1、1鍋爐振動分析鍋爐振動分析及解決方案及解決方案SEPCOIII10th September 20138-Apr-222摘要、關(guān)鍵詞摘要、關(guān)鍵詞摘要：摘要：本文通過沙特某電站燃油鍋爐振動原因分析及改造方案，為解決類似鍋爐振動問題提供借鑒。關(guān)關(guān)鍵詞：鍵詞：鍋爐振動、熱聲振動、燃燒自激振動、渦脫落8-Apr-223鍋爐、燃燒器簡介 沙特某電站共兩臺660MW燃油機(jī)組，鍋爐是亞臨界參數(shù)、自然循環(huán)燃油鍋爐。燃燒器前后墻對沖布置，一次中間再熱，再熱蒸汽溫度采用煙氣再循環(huán)調(diào)節(jié)，平衡通風(fēng)，單爐膛背靠背露天布置，全鋼架汽包鍋爐。鍋爐燃用沙特380CST重油。8-Apr-224鍋爐、燃燒器簡介 鍋爐爐膛呈長方形（

2、14m18.36m），底部前后墻水冷壁向中心收縮形成 25傾角的冷灰斗，燃燒器采用了前后墻對沖布置，空氣分級燃燒技術(shù)。在爐膛前后墻各布置四層低NOx燃燒器，每層6只，全爐共設(shè)有48只。每只燃燒器均設(shè)有點火油槍，用于啟動和維持低負(fù)荷燃燒。在重油燃燒器上方還布置有12只燃盡風(fēng)噴口，在爐膛內(nèi)完成分級送風(fēng)，降低鍋爐氮氧化物的排放。8-Apr-225鍋爐、燃燒器簡介 燃燒器均勻分布在各層大風(fēng)箱內(nèi)。從空氣預(yù)熱器來的熱風(fēng)從燃燒器的尾部，進(jìn)入圓柱形燃燒器，熱風(fēng)在燃燒器內(nèi)部沿圓柱的周向分為兩股風(fēng)，外圓周部分為二次風(fēng)，內(nèi)圓周部份為一次風(fēng)。在一次風(fēng)出口處還布置有一次風(fēng)的穩(wěn)燃環(huán)，其作用主要用于重油的著火與穩(wěn)定燃燒。燃

3、燒器的一次風(fēng)、二次風(fēng)的比例和穩(wěn)燃器的位置設(shè)計為固定式。8-Apr-226鍋爐、燃燒器簡介8-Apr-227鍋爐初次振動過程簡述 1#機(jī)組負(fù)荷緩慢升至420MW 時（重油壓力從1.18MPa 提升至1.2MPa），鍋爐發(fā)生強(qiáng)烈振動，采取降低油壓，減負(fù)荷等措施，鍋爐振動消失；其后，采取調(diào)整氧量和風(fēng)量等措施鍋爐仍然存在劇烈振動，后停爐檢查；檢查未發(fā)現(xiàn)異常。8-Apr-228鍋爐初次振動過程簡述 鍋爐從首次發(fā)生振動至完全解決，歷時半年；產(chǎn)生鍋爐振動的可能原因很多，包括：送風(fēng)系統(tǒng)中氣流的脈動、煙氣再循環(huán)系統(tǒng)中煙氣的脈動、燃油系統(tǒng)內(nèi)油壓的脈動、霧化蒸汽系統(tǒng)中蒸汽壓力的脈動、燃燒器內(nèi)空氣溫度與高溫爐膛之間由

4、于溫度差產(chǎn)生的熱聲振動、燃燒脈動與爐膛形成的聲學(xué)激振、卡門渦街引起的煙氣振動、爐膛負(fù)壓波動等等，異常復(fù)雜。8-Apr-229鍋爐初次振動過程簡述 對鍋爐振動根源認(rèn)知是從淺到深，逐漸清晰的過程；在初期，鍋爐振動時，尾部豎井與空預(yù)器連接的水平煙道也發(fā)生振動；認(rèn)為是因水平煙道振動引起的鍋爐振動；同時也認(rèn)為重油槍噴嘴出力未達(dá)到設(shè)計值也是引起爐膛振動的原因。 在煙道內(nèi)安裝隔板和導(dǎo)流板后解決了煙道振動，同時也更換了新型噴嘴，但發(fā)現(xiàn)鍋爐本身振動并未消除，反而有愈演愈烈的趨勢。后通過大量實驗和數(shù)據(jù)、資料收集，經(jīng)分析與計算，引起鍋爐振動根本原因可歸納為熱驅(qū)動型熱聲振動和燃燒自激型熱聲振動。8-Apr-2210鍋

