張小虎,李騰飛,由召舉

(1.河南方圓工業(yè)爐設(shè)計制造有限公司，河南 洛陽 471133;2.中國石油化工股份有限公司洛陽分公司，河南 洛陽 471000)

1 加熱爐概況

中壓蒸汽過熱器(0256-E-213)、焚燒爐蒸發(fā)器(0256-E-214)由煙氣進口、方形殼體、蒸發(fā)段管束、過熱段管束、煙氣出口以及外部管道組成;蒸發(fā)段產(chǎn)生的飽和蒸汽通過蒸發(fā)段上部汽包蒸汽出口和制硫段燃燒爐汽包出口的飽和蒸汽匯合后，進入過熱段管束;飽和蒸汽被過熱段煙氣加熱后，產(chǎn)生過熱蒸汽，經(jīng)過減溫減壓后，進入中壓蒸汽管網(wǎng)。中壓蒸汽過熱器、焚燒爐蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 加熱爐結(jié)構(gòu)

2 加熱爐操作情況

2.1 烘爐、試開工階段

中壓蒸汽過熱器、焚燒爐蒸發(fā)器于2020年7月在某項目現(xiàn)場正式開始烘爐、試開工。在試開工過程中，焚燒爐中煙氣的溫度最終達到設(shè)計工況的上限800℃并運行一定的時間。在焚燒爐升溫過程中，車間工作人員反饋中壓蒸汽過熱器、焚燒爐蒸發(fā)器設(shè)備有一定的振感，設(shè)備內(nèi)部有連續(xù)的轟鳴聲，其設(shè)計制造單位(以下稱方圓公司)當(dāng)天派技術(shù)人員趕赴項目現(xiàn)場進行調(diào)查，并到中控操控室調(diào)取設(shè)備運行的溫度、壓力、燃料氣流量、空氣流量等各種參數(shù)，按照GB/T 151—1999附錄E管束振動的計算方法核算了爐膛內(nèi)的煙氣在中壓蒸汽過熱器、焚燒爐蒸發(fā)器蛇形管、換熱管之間和蛇形管、換熱管進行對流傳熱時的流速，計算結(jié)果顯示，煙氣流速極低，在二級過熱器換熱管附近煙氣流速最高為1.95 m/s，在蒸發(fā)段換熱管附近煙氣的流速為1.76 m/s。此外，還計算了中壓蒸汽過熱器、焚燒爐蒸發(fā)器的卡門漩渦頻率/聲頻頻率比值、紊流主頻率/聲頻頻率比值、卡門漩渦頻率/固有頻率比值、紊流主頻率/固有頻率比值，結(jié)果顯示，比值均不在因煙氣流動造成蛇形管、換熱管誘發(fā)振動的范圍之內(nèi)，簡言之，煙氣流動不會造成蛇形管、換熱管的振動。

由于中壓蒸汽過熱器、焚燒爐蒸發(fā)器和尾氣焚燒爐以及尾氣燃燒器是安裝后焊接在一起，因此，尾氣焚燒爐燃燒器廠家也同時派技術(shù)人員趕赴現(xiàn)場對設(shè)備振動原因進行協(xié)助分析。經(jīng)燃燒器廠家技術(shù)人員指導(dǎo)，車間工作人員調(diào)整了燃燒器的操作參數(shù):1)燃料氣進入燃燒器的入口由開工燃料氣入口切換為主燃料氣入口;2)調(diào)整空氣/燃料氣的流量比例，將原流量比值調(diào)小。參數(shù)調(diào)整后，中壓蒸汽過熱器、焚燒爐蒸發(fā)器設(shè)備的振感明顯下降，變得非常小;同時，通過優(yōu)化燃燒，減少了次生振動源的振動。

結(jié)合中壓蒸汽過熱器、焚燒爐蒸發(fā)器進行煙氣流體誘發(fā)振動計算的結(jié)果，以及與尾氣焚燒爐相連的焚燒爐燃燒器中關(guān)于介質(zhì)空氣/燃料氣的流量比例調(diào)整、主燃料氣進氣管路的切換操作后中壓蒸汽過熱器、焚燒爐蒸發(fā)器振動很快下降至正常值的情況，初步認為造成中壓蒸汽過熱器、焚燒爐蒸發(fā)器振動的主要原因是焚燒爐燃燒器的配風(fēng)比例不恰當(dāng)、燃料氣進氣管路沒切換正確造成的。

2.2 開工階段

中壓蒸汽過熱器、焚燒爐蒸發(fā)器于2021年6月開工，開工階段發(fā)現(xiàn)中壓蒸汽過熱器、焚燒爐蒸發(fā)器還是有一定的振動，經(jīng)車間工作人員反饋后，方圓公司于2021年6月7日和6月9日兩次派技術(shù)人員趕赴現(xiàn)場，調(diào)查設(shè)備振動的原因，并測量了焚燒爐燃燒器、尾氣焚燒爐、中壓蒸汽過熱器、焚燒爐蒸發(fā)器不同部位振動的振幅和頻率數(shù)據(jù)。

