脱硫塔出口尾部烟道振动的原因分析与治理技术_余仙敏.pdf

电力与能源第 44 卷第 3 期2023 年 6 月脱硫塔出口尾部烟道振动的原因分析与治理技术余仙敏（北京青山绿野环保科技有限公司，北京 102200）摘要：针对供热锅炉超低排放改造后脱硫塔出口尾部烟道出现的振动和噪声问题，首先对尾部烟道的振动进行了现场测试分析，然后对烟道内烟气流动情况进行了仿真计算分析，从理论上分析了尾部烟道产生振动的机理。现场振动测试和理论计算分析表明：尾部烟道振动的原因是冷凝器段烟道的声驻波频率与烟道结构的局部固有频率发生耦合共振，冷凝器前后异形弯头使得烟气流动产生涡流，导致流固声耦合共振，当涡流扰动能量达到一定程度时就会产生严重的振动并发出巨大噪声。据此制定了在尾部烟道增加垂直隔离板的振动治理方案，实施结果表明：该方案有效消除了耦合共振，彻底解决了尾部烟道的振动和噪声问题。关键词：脱硫塔；冷凝器；尾部烟道；耦合共振作者简介：余仙敏（1982），男，从事能源工程与管理工作。中图分类号：TM621 文献标志码：A 文章编号：2095-1256（2023）03-0282-05Cause Analysis and Treatment Technology of Tail Flue Vibration at the Exit of Desulfurization TowerYU Xianmin（Beijing Chinsuny Environmental Protection Technology Co.，Ltd.，Beijing 102200，China）Abstract：In view of the vibration and noise problems in the desulfurization tower tail flue after the ultra-low emission transformation of heating boiler，the vibration of the tail flue was firstly tested and analyzed in the field，then the flue gas flow in the flue was simulated and analyzed，and the vibration mechanism of the tail flue was theoretically analyzed.The field vibration test and theoretical calculation analysis showed that the vibration of the tail flue was caused by the coupling resonance between the acoustic standing wave frequency of the flue in the condenser section and the local natural frequency of the flue structure.The irregular elbows in front and back of the condenser made the flue gas flow generate eddy current，leading to the fluid-solid-acoustic coupling resonance.When the eddy current disturbance energy reached a certain level，serious vibration and loud noise would be produced.Accordingly，a vibration control scheme of adding vertical isolation plate in the tail flue was developed.The application results showed that the coupling resonance was eliminated and the vibration and noise of the tail flue were completely solved.Key words：desulfurization tower，condenser，tail flue，coupling resonance锅炉烟道的振动和噪声是比较常见而又难以解决的问题之一1-2。