5、爐振動頻率檢測與分析 爐膛內(nèi)聲學(xué)分析爐膛內(nèi)聲學(xué)分析：鍋爐振動時對爐膛內(nèi)聲音進(jìn)行采集和FFT (Fast Fourier Transform)分析，鍋爐振動時爐膛內(nèi)聲學(xué)頻率為29.53Hz。 8-Apr-2211鍋爐振動頻率檢測與分析 電站鍋爐中，考慮爐膛聲學(xué)特性時，將其簡化為如下圖所示模型1。8-Apr-2212鍋爐振動頻率檢測與分析 爐膛溫度爐膛溫度1400150016001700f129.3130.1831.0231.848-Apr-2213鍋爐振動頻率檢測與分析 儀器測量值儀器測量值：通過儀器對鍋爐固有聲學(xué)頻率進(jìn)行檢測：8-Apr-2214鍋爐振動頻率檢測與分析 鍋爐振動時爐膛水冷壁振動

6、頻率如下圖：8-Apr-2215熱驅(qū)動型熱聲振動 在燃燒器-爐膛系統(tǒng)中，由于燃燒器和爐膛內(nèi)氣體存在較大溫度梯度，該系統(tǒng)易受熱驅(qū)動型熱聲不穩(wěn)定的影響。根據(jù)ASME相關(guān)文獻(xiàn)2-3 的表明，在電站鍋爐的燃燒器/爐膛系統(tǒng)中，爐膛內(nèi)煙氣溫度較高（1400-1600），而燃燒器內(nèi)空氣溫度較低（80-300），同時有持續(xù)的大量熱量輸入系統(tǒng)，因此，爐膛和燃燒器構(gòu)成的系統(tǒng)溫度梯度較大，存在熱聲不穩(wěn)定的驅(qū)動力， 系統(tǒng)易受到熱聲振動的影響。系統(tǒng)熱驅(qū)動型熱聲不穩(wěn)定發(fā)生的判斷準(zhǔn)則是：1）Rijke或Sondhauss聲波頻率及燃燒器-爐膛系統(tǒng)的頻率和聲波及爐膛氣體的聲學(xué)模態(tài)發(fā)生協(xié)同；2）由穩(wěn)定曲線定義的Rijke或So

7、ndhauss聲波處于不穩(wěn)定區(qū)域。其中條件2是誘發(fā)振蕩的根本原因。 8-Apr-2216熱驅(qū)動型熱聲振動 根據(jù)ASME文獻(xiàn)中的理論，進(jìn)行了Sondhauss 和Rijke 熱聲理論計算，本工程的計算點落在了計算曲線的不穩(wěn)定區(qū)域，根據(jù)這個理論，表明此鍋爐存在熱聲振動。計算的曲線如下所示。8-Apr-2217熱驅(qū)動型熱聲振動 ASME文獻(xiàn)中熱聲振動在本項目證實文獻(xiàn)中熱聲振動在本項目證實: 通過降低油溫，增大OFA開度，增大GRF風(fēng)量等方法，將爐內(nèi)溫度降低，熱量往爐膛上部轉(zhuǎn)移的方法，鍋爐能在不振動的條件下提高負(fù)荷運行，這更進(jìn)一步證明了鍋爐的振動與爐膛中溫度的水平有很大的關(guān)系。即爐膛溫度越高，超容易振

8、動。這也就更加證明了振動原因之一確實如AMSE 文獻(xiàn)中所講的熱聲振動。8-Apr-2218熱驅(qū)動型熱聲振動 熱驅(qū)動型熱聲振動解決采取的方案熱驅(qū)動型熱聲振動解決采取的方案: 在燃燒器和燃盡風(fēng)筒體內(nèi)增加長度、大小不一的阻尼管，以打亂爐膛內(nèi)聲波的傳播。 燃燒器和燃盡風(fēng)進(jìn)風(fēng)口改造。從原來的尾部進(jìn)風(fēng)方案，改為從筒體側(cè)面進(jìn)入，并將進(jìn)風(fēng)口的位置前移，以徹底將消除熱聲振動。 燃燒器和燃盡風(fēng)增加反射罩。在進(jìn)風(fēng)口的尾部設(shè)了錐形的一個反射罩，以打亂聲波的反射。 在每一層的大風(fēng)箱中增設(shè)了用于反射聲波的橢圓形多孔板，并在孔板內(nèi)增加吸音材料，打亂聲波的反射。8-Apr-2219熱驅(qū)動型熱聲振動8-Apr-2220 燃燒自