燃料氣為瓦斯氣，減壓閥后壓力為0.28 MPa(表)，溫度73.2℃，流量(標(biāo)準狀態(tài))為391.5 m3/h(流量不穩(wěn)定，數(shù)值也不停變化，該值為拍照時數(shù)據(jù))，其介質(zhì)組成如表1所示。

表1 瓦斯氣組成(體積分數(shù))

燃燒空氣分為兩路，一次風(fēng)進燃燒器，流量(標(biāo)準狀態(tài))為5 691.2 m3/h，壓力為0.021 MPa(表)，溫度為72.2℃;二次風(fēng)進焚燒爐爐膛，流量(標(biāo)準狀態(tài))為979.2 m3/h，壓力為0.021 MPa(表)，溫度為72.2℃。

尾氣焚燒爐前端溫度為825℃，爐膛中部溫度為688.5℃，爐膛壓力為0.002 MPa(表)。

焚燒爐蒸發(fā)器的上、下集箱中介質(zhì)通過上升管、下降管和焚燒爐汽包相通，通過中控操作室的數(shù)據(jù)可以看出，焚燒爐汽包中還在進除氧水，流量為1 574.8 kg/h，汽包頂部蒸汽出口蒸汽為0 kg/h，說明焚燒爐蒸發(fā)器還未產(chǎn)生蒸汽，換熱管中的水還在被煙氣加熱，遠未達到飽和狀態(tài)。

中壓蒸汽過熱器一級過熱器入口管道中蒸汽量為17 828 kg/h(取平均值)，溫度為224℃(設(shè)備頂部管道溫度指示表讀數(shù))，壓力為2.44 MPa(表);二級過熱器出口管道中蒸汽溫度為372.5℃，由減溫減壓器噴水1 027.3 kg/h后，管道中的介質(zhì)溫度降為222.7℃;進入三級過熱器加熱后，蒸汽溫度為310℃，壓力為2.386 MPa(表)，經(jīng)消音器后全部放空。

根據(jù)上述參數(shù)值初步分析可知:1)一級過熱器入口管道中介質(zhì)處于飽和狀態(tài);2)二級過熱器出口管道中蒸汽處于過熱狀態(tài);3)蒸汽經(jīng)減溫減壓器噴水管道中介質(zhì)處于未飽和狀態(tài)[注:在蒸汽壓力按2.386 MPa(表)時，飽和汽、液狀態(tài)溫度為223.7℃];4)未飽和水進入三級過熱器加熱后，蒸汽處于過熱狀態(tài)。

靜態(tài)分析結(jié)果顯示:1)一級過熱器、二級過熱器中介質(zhì)均為飽和、過熱氣體，介質(zhì)無相態(tài)變化，通過計算分析可知，氣體在蛇形管內(nèi)流動不會產(chǎn)生振動;2)經(jīng)減溫減壓器噴水后，未飽和介質(zhì)進入三級過熱器集箱和蛇形管，很快被煙氣加熱成飽和、過熱蒸汽，但汽、液兩相同時存在于集箱和蛇形管的時間極短，也不至于造成集箱、蛇形管的振動。另外，通過到中壓蒸汽過熱器設(shè)備頂部觸摸三級過熱器入口集箱和三級過熱器出口集箱也可以發(fā)現(xiàn)，振感并不是很強烈，說明震源應(yīng)該不是來自三級過熱器。

動態(tài)分析結(jié)果顯示:飽和蒸汽經(jīng)過熱器變?yōu)檫^熱蒸汽的過程，是一個熱力交換極其劇烈的過程，在開工階段，煙氣流量、流速、溫度等一直在變化、升高，都會對過熱器蛇形管產(chǎn)生影響，進而形成過熱器管內(nèi)蒸汽的脈動沖擊。受此脈動沖擊影響，換熱管、蛇形管本身會產(chǎn)生一定的振動，但頻率、振幅不會很大，屬于正常。

2.3 燃燒器、尾氣焚燒爐、中壓蒸汽過熱器、焚燒爐蒸發(fā)器振動振幅、頻率測量分析

通過對尾氣焚燒爐燃燒器、尾氣焚燒爐、中壓蒸汽過熱器、焚燒爐蒸發(fā)器不同部位(一層平臺的南側(cè)、北側(cè)，從一層平臺向上高度約為1.5 m左右)進行振動振幅、頻率測量，測量數(shù)據(jù)見表2。爐頂過熱管道、爐頂橫梁、消音器附近(均位于二層平臺)振動振幅、頻率測量數(shù)據(jù)見表3。測點位置標(biāo)注示意(俯視)見圖2。

圖2 測點位置標(biāo)注示意(俯視)

表3 爐頂過熱管道、爐頂橫梁、消音器附近(均位于二層平臺)振動振幅、頻率測量數(shù)據(jù)

分析表2測量數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，振幅較大的是一層平臺梯子，其次是焚燒爐后端錐段，再次是燃燒器的燃料氣進氣管端。

表2 燃燒器、尾氣焚燒爐、中壓蒸汽過熱器、焚燒爐蒸發(fā)器(均位于一層平臺)振動振幅、頻率測量數(shù)據(jù)

