循环流化床锅炉后烟井振动分析及对策

循环流化床锅炉后烟井振动分析及对策

牛罕玉

洛阳石化工程建设集团有限责任公司，河南省 洛阳市 471000

摘要

广东某大型炼化一体化项目，4台450t/h锅炉循环流化床锅炉，负责向生产装置提供高、中、低压蒸汽并驱动3台100MW汽轮发电机组发电。在锅炉试生产过程中，发现后烟井二级省煤器高频振动，连带周围的梯子平台晃动，若不及时处理，将影响到锅炉的安全生产。

关键词：锅炉；振动；晃动；原因分析

1、锅炉系统简介

1.1锅炉为全钢结构、各主要部件采用支吊结合的固定方式。锅炉主要由锅筒、悬吊全膜式水冷壁炉膛、高温过热屏、中温过热屏、水冷式旋风分离器、 N 型返料回路以及后烟井对流受热面组成。锅炉锅筒中心标高为 48200mm，大板梁顶标高 53700mm，钢架深度方向布置 3 跨，依次布置炉膛、分离器、后烟井。              

1.2汽水系统

锅炉汽水系统回路包括尾部省煤器、锅筒、蒸发受热面（炉膛水冷壁、分离器进 口烟道和水冷分离器）、低温过热器、后烟井包覆过热器、中温过热屏、高温过热屏。

1.3烟气系统

携带固体粒子的烟气离开炉膛后，通过旋风分离器进口烟道， 切向进入旋风分离器。在分离器内，粗颗粒从烟气中分离出来，而烟气流则通过分离器中心筒进入后烟井。烟气经布置在后烟井内的对流受热面冷却，最后通过管式空气预热器进一步降温后离开锅炉。离开锅炉的含尘烟气由除尘器去除其中的细颗粒成分，最终经引风机送入烟囱排入大气。

1.4高温省煤器系统

在后烟井包覆内高温省煤器采用光管式两管圈蛇形管束，顺列布置，管子规格φ42，材质为 SA210-C，通过吊板吊在省煤器中间集箱，再利用省煤器悬吊管吊于炉顶钢梁上。

2、高温省煤器高频振动原因分析

发现高温省煤器高频振动后，生产单位、建设单位、监理、设计单位、施工单位、设备供货商代表进行了现场勘查，对安装质量进行了检查确认，对生产运行参数进行核查后召开专题会，对振动原因进行分析。

2.1高温省煤器高频振动的主要原因为：锅炉给水温度约 70-90℃，远低于正常值，导致高温省煤器在某一特定负荷下具有了本不该同时具备的高流速、低烟温的特性，容易导致卡门涡流的脱落频率与烟气的声柱波固有频率发生耦合，继而引起共振。详细分析如下：

当烟气流经蛇形管受热面时，在圆柱体后面的尾流就不再是有规律的分层流动，而是呈现一种明显的顺时针方向和逆时针方向交替的旋转漩涡，一般称为卡门涡流。这些涡流交替的从圆柱体两侧脱落，产生垂直于气流方向的气压脉动频率与卡门涡流脱落频率一致。与此同时，烟气流经烟道时会形成声驻波，如管束中的卡门涡流脱落频率与烟气的声驻波固有频率耦合时，就会激发烟气柱产生强烈的振动。这种振动类型为声学型，振动时发生强烈的噪音，带动包覆墙面振动的同时也会带动刚性梁晃动，甚至通过导向、吹灰框架等传递到钢架平台上使平台晃动，这与目前吹管期间发生的振动情形相符。

本工程原设计BMCR 工况主蒸汽流量450t/h，给水温度为215℃；上层高温省煤器烟气流速为10.2m/s，下层高温省煤器烟气流速为9.67m/s。经计算上层高温省煤器涡流脱落频率为 65.6HZ，下层高温省煤器涡流脱落频率为 62.2HZ。尾部包覆宽10520mm，高省上层入口烟气温度593℃，出口烟气温度468℃，计算所得一阶驻波频率为26.9HZ，二阶、三阶以倍数增加；高省下层入口烟气温度为468℃，出口烟气温度为 392℃，算所得一阶驻波频率为 25.2HZ。高省上层涡流频率是一阶驻波频率的65.6/26.9=2.44 倍，高省下层是 62.2/25.2=2.47 倍，不接近整数倍，不会产生振动。

