劉甲斌，袁少鋒，孫 燁，趙 磊

(1.陜西能源職業(yè)技術(shù)學(xué)院 煤炭與化工產(chǎn)業(yè)學(xué)院，陜西 咸陽 712000； 2.中石油煤層氣有限責(zé)任公司臨汾分公司，山西 太原 030032； 3.陜西延長石油興化集團，陜西 咸陽 713100)

隨著我國工業(yè)領(lǐng)域的飛速發(fā)展，鍋爐成為工業(yè)領(lǐng)域的主要加熱設(shè)備之一。鍋爐實際上是一種自然循環(huán)的水加熱器，其內(nèi)部核心設(shè)備為旋風(fēng)分離器，爐膛為膜式水冷壁結(jié)構(gòu)，過熱器包含高、低兩種級別，中間安裝噴水減溫器，并在尾部安裝兩級省煤器和一、二次風(fēng)管式空氣預(yù)熱器。工業(yè)鍋爐在運行過程中易產(chǎn)生振動現(xiàn)象，該現(xiàn)象可直接影響鍋爐的安全運行。為此，本研究對工業(yè)鍋爐管式空氣預(yù)熱器產(chǎn)生振動的原因進行分析，并提出相應(yīng)的解決措施，為工業(yè)鍋爐的安全運行奠定有力基礎(chǔ)。

1 工業(yè)鍋爐管式空氣預(yù)熱器整體結(jié)構(gòu)

空氣預(yù)熱器實際上是一種換熱設(shè)備，位于工業(yè)鍋爐尾部的受熱面，可利用煙氣的余熱對空氣進行預(yù)熱。將管式空氣預(yù)熱器作為主要研究對象，該類型的空氣預(yù)熱器為實現(xiàn)空氣的預(yù)熱，使煙氣在管束內(nèi)流動，空氣在管束外流動。若工業(yè)鍋爐的蒸發(fā)量為120 t/h，則該鍋爐需要配置兩臺空氣預(yù)熱器，在工業(yè)鍋爐的負荷達到最大值時，空氣預(yù)熱器可產(chǎn)生強烈振動，并發(fā)出相應(yīng)噪聲。通過對空氣預(yù)熱器振動原因進行調(diào)查可知，振動的源頭為空氣預(yù)熱器管束，當(dāng)管束處于振動狀態(tài)時，管箱外護板可隨著管束的振動而振動。管式空氣預(yù)熱器產(chǎn)生振動的主要原因為垂直于管束流動的空氣，對管式空氣預(yù)熱器的振動進行分析時，應(yīng)充分考慮管束外流經(jīng)空氣引發(fā)的振動現(xiàn)象。管式空氣預(yù)熱器的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示[1]。

圖1 管式空氣預(yù)熱器整體結(jié)構(gòu)

管式空氣預(yù)熱器的排列形式為錯列，管箱的長度和寬度可分別用Lb、bb進行表示，換熱管的外直徑、橫向節(jié)距、縱向節(jié)距分別表示為d、r1、r2。

2 工業(yè)鍋爐管式空氣預(yù)熱器的振動分析

2.1 卡門渦流效應(yīng)

“卡門渦流效應(yīng)”指的是：當(dāng)流體經(jīng)過一個圓柱體時，該圓柱體的背面可產(chǎn)生渦流，并且圓柱體的順時針和逆時針方向均可產(chǎn)生渦流，在氣流的作用下使渦流產(chǎn)生脫落現(xiàn)象，這種交替產(chǎn)生和脫離的渦流被稱作卡門渦流。渦流在圓管兩側(cè)出現(xiàn)脫落現(xiàn)象時，可產(chǎn)生垂直于氣流方向的氣壓脈動。當(dāng)管束中卡門渦流的脫落頻率與煙氣駐波的固有頻率之間出現(xiàn)耦合現(xiàn)象時，可實現(xiàn)煙氣柱的自激振動，同時伴有較為嚴(yán)重的噪聲[2]。卡門渦流的頻率指的是：周期性產(chǎn)生渦流和脫落渦流的頻率，其公式為

fK=StV/D

(1)

式中：St為Strouhal系數(shù)；D為圓柱的直徑,m；V為流體的流速,m/s。

St的數(shù)值可通過相關(guān)試驗進行確定，該數(shù)值與圓管的排列情況、管徑等因素有關(guān)。通過對數(shù)臺工業(yè)鍋爐進行試驗，最終確定管式空氣預(yù)熱器的管徑為40 mm，換熱管采用錯列布置方式，最小橫、縱節(jié)距分別為60 mm、40 mm時，此時St的數(shù)值在0.45～0.55[3]。