某热力有限公司因环保原因，需要对 3 台供热锅炉进行超低排放改造。在改造工程完成后进行试运行时发现，3台脱硫塔的尾部烟道均出现了严重的振动和噪声问题。为了降低尾部烟道的振动和噪声，先后对该 3 台脱硫塔的尾部烟道进行了多次改造，包括在弯头处进行导流和均流等3。然而，由于没有找到尾部烟道发生振动的根本原因，始终未能有效地降低尾部烟道的振动与噪声。本文首先对该公司 3台脱硫塔尾部烟道的振动进行现场测试分析，通过对烟道内烟气流动的仿真计算，从理论上分析尾部烟道发生振动的机理。在此基础上提出尾部烟道振动和噪声治理的DOI：10.11973/dlyny202303017发电技术282余仙敏：脱硫塔出口尾部烟道振动的原因分析与治理技术具体方案，并进行现场验证试验，方案验证通过后，再对 3个尾部烟道进行实施应用。1尾部烟道振动及其测试分析1.1尾部烟道的结构与布置3 台锅炉经超低排放改造工程后，锅炉的烟气在变频电机驱动的引风机作用下，首先经过脱硫塔脱硫，然后再通过脱硫塔尾部烟道回收余热后由烟囱排出。脱硫塔及其尾部烟道的结构布置如图 1所示。虽然 3台锅炉受到的空间限制不尽相同，但是其尾部烟道的布置基本相似。图 1中，在异形弯头 1处，烟道截面首先由 2 300 mm的圆形变成 2 200 mm2 200 mm的正方形，随之又扩大为 2 514 mm4 340 mm 的长方形，同时进行90转角，以满足冷凝器对截面尺寸的需要。1.2尾部烟道的振动现象锅炉在超低排放改造工程后投运时，发现在尾部烟道多个部位产生不同程度的振动并伴随着巨大的噪声。以 1 号锅炉为例，在设备安装完毕后投入热态运行时，当锅炉负荷达到 50%以上时，脱硫塔出口尾部烟道开始出现振动现象，噪声极大。现场查看发现，在尾部烟道上出现了较大的振动并发出噪声，甚至在烟道外部就能明显感觉到烟气流动的不均匀，疑似烟气在烟道内部打转，局部位置振动很大，特别是在冷凝器前后的异形弯头 1至异形弯头 2之间，包括冷凝器本体。现场试运行发现，当引风机的工作频率增加到 26 Hz时，冷凝器前异形弯头 1 处的振动速率已经达到了 71.3 mm s1，噪声已经超过 80 dB。1.3尾部烟道振动的测试分析为了制定尾部烟道振动治理方案，需要对其振动产生原因进行深入分析4-5。为此，本文对引风机运行在不同变频频率下烟道沿程进行多测点振动信号的采集和频谱分析。现场振动测试分析发现。（1）随着引风机运行频率的提高，尾部烟道各测点的振动幅度整体上呈现增大的趋势，这是由于引风机运行频率增加，烟道的负荷增大，导致振动幅度增大；（2）当引风机运行频率增加到24 Hz时，振动幅度突然增大，此后缓慢增大，但是当频率增加到32 Hz时，振动幅度又再次突增，并且伴随巨大的噪声；（3）尾部烟道各测点振动的主要频率为 6869 Hz的基频及其谐波频率，且该频率不随引风机运行频率的变化而变化。引风机在 26 Hz频率运行时异形弯头 1 处中间部位烟道竖壁的水平振动加速度波形和频谱如图 2 所示。由图 2（a）的加速度波形可以看出，在2 s 采样长度上，振动信号是周期平稳信号。由图 2（b）的加速度频谱可以看出，振动最大的频率为 68 Hz基频，并伴有多个谐波频率，整体上谐波振动随谐波次数的增加呈减小趋势。本文在引风机停机情况下对尾部烟道主要部位进行了结构固有频率的锤击测试。异形弯头 1处中间部位烟道竖壁锤击响应加速度的频谱如图 3所示。由图 3可见，尾部烟道竖壁处局部结构的固有频率在 68 Hz 左右。由此可见，脱硫塔尾部烟道在冷凝器段出现了局部的结构共振现象。图 1脱硫塔及尾部烟道示意图 2烟道竖壁的水平振动加速度波形和频谱283余仙敏：脱硫塔出口尾部烟道振动的原因分析与治理技术2尾部烟道流动仿真与振动机理分析为了确定 68 Hz频率振动激励的来源，本文首先对原尾部烟道及其改造后烟道的烟气流动状况进行数值仿真分析，然后对烟气流动的频率进行分析，从而对尾部烟道产生振动的机理进行分析。2.1尾部烟道流动的仿真分析首先建立尾部烟道的物理模型，如图 4所示，然后进行单元划分，确定计算的边界条件。烟道的烟气流量为 119 000 Nm3 h-1，脱硫塔出口烟气温度为 50C，系统总压降为 220 Pa，忽略冷凝器和再热器的阻力。尾部烟道烟气流动的压力分布和速度分布的流线如图 5所示。