻率：

1)調(diào)整煙氣的氣動(dòng)激振力頻率。調(diào)整煙化爐投料量和燃燒方式，使煙化爐煙氣量穩(wěn)定在某一數(shù)值，使煙化爐煙氣在余熱鍋爐內(nèi)流動(dòng)的激振力頻率高于受熱面的固有頻率。

2)調(diào)整受熱面管道汽水混合物的激振力頻率。調(diào)整余熱鍋爐受熱面汽水的運(yùn)行壓力、溫度等，使汽水混合物的激振力頻率高于受熱面的固有頻率。

通過(guò)以上調(diào)整，煙氣的氣動(dòng)激振力頻率和汽水混合物的激振力頻率均高于受熱面的固有頻率，避免了共振引起受熱面振動(dòng)。

2.3 減少鍋爐管道振動(dòng)

圖1 管道支吊架熱膨脹偏移情況

在冶煉廠(chǎng)余熱鍋爐平臺(tái)進(jìn)行現(xiàn)象觀(guān)察時(shí)，發(fā)現(xiàn)與余熱鍋爐受熱面連接的管道存在較強(qiáng)烈的振動(dòng)，管道支吊架的偏移量非常大，如圖1所示。管道振動(dòng)對(duì)余熱鍋爐受熱面有較大的推拉力，使得受熱面發(fā)生振動(dòng)。

根據(jù)李煒煒[6]和邢景偉[7]的研究，消除管道振動(dòng)的措施有：調(diào)整管道系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的固有頻率，從而避免共振現(xiàn)象的發(fā)生，降低管道對(duì)激振力的響應(yīng)程度；小角度轉(zhuǎn)彎法，削減流體脈動(dòng)作用于管道上的激振力；優(yōu)化剛度法，理論上剛度增大，管道的基頻隨之增加，有利于減少管道振動(dòng)；通過(guò)改變工質(zhì)參數(shù)(如壓力、流速、溫度等)，使管系振動(dòng)減弱并控制在理想范圍內(nèi)。根據(jù)上述經(jīng)驗(yàn)，決定采取以下措施消除管道振動(dòng)：

1)重新對(duì)管道進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算。根據(jù)投產(chǎn)后的實(shí)際運(yùn)行工況，重新對(duì)管道進(jìn)行運(yùn)行工況模擬計(jì)算，重點(diǎn)關(guān)注模擬計(jì)算管道的振動(dòng)情況、存在較大熱位移的位置等，分析管道振動(dòng)原因。

2)根據(jù)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行情況，局部調(diào)整管道布置。在滿(mǎn)足設(shè)計(jì)和工藝要求時(shí)，盡可能使管道走向平直，減少?gòu)濐^的使用；需要選擇彎頭時(shí)，盡量使用轉(zhuǎn)彎角度小的彎頭，以減小管道流通阻力，減少管道運(yùn)行中的晃動(dòng)。

3)在應(yīng)力計(jì)算分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行情況，調(diào)整設(shè)置支吊架。對(duì)于熱位移大的地方，部分彈簧支架更改成彈簧吊架；對(duì)于側(cè)位移大的地方，增加限位支架，減少側(cè)向位移；克服原來(lái)管道大多為彈簧支架導(dǎo)致管系過(guò)于柔軟的情況，在適當(dāng)位置增加滑動(dòng)支架、固定支架，提高整個(gè)管系的剛度。

通過(guò)對(duì)管道布置和管道支吊架的調(diào)整，提高了管系的剛度，增加了管道的基頻，削減了流體脈動(dòng)作用于管道上的激振力，從而減少了整個(gè)管系的振動(dòng)。

2.4 設(shè)置導(dǎo)向裝置

在現(xiàn)場(chǎng)查看余熱鍋爐振動(dòng)區(qū)域時(shí)，發(fā)現(xiàn)余熱鍋爐對(duì)流區(qū)左右側(cè)振動(dòng)較大，爐罩左右側(cè)振動(dòng)較大，撥開(kāi)余熱鍋爐保溫層，發(fā)現(xiàn)原有的對(duì)流區(qū)導(dǎo)向裝置制造間隙較大。導(dǎo)向裝置現(xiàn)場(chǎng)施工安裝情況如圖2所示，余熱鍋爐對(duì)流區(qū)左右側(cè)振動(dòng)較大區(qū)域如圖3所示。

針對(duì)余熱鍋爐對(duì)流區(qū)左右側(cè)和爐罩受熱面的振動(dòng)情況，就導(dǎo)向裝置設(shè)置的問(wèn)題采取以下措施：

1)增加導(dǎo)向裝置。由于撥開(kāi)保溫的區(qū)域振動(dòng)比較大，結(jié)合原有設(shè)計(jì)圖紙，擬定在該區(qū)域增加3層導(dǎo)向裝置，導(dǎo)向裝置可以限制受熱面的機(jī)械振動(dòng)，減緩受熱面的振動(dòng)幅度。

圖2 導(dǎo)向裝置安裝圖

圖3 對(duì)流區(qū)左右側(cè)振動(dòng)較大區(qū)域

2)減小導(dǎo)向裝置的間隙。原設(shè)計(jì)的導(dǎo)向裝置斜面距離滾軸的間距為1 mm，實(shí)際施工間距約為2 mm。間距過(guò)大，滾軸在導(dǎo)向槽中移動(dòng)時(shí)出現(xiàn)晃動(dòng)，引起受熱面振動(dòng)，針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)圖紙調(diào)整了部分導(dǎo)向裝置的做法。

3)調(diào)整爐罩導(dǎo)向裝置。原設(shè)計(jì)爐罩支撐導(dǎo)向裝置為圓孔，爐罩向四周的膨脹是無(wú)組織、不受約束的，這樣容易使?fàn)t罩受熱面出現(xiàn)振動(dòng)。結(jié)合工程實(shí)際情況，調(diào)整了設(shè)計(jì)圖紙，將爐罩左右兩側(cè)的支撐導(dǎo)向裝置中間點(diǎn)設(shè)計(jì)成固定的圓孔，兩邊的設(shè)計(jì)成長(zhǎng)孔，長(zhǎng)孔方向沿著受熱面膨脹的方向。

通過(guò)上述增加導(dǎo)向裝置及對(duì)導(dǎo)向裝置的調(diào)整，在一定程度上解決了導(dǎo)向裝置引起的余熱鍋爐受熱面的振動(dòng)。

3 結(jié)束語(yǔ)

余熱鍋爐是有色冶煉廠(chǎng)生產(chǎn)過(guò)程中的一個(gè)重要設(shè)備，其安全連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)冶煉工藝的連續(xù)性、實(shí)現(xiàn)煙氣降溫除塵、實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排都具有重要的意義。本文就早期設(shè)計(jì)的煙化爐余熱鍋爐出現(xiàn)受熱面振動(dòng)情況及原因進(jìn)行了分析，包括煙化爐操作制度、振動(dòng)頻率、鍋爐受熱面連接管道振動(dòng)、導(dǎo)向裝置的設(shè)置等多個(gè)方面，并采取了相應(yīng)的綜合措施，在一定程度上減緩和解決了該余熱鍋爐受熱面振動(dòng)的問(wèn)題，同時(shí)為后續(xù)其他類(lèi)似工程問(wèn)題的解決提供一定的借鑒。