分析表3測量數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，振幅和頻率最大的是二層平臺角落上的消音器，振幅最大達到6 173 μm，振動頻率最大為238.6 mm/s。消音器設(shè)計和現(xiàn)場安裝圖片分別見圖3和圖4。

圖3 消音器設(shè)計

圖4 消音器現(xiàn)場安裝

結(jié)合表2、表3和圖3、圖4進行綜合分析，初步判定造成中壓蒸汽過熱器、焚燒爐蒸發(fā)器平臺梯子振動的原因如下:

1)在烘爐、開工階段，由于煙氣流量、溫度一直在不斷變化，過熱器內(nèi)產(chǎn)生的蒸汽還未達到輸送至中壓管網(wǎng)的溫度和壓力，需要通過消音器直接排空。大量的蒸汽通過消音器排空時，消音器在蒸汽沖擊下，產(chǎn)生較強的振動，消音器下面的管道設(shè)計時未設(shè)置支撐，但在安裝時，卻在消音器管道下面安裝了1個鞍座，用1個短鋼管將消音器管道支撐在平臺上，導(dǎo)致消音器的振動傳導(dǎo)給平臺鋼結(jié)構(gòu)，造成二層平臺的震感遠超中壓蒸汽過熱器、焚燒爐蒸發(fā)器本身的振動。

2)消音器位于二層平臺的西北角，因此二層平臺北側(cè)的震感高于南側(cè)。如表2所示第11組是一層平臺南側(cè)欄桿的測量數(shù)據(jù)，第15組是一層平臺北側(cè)欄桿的測量數(shù)據(jù)，通過二者對比可以看出，北側(cè)的振幅大于南側(cè)。

3 原設(shè)計工況、現(xiàn)在操作工況的結(jié)果分析

3.1 原設(shè)計工況

正常運行時，焚燒爐蒸發(fā)器換熱管中除氧水被換熱管外面的煙氣加熱，生成飽和蒸汽，換熱管中存在汽、液兩相同時存在的工況，水被加熱至沸騰時，換熱管本身會有輕微的震感。燃燒爐蒸發(fā)器產(chǎn)生的飽和蒸汽分兩路，其中一路飽和蒸汽和焚燒爐蒸發(fā)器產(chǎn)生的飽和蒸汽混合后，進入中壓蒸汽過熱器一級過熱器。對于中壓蒸汽過熱器蛇形管來說:一級過熱器入口管中的介質(zhì)是飽和的水蒸氣，在經(jīng)過一級過熱器、二級過熱器被管外的煙氣加熱后，需要通過減溫減壓器噴水降溫，短時間存在汽、液兩相的狀態(tài)，之后再進入三級過熱器的蛇形管，因此蛇形管也會存在輕微的振動情況。正常運行工況下，過熱蒸汽通過三級過熱器出口管道進入煉油廠的中壓管網(wǎng)，不再經(jīng)消音器排空，因此設(shè)備平臺不會出現(xiàn)因消音器振動造成的連帶振動情況。

3.2 現(xiàn)在操作工況

由2.3節(jié)中對振動原因的分析可知，二層平臺的震感遠超中壓蒸汽過熱器、焚燒爐蒸發(fā)器本身的振動。蒸發(fā)器換熱管內(nèi)的水在被加熱過程中局部汽化出現(xiàn)相變，使流動狀態(tài)發(fā)生振動性變化會引發(fā)熱交換噪聲;過熱器管路中飽和蒸汽被加熱過程中，換熱管、蛇形管本身也會產(chǎn)生一定的振動。此外，如果燃燒器調(diào)節(jié)操作不當(dāng)，如空氣流量/瓦斯氣流量比例調(diào)節(jié)過大或過小，也會造成爐子本身的振動。以上多種因素疊加，造成現(xiàn)在中壓蒸汽過熱器及平臺梯子的振動，其中由于消音器振動引起平臺的振動因素占比應(yīng)該最大。

4 建議

針對上述中壓蒸汽過熱器、焚燒爐蒸發(fā)器開工時產(chǎn)生振動的原因，建議采取如下措施:

1)過熱器管道上的消音器下面建議增加減振措施或直接將其支撐在地面上，避免或減少以后在開工、停爐階段，蒸汽需經(jīng)過消音器排空時，因消音器振動傳導(dǎo)至平臺鋼結(jié)構(gòu)而造成鋼結(jié)構(gòu)平臺、欄桿的振動;

2)在開工、停爐階段，焚燒爐燃燒器進空氣/瓦斯的流速比例建議參照燃燒器設(shè)計廠家的調(diào)節(jié)范圍調(diào)整，開工燃料氣和主燃料氣進氣口的切換要及時，排除因燃燒器進氣管路的因素造成的設(shè)備振動;

3)一級過熱器入口集箱下部設(shè)有排凝口，并安裝有閥門，需經(jīng)常排凝，將飽和蒸汽管道的水盡量排凈，減少兩相流的存在以及水擊的可能，避免因兩相流、水擊引起管束的振動。