9、激熱聲振動 燃燒自激熱聲振動燃燒自激熱聲振動:旋流燃燒器采用旋流燃燒方式，其流動處于湍流區(qū)域，渦系豐富，流場復(fù)雜，當(dāng)燃燒室內(nèi)初始壓力、速度由于某些原因產(chǎn)生脈動，這一脈動將會激發(fā)燃燒過程中一些過程的脈動，如油滴的蒸發(fā)、湍流摻混合失熵穩(wěn)定等過程，這些脈動又使燃燒室內(nèi)熱釋放產(chǎn)生脈動，而不穩(wěn)定的放熱會產(chǎn)生聲音，聲音又會引發(fā)火焰剪切層的波動（剪切層通常起到穩(wěn)定火焰的作用），剪切層內(nèi)的波動不斷地被放大，最終分解成很多小的渦團(tuán)，這些小的渦團(tuán)會引起火焰峰面表面積的變化，從而引起熱釋放速率的變化，而熱釋放速率的變化又會影響燃燒室聲場。當(dāng)相位恰當(dāng)時，符合瑞利準(zhǔn)則4-5，在放熱脈動和聲壓波動之間形成一個正反饋回路，

10、出現(xiàn)了持續(xù)的自激諧振蕩。8-Apr-2221燃燒自激熱聲振動燃燒自激熱聲振動的證實燃燒自激熱聲振動的證實熱驅(qū)動型熱聲振動受爐膛溫度/空氣溫度影響大。但通過轉(zhuǎn)油槍的火焰溫度測試表明：沒有火焰分割板Baffle，火焰溫度升高了，但帶負(fù)荷能力反而上升。空氣預(yù)熱器擋板門打開，則后墻的空氣溫度更低，爐膛溫度/空氣溫度的比值更大，如果是單純的熱驅(qū)動型熱聲振動，則此時更易振動，但實際上負(fù)荷有所提高而不發(fā)生振動。無論是熱驅(qū)動型熱聲不穩(wěn)定，還是燃燒過程自激熱聲不穩(wěn)定，火焰的燃燒過程均是產(chǎn)生振動的主要能量來源，對于熱驅(qū)動型熱聲不穩(wěn)定，只有當(dāng)燃燒器內(nèi)空氣和爐膛內(nèi)煙氣間溫度梯度達(dá)到一臨界值，才有可能發(fā)生振動，燃燒自激

11、熱聲不穩(wěn)定中，當(dāng)不穩(wěn)定的熱釋放和聲場之間關(guān)系符合瑞利準(zhǔn)則發(fā)生耦合時，引發(fā)爐膛大幅振動。而本項目鍋爐爐膛在不同的負(fù)荷均產(chǎn)生過振動。8-Apr-2222燃燒自激熱聲振動 解決燃燒自激熱聲振動采取的方案解決燃燒自激熱聲振動采取的方案 拆除燃燒器出口的baffle。將燃燒器火焰面板上的 6塊 Baffle 拆除，以防止燃燒器出口在 baffle后面產(chǎn)生的渦流。 割除燃燒器一次風(fēng)穩(wěn)燃器的ring，以減少渦脫落引起的振動。 將油槍與穩(wěn)燃器向前推進(jìn) 30mm左右，另外設(shè)置了拉桿，以便對穩(wěn)燃器進(jìn)行調(diào)節(jié)。 增設(shè)一次風(fēng)可調(diào)節(jié)檔板，以調(diào)節(jié)每一只燃燒器一、二次風(fēng)的風(fēng)量分配。8-Apr-2223燃燒自激熱聲振動 上述措

12、施全部實施完后，鍋爐振動完全消除，至今未發(fā)生振動。8-Apr-2224測試情況 測試情況測試情況：為得到數(shù)據(jù)，在鍋爐相關(guān)部位布置了測點采集數(shù)據(jù)，測試結(jié)果分布如下：8-Apr-2225測試情況爐膛，燃燒器風(fēng)箱入口風(fēng)道（包括OFA 風(fēng)箱），各層燃燒器之間，在各種工況下同一位置處均存在30Hz 左右的主峰頻率；而在其他位置處布置的測點，包括送風(fēng)機(jī)出口風(fēng)道，省煤器出口煙道，空預(yù)器旁路風(fēng)道和出口風(fēng)道，再循環(huán)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)風(fēng)道，以及高再、高過出口水冷壁處，均不存在30Hz 左右的主峰頻率。前文中曾經(jīng)指出，造成鍋爐振動的原因包括很多方面，如送風(fēng)系統(tǒng)中氣流的脈動、煙氣再循環(huán)系統(tǒng)中煙氣的脈動、燃油系統(tǒng)內(nèi)油壓的脈動、霧化蒸汽系統(tǒng)中蒸汽壓力的脈動、燃燒器內(nèi)空氣溫度與高溫爐膛之間由于溫度差產(chǎn)生的熱聲振動以及由于卡門渦街使燃燒脈動與爐膛形成的聲學(xué)激振等等，非常復(fù)雜。但是經(jīng)過測試發(fā)現(xiàn)，只有爐膛內(nèi)部以及燃燒器系統(tǒng)中的氣流脈動產(chǎn)生了30Hz 左右的峰值，其它位置基本上沒有30Hz 左右的