由图 5可以看出，烟气在两处异形弯头处均出现明显的卡门涡流现象。通过对尾部烟道的几次导流和均流改造，卡门涡流现象虽有所改善，但是并没有消除。因此，烟气在尾部烟道弯头处出现的卡门涡流是激发烟道振动的一个主要原因6-7。2.2尾部烟道振动机理分析根据流-固-声耦合振动理论，分析尾部烟道振动时需要考虑的主要因素包括烟气流的涡动频率、烟气流经冷凝器管排的卡门涡流脱落频率、冷凝器管束的固有频率、烟道结构固有频率以及声驻波频率等8-9。当烟气流经冷凝器时，在声驻波频率、卡门涡流脱落频率、气流涡动频率、管束固有频率中，有两种或两种以上频率发生耦合时，即可能发生共振。另外，气流分布的不均匀也可能诱发共振。烟气在经过冷凝器前的异形弯头 1的扩张段时，气流分布均匀性较差，特别是在高负荷工况下，当气流的涡动频率与声驻波频率接近时，必然会发生共振。气流涡动的原因是烟道截面积及流动方向发生大的改变，导致流场的紊乱，从而形成涡流区域。另外，当烟道内流速偏差较大时，也会形成漩涡强度较高的二次流。尾部烟道改造受到狭窄空间的限制10，由图 1可以看出，因冷凝器换热需要，在异形弯头 1处首先由圆形烟道变为方形烟道，同时烟道尺寸扩大形成大的扩散角度，随之又进行了 90角转向。因此，当气流流过异形弯头 1时，首先烟道具有较大的扩张角，导致烟气在壁面附近形成漩涡；接着烟气又流过 90弯头，根据烟气的流动特性，由于上侧压力低、下侧压力高的现象，所以必然会出现上图 3烟道竖壁水平锤击振动响应的加速度频谱图 4尾部烟道的物理模型图 5尾部烟道烟气流动的压力分布和速度分布流线284余仙敏：脱硫塔出口尾部烟道振动的原因分析与治理技术侧流速高、下侧流速低的情况，从而使气流出现双螺旋流动形式，产生二次流，形成局部涡流区。上述现象可以从图 5的仿真结果得到印证。声驻波频率计算公式为11fa=nc2W()n=1，2，（1）式中fa声驻波频率，Hz；W两壁面间的距离，m；c声速，m s1；n声学驻波的阶数，亦即半波倍数。声速与烟气温度关系如下12：c=331.451+T273.15（2）式中T烟气温度，C。由式（1）和式（2）可以计算得到尾部烟道声驻波频率与烟气温度的关系，结果如表 1所示，其中烟道宽度为 W=2.514 m。由于尾部烟道结构的固有频率在 68 Hz 左右，其共振带宽按 10%计算为 61.274.8 Hz，因此第 1阶声驻波的频率处于结构固有频率共振区内，导致尾部烟道发生声驻波频率与结构频率的耦合共振。这与对尾部烟道振动现场测试分析频谱中出现的 68 Hz基频及其各次谐波现象一致。因此，由于尾部烟气流动产生的声驻波频率落在冷凝器段烟道结构的共振带宽内，当引风机工作频率增加时，烟气流量也随之增大，当烟气漩涡的扰动能量达到一定程度时，烟道就会产生较大幅度的振动并发出巨大噪声。3尾部烟道振动治理方案与效果根据上述计算仿真和分析结果，尾部烟道振动治理的思路应从如何解耦声驻波频率与结构频率耦合共振的问题如乎。优先考虑的方案是调整声驻波频率。根据式（1），声驻波频率 fa与烟道宽度成反比，因此可以通过减小烟道宽度的方法来提高声驻波频率，实现声驻波频率与结构频率的解耦。具体方法是在保持尾部烟道的两个异形弯头之间横截面尺寸不变的情况下，通过在两个异形弯头之间沿烟气流动方向增加垂直隔板，将烟道宽度 2 514 mm 分割为几个宽度较小的烟道，以提高声驻波频率，使得声驻波既不会发生自共振，又不会与结构频率耦合发生结构共振。考虑到 3 台脱硫塔尾部烟道现场实施的难度，为了确保一次成功有效，并尽可能减少现场改造施工的工作量，在确定最终方案前首先在其中的 1 个尾部烟道上进行验证试验。试验结果表明，加装垂直隔板后在引风机的整个变频运行区间，尾部烟道上均未出现大的振动，表明本文确定的振动治理方案是非常有效的。在此验证试验基础上，确定了最终的实施方案，并在 3台脱硫塔尾部烟道上实施，均取得了预期效果。4结语（1）尾部烟道出现振动和噪声问题与烟道本身的结构有关，烟道截面的急剧扩散和大角度转向易导致烟气流动产生涡流现象，通过导流和均流等措施可以改善涡流现象，但是很难彻底消除振动与噪声问题。（2）烟道截面尺寸和烟气温度决定了烟道的各阶声驻波频率，烟道中烟气流动产生的涡流频率一旦与烟道的任一阶声驻波频率耦合，就有可能产生该阶声驻波共振。（3）当烟气涡流频率、声驻波频率与烟道上局部结构的固有频率发生流-固-声耦合共振时，一旦涡流的扰动能量达到一定程度，必将导致烟道在该处附近产生巨大的振动并发出巨大噪声。