2.2 空氣預(yù)熱器振動機理

空氣預(yù)熱器在卡門渦流效應(yīng)下可產(chǎn)生3種振動方式：①卡門渦流頻率與管式空氣預(yù)熱器管箱氣室聲學(xué)駐波頻率之間產(chǎn)生耦合而引發(fā)的共振；②卡門渦流頻率與管式空氣預(yù)熱器管子固有頻率耦合產(chǎn)生的振動；③卡門渦流頻率、管式空氣預(yù)熱器管箱以及結(jié)構(gòu)機械振動三者之間同時耦合產(chǎn)生的振動。

最常見的振動方式為卡門渦流頻率與管式空氣預(yù)熱器管箱氣室聲學(xué)駐波頻率之間產(chǎn)生耦合時，二者之間引發(fā)的共振。該共振方式屬于一種由氣壓脈動產(chǎn)生的自激振動，振動產(chǎn)生時較為強烈，同時伴有巨大的噪聲，而卡門渦流頻率與管子固有頻率之間耦合時產(chǎn)生的振動強度相對較低[4]。

聲學(xué)駐波實際上是一種疏密波，需要周期和振幅均相同的波相對行進，方可產(chǎn)生具有固定波腹和波節(jié)點的聲學(xué)駐波，該駐波壓力最大處的位移最小，全部駐波均為1/2波長的整倍數(shù)。聲學(xué)駐波的頻率為

fC=C/λ

(2)

式中：C為工作條件下的聲速,m/s；λ為波長,m[5]。

諧波是1/2波長的整倍數(shù)代表的含義為：一階駐波的波長為管式空氣預(yù)熱器氣室寬度的2倍，二階駐波的波長為管式空氣預(yù)熱器氣室寬度，三階駐波的波長為管式空氣預(yù)熱器氣室寬度的2/3，此時可將聲學(xué)駐波的頻率寫成：

fC=nC/2L

(3)

式中：n為駐波的階次(取值為1,2,3,…)；L為管箱氣室的寬度,m。

λ=2L/n

(4)

式中：λ為波長，m。

將流體力學(xué)作為主要依據(jù)，對駐波位移進行表達，此時脈動應(yīng)滿足連續(xù)方程和動量方程：

Y=Y0sin(2πX/λ)sin(2πfCt)=Y0sin(nπX/L)sin(2πfCt)

(5)

式中：Y為氣體質(zhì)點的橫向位移；Y0為質(zhì)點的最大位移(最大全振幅)；X為離管箱內(nèi)壁的水平距離；t為時間[6]。

在對X數(shù)值進行計算時，應(yīng)使2πX/λ=0、π、2π、…、nπ，此時振幅為零，可將其稱之為位移節(jié)點，氣室兩側(cè)護板均為位移節(jié)點。當(dāng)波長為λ/4、 3λ/4、 5λ/4時，波長上的點均為振幅最大的點。聲駐波如圖2所示。圖2中，①②③為二階波，④⑤⑥為三階波。

圖2 聲駐波示意圖

聲學(xué)駐波的氣壓脈動值P的計算公式為

P=(2πKP0Y0/λ)sin(2πfCt)sin(2πX/λ-π/2)

(6)

式中：K為氣體常數(shù)；P0為絕對氣壓[7]。

通過對壓力節(jié)點和位移節(jié)點的相位差進行比較可知，二者之間相差的數(shù)值為π/2(即90°)，駐波壓力波節(jié)點為位移波振幅最大的點，當(dāng)位移節(jié)點處振幅最小時，則該節(jié)點為氣壓脈動最大的點。空氣預(yù)熱器的兩側(cè)壁應(yīng)位于氣壓脈動最大的位置，在預(yù)熱器的同一個氣室空間中，全部方向均可能出現(xiàn)駐波，本研究只考慮垂直氣流方向的駐波。

氣室寬度代表管式空氣預(yù)熱器兩側(cè)護板之間的距離?？ㄩT渦流效應(yīng)頻率fK和氣室聲學(xué)駐波頻率fC發(fā)生耦合時產(chǎn)生的振動為自激振動，該類型的振動方式可產(chǎn)生任何一階的駐波。但fK和fC在實際耦合過程中，需要滿足一定條件方可產(chǎn)生駐波。通過對fK和fC的耦合情況進行分析可知，當(dāng)fK較高時，易產(chǎn)生振動現(xiàn)象，并且大多數(shù)強烈的振動頻率發(fā)生在60 Hz之上。fK與圓管固有頻率耦合時產(chǎn)生的振動為隨機狀態(tài)，管式空氣預(yù)熱器需要在一定流速下可實現(xiàn)振動。工業(yè)鍋爐的振動可發(fā)生在低溫段過熱器上，該階段的鍋爐尾部處于較寬狀態(tài)，同時煙氣溫度相對較低，易引起煙速提升[8]。