特殊工况高加全切工况，主蒸汽流量360t/h，给水温度158℃。上层高温省煤器烟气流速为9.3m/s，下层高温省煤器烟气流速为7.9m/s。经计算上层高温省煤器涡流脱落频率为 64.3HZ，下层高温省煤器涡流脱落频率为 55.1HZ。高省上层入口烟气温度573℃，出口烟气温度440℃，计算所得一阶驻波频率为26.5HZ；高省下层入口烟气温度为440℃，出口烟气温度为355℃，计算所得一阶驻波频率为23.3HZ。高省上层涡流频率是一阶驻波频率的64.3/26.5=2.43 倍，高省下层是55.1/23.3=2.36 倍，偏离整数倍30%以上，不会产生振动。 目前发生振动的负荷约为 330t/h，给水温度约为 70~90℃，远低于正常值。由于给水温度过低，会导致锅炉的实际给煤量、烟气量、空气量等数据远高于正常给水温度下的数据，这就意味着虽然锅炉的主蒸汽流量较低，但是流经尾部受热面的流速是较高的；更为不利的是由于给水温度低，省煤器温差增加，吸热量增加，使高温省煤器出口烟气温度降低，DCS 显示为 316.5℃（原设计高温省煤器出口温度为 400℃，这一温度原设计在低温省煤器区域，因此我们在低温省煤器区域设计了防振隔板），这就意味着高温省煤器具有了本不该同时具备的高流速、低烟温的特性，容易发生卡门涡流的脱落频率与烟气声柱波的固有频率发生耦合，继而引起共振。以目前实际运行负荷 332t/h 时为例，高省入口温度为 474℃，出口 374℃。上层涡流脱落频率为 72.6HZ，一阶驻波频率为 25.0HZ，为 2.9 倍；下层涡流脱落频率为 66.2HZ，一阶驻波频率为 23.6HZ，为 2.8 倍。倍数接近整数倍，极易产生共振。

2.2高温省煤器高频振动的次要原因为：高温省煤器位置刚性梁角部装置晃动,根据设计图纸，角部装置中序号2安装销轴直径30mm、开孔为φ32，序号9安装销轴直径36mm、开孔为φ38，设计要求序2、9钢板和刚性梁腹板安装施焊前，应先将钢板向炉外方向拉紧，保证冷拉值后与腹板焊接，以保证承载能力。现场检查时发现，销轴与孔间隙大，在高省振动时，销轴部位晃动。

3、处理方案

为解决高温省煤器高频振动事宜，制定处理方案如下：
   3.1尽快使高低温加热器、除氧器等装置正常投运，提高高温省煤器区域的烟气温度，使高温省煤器区域的运行条件与设计值匹配；
    3.2若现场确实有困难，暂时无法提升给水温度，降低吹管期间单台锅炉的负荷，从而降低烟气流速，避免发生共振；
   3.3若后续现场将有较长的运行时间在此给水温度和锅炉负荷，考虑加装防振隔板，防振隔板设计方案，但增加防振隔板后对高温省煤器管组检修会带来一定的不便。

3.4角部装置未拉紧晃动问题，增加销轴直径，消除晃动间隙。

4、处理效果

4.1将锅炉给水温度提高至158℃时，高省振动大幅下降，设计与生产单位评估达到正常水平。

4.2角部装置更换销轴，角部不再晃动，相连的平台也不再晃动，锅炉高频振动问题全部解决。

4.3 4#锅炉投产前，在高温省煤器安装防震隔板，消除振动，试生产过程中未发生高频振动。

5.结论：

通过上述措施，解决了高温省煤器高频振动问题。蒸汽锅炉具有高温高压的特点，设备重量大，部件多，因此锅炉施工过程中，要严格按照图纸进行施工，任何一个部位、一条图纸说明都要高度重视。锅炉生产要能满足工艺的各参数，条件具备后才能投产，对条件不具备的要有应对措施。

参考文献：

［1］TSG特种设备安全技术规范-锅炉安全技术监察规程TSGG0001-2012