（4）合理设置烟道隔板可以对烟道的流-固-声耦合共振进行解耦，是解决烟道振动和噪声问题的有效手段。参考文献：1王礼鹏.1 000 MW 机组高负荷烟道振动问题分析及治理J.节能，2021，40（8）：65-67.2张永福，许怀鹏.超净排脱硫改造风机和烟道振动分析及表 1尾部烟道声驻波频率与烟气温度的关系烟气温度 T/C10152030405060声速 c/（ms-1）337.0340.0342.9348.7354.4360.0365.6声驻波频率 fa/Hzn=167.067.668.269.470.571.672.7n=2134.0135.2136.4138.8141.0143.2145.4n=3201.0202.8204.6208.2211.5214.8218.1285余仙敏：脱硫塔出口尾部烟道振动的原因分析与治理技术对策 J.冶金动力，2018（5）：46-48.3白斌.锅炉烟道系统振动分析及改造研究 J.装备制造技术，2014（7）：267-268，273.4李发彪，段维飞，邹勇.烟道式余热锅炉振动情况分析J.世界有色金属，2020（6）：281-282.5蒋建伟，朱伟，廖晓春.600 MW 机组 MGGH 烟道振动原因分析及对策 J.发电设备，2018，32（3）：220-222.6茅正东，张海峰，李光耀.余热锅炉水平烟道振动问题分析J.水泥技术，2017（6）：78-82.7李有信.超临界锅炉尾部烟道振动分析及治理 J.华电技术，2017，39（10）：49-51.8章华熔，林翔，叶兴联，等.流场优化消除烟道振动研究J.电力科技与环保，2018，34（2）：33-35.9赵建新.电厂锅炉尾部烟道振动分析 J.现代电力，2009，26（5）：49-51.10 梁巍，梁岚清，邢淑艳，等.锅炉烟风管道振动问题解决方法的探讨 J.电站系统工程，2018，34（2）：37-38.11 王珂，王鹏程.350 MW 超临界循环流化床锅炉尾部烟道振动分析及改造 J.山西电力，2018（5）：53-55.12 罗京，郭中华.空气中声速随温度变化规律的简易实验J.大学物理，2022，41（4）：56-60.收稿日期：2023-02-18(本文编辑：赵艳粉）要由石英材质制作而成，而石英是绝缘的，且具有良好的防腐蚀性能；光纤中传输的激光脉冲的频段远远高于电磁场的频段，完全不受电磁干扰，因此既使用现场有强电磁场也不会对其正常工作造成影响。（7）安全可靠：光纤在正常工作时根据其材料特性完全不会产生电火花，光纤中传输的激光脉冲平均功率很低，当受到外力破坏后，既使光纤发生断裂也不会对周围环境造成影响，更不会产生任何危险10。（8）施工简单，后期维护方便：光纤具有很强的抗压抗拉能力，施工简单方便，在正常使用时不会出现任何问题，当受到外力破坏后，维修反应速度较快。能够较快发现破坏点，经专业人员重新熔接后便可以恢复正常工作。（9）在线监测就地化：实现对防外破区域的现场实时监测，这是在线监测系统实现测量高精确性和高可靠性的重要保证。（10）系统维护方便：由于采用了先进的总线网络和模块化的硬件结构设计，使得在线监测系统的现场安装、调试及维护非常方便。4结语本文运用分布式光纤测振技术和基于目标检测的视频智能监测技术，对分布式光纤路径的外破事件进行智能监控和分析，能够对敷埋分布式光纤的防区进行全天候在线监测。当有外破事件发生时，系统可以及时地将报警信息发送给负责人，必要时可以对外破事件进行及时补救，大大减少了由设施外破带来的经济损失和人员监控需要，对周界安防具有十分重要的意义，可达到保障施工车辆操作人员工作安全、提升电网运行可靠性的目的。参考文献：1刘颖刚，冯德全.光纤传感器技术与应用 M.北京：中国石化出版社，2021.2谢荣斌，马春雷，朱俊，等.开关柜局部放电传感器监测方案及仿真研究 J.电力与能源，2021，42（5）：549-553.3赵晨宇，陈宁，袁成，等.光纤芯交换机器人在变电站中的应用 J.电力与能源，2022，43（3）：228-231.4曾繁祎，陈太艺，周川.基于光纤传感技术的输电线路在线监测技术 J.电力与能源，2022，43（4）：322-325.5苏山杰，陈俊豪，张之云.基于深度学习的车辆目标检测算法综述 J.汽车文摘，2022，559（8）：14-23.6李爱娟，巩春鹏，黄欣，等.自动驾驶汽车目标检测方法综述 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