3 工業(yè)鍋爐管式空氣預(yù)熱器的振動消除措施

3.1 管式空氣預(yù)熱器防振方法

本研究對管式空氣預(yù)熱器進行了振動分析，為有效預(yù)防管式空氣預(yù)熱器產(chǎn)生振動現(xiàn)象，應(yīng)充分考慮卡門渦流效應(yīng)對管式空氣預(yù)熱器的影響，并對管式空氣預(yù)熱器的振動進行校核計算。管式空氣預(yù)熱器內(nèi)部空氣流速應(yīng)控制在合理范圍內(nèi)，若預(yù)熱器的空氣流速出現(xiàn)過高現(xiàn)象，可直接造成氣流速度的阻力持續(xù)提升，從而引發(fā)管式空氣預(yù)熱器的振動。假設(shè)管式空氣預(yù)熱器負荷為60%時，某階段產(chǎn)生振動現(xiàn)象，其他階段在負荷為100%時仍未發(fā)生振動，則該預(yù)熱器產(chǎn)生振動的原因為：管式空氣預(yù)熱器內(nèi)部各段速度數(shù)值相差過大，個別段流速過高，應(yīng)保證各風(fēng)道布置的合理性，同時在管式空氣預(yù)熱器中設(shè)置防振隔板，如圖3所示。

圖3 預(yù)熱器改造示意圖

為實現(xiàn)管式空氣預(yù)熱器振動現(xiàn)象的消除，可沿著管式空氣預(yù)熱器的管箱寬度方向進行防振隔板的安裝。通過該隔板將管式空氣預(yù)熱器劃分為多個氣室，有利于提高fC，當(dāng)fC大于fK，振動將會被消除[9]。

3.2 管式空氣預(yù)熱器振動消除措施

若工業(yè)鍋爐中一臺管式空氣預(yù)熱器出現(xiàn)振動現(xiàn)象，應(yīng)立即對該預(yù)熱器的振動形式進行了解，提高振動消除效率。最常見的管式空氣預(yù)熱器振動類型為fK和fC耦合引起的振動，此時用手觸碰外護板即可感覺到較高頻率的振動，該階段的振動可隨著負荷的增加以及流速的提高，從低階駐波逐漸轉(zhuǎn)向高階駐波。

為實現(xiàn)管式空氣預(yù)熱器振動的消除，可采用安裝防振隔板的方式進行實現(xiàn)，同時應(yīng)盡可能減少氣室寬度。防振隔板可安裝在管式空氣預(yù)熱器的管箱之間，并最大限度地降低管子的分割數(shù)量，有利于降低防振隔板安裝難度。通常情況下，管子的切割數(shù)量為一排或者數(shù)排，為防止管式空氣預(yù)熱器在切除管子后出現(xiàn)氣流短路現(xiàn)象，應(yīng)在切割口處進行焊封。為使氣流進入管箱時更加均勻，可在管式空氣預(yù)熱器中安裝導(dǎo)流板。通過對St的數(shù)值進行計算可知，其數(shù)值在0.45～0.55時，采用熱力計算方式對氣流的速度進行計算，即可計算出fK，令fK=fC，可計算出駐波階次n，并確定管式空氣預(yù)熱器中的隔板數(shù)量。由于部分預(yù)熱器在負荷不滿40%時，也可產(chǎn)生振動現(xiàn)象，可按照最大負荷對隔板數(shù)進行計算，并保留一定裕度[10-11]。

4 結(jié) 語

工業(yè)鍋爐在實際供熱過程中，其內(nèi)部管式預(yù)熱器易產(chǎn)生振動現(xiàn)象，若振動現(xiàn)象較為嚴(yán)重，可直接引起設(shè)備損壞。本研究為消除管式預(yù)熱器的振動現(xiàn)象，采用安裝防振隔板的方式對振動進行消除，通過對工業(yè)鍋爐進行改造設(shè)計，有利于降低振動和噪聲的產(chǎn)生。但工業(yè)鍋爐尾部受熱面的管束安裝狀態(tài)較為密集，使工業(yè)鍋爐內(nèi)部可用空間較小，增大了現(xiàn)場安裝難度。在未來發(fā)展中，應(yīng)進一步探究其他影響管式預(yù)熱器振動的因素，并加強空氣預(yù)熱器的設(shè)計，部件出廠之前應(yīng)完成防振隔板安裝，完善管式預(yù)熱器的防振、防噪聲工作，有利于提高工業(yè)鍋爐的供熱效果。