鍋爐震動(dòng)分析及解決方案

1、1鍋爐振動(dòng)分析鍋爐振動(dòng)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(dòng)原因分析及改造方案，為解決類似鍋爐振動(dòng)問題提供借鑒。關(guān)關(guān)鍵詞：鍵詞：鍋爐振動(dòng)、熱聲振動(dòng)、燃燒自激振動(dòng)、渦脫落8-Apr-223鍋爐、燃燒器簡(jiǎn)介 沙特某電站共兩臺(tái)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(duì)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(jiǎn)介 鍋爐爐膛呈長(zhǎng)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(duì)沖布置，空氣分級(jí)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(diǎn)火油槍，用于啟動(dòng)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(jí)送風(fēng)，降低鍋爐氮氧化物的排放。8-Apr-225鍋爐、燃燒器簡(jiǎn)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(jì)為固定式。8-Apr-226鍋爐、燃燒器簡(jiǎn)介8-Apr-227鍋爐初次振動(dòng)過程簡(jiǎn)述 1#機(jī)組負(fù)荷緩慢升至420MW 時(shí)（重油壓力從1.18MPa 提升至1.2MPa），鍋爐發(fā)生強(qiáng)烈振動(dòng)，采取降低油壓，減負(fù)荷等措施，鍋爐振動(dòng)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(dòng)，后停爐檢查；檢查未發(fā)現(xiàn)異常。8-Apr-228鍋爐初次振動(dòng)過程簡(jiǎn)述 鍋爐從首次發(fā)生振動(dòng)至完全解決，歷時(shí)半年；產(chǎn)生鍋爐振動(dòng)的可能原因很多，包括：送風(fēng)系統(tǒng)中氣流的脈動(dòng)、煙氣再循環(huán)系統(tǒng)中煙氣的脈動(dòng)、燃油系統(tǒng)內(nèi)油壓的脈動(dòng)、霧化蒸汽系統(tǒng)中蒸汽壓力的脈動(dòng)、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(dòng)、燃燒脈動(dòng)與爐膛形成的聲學(xué)激振、卡門渦街引起的煙氣振動(dòng)、爐膛負(fù)壓波動(dòng)等等，異常復(fù)雜。8-Apr-229鍋爐初次振動(dòng)過程簡(jiǎn)述 對(duì)鍋爐振動(dòng)根源認(rèn)知是從淺到深，逐漸清晰的過程；在初期，鍋爐振動(dòng)時(shí)，尾部豎井與空預(yù)器連接的水平煙道也發(fā)生振動(dòng)；認(rèn)為是因水平煙道振動(dòng)引起的鍋爐振動(dòng)；同時(shí)也認(rèn)為重油槍噴嘴出力未達(dá)到設(shè)計(jì)值也是引起爐膛振動(dòng)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(dòng)，同時(shí)也更換了新型噴嘴，但發(fā)現(xiàn)鍋爐本身振動(dòng)并未消除，反而有愈演愈烈的趨勢(shì)。后通過大量實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)、資料收集，經(jīng)分析與計(jì)算，引起鍋爐振動(dòng)根本原因可歸納為熱驅(qū)動(dòng)型熱聲振動(dòng)和燃燒自激型熱聲振動(dòng)。8-Apr-2210鍋

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

6、頻率如下圖：8-Apr-2215熱驅(qū)動(dòng)型熱聲振動(dòng) 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(dòng)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(shí)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(dòng)力， 系統(tǒng)易受到熱聲振動(dòng)的影響。系統(tǒng)熱驅(qū)動(dòng)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(dòng)型熱聲振動(dòng) 根據(jù)ASME文獻(xiàn)中的理論，進(jìn)行了Sondhauss 和Rijke 熱聲理論計(jì)算，本工程的計(jì)算點(diǎn)落在了計(jì)算曲線的不穩(wěn)定區(qū)域，根據(jù)這個(gè)理論，表明此鍋爐存在熱聲振動(dòng)。計(jì)算的曲線如下所示。8-Apr-2217熱驅(qū)動(dòng)型熱聲振動(dòng) ASME文獻(xiàn)中熱聲振動(dòng)在本項(xiàng)目證實(shí)文獻(xiàn)中熱聲振動(dòng)在本項(xiàng)目證實(shí): 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(dòng)的條件下提高負(fù)荷運(yùn)行，這更進(jìn)一步證明了鍋爐的振動(dòng)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(dòng)。這也就更加證明了振動(dòng)原因之一確實(shí)如AMSE 文獻(xiàn)中所講的熱聲振動(dòng)。8-Apr-2218熱驅(qū)動(dòng)型熱聲振動(dòng) 熱驅(qū)動(dòng)型熱聲振動(dòng)解決采取的方案熱驅(qū)動(dòng)型熱聲振動(dòng)解決采取的方案: 在燃燒器和燃盡風(fēng)筒體內(nèi)增加長(zhǎng)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(dòng)。 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(gè)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(dòng)型熱聲振動(dòng)8-Apr-2220 燃燒自

9、激熱聲振動(dòng) 燃燒自激熱聲振動(dòng)燃燒自激熱聲振動(dòng):旋流燃燒器采用旋流燃燒方式，其流動(dòng)處于湍流區(qū)域，渦系豐富，流場(chǎng)復(fù)雜，當(dāng)燃燒室內(nèi)初始?jí)毫?、速度由于某些原因產(chǎn)生脈動(dòng)，這一脈動(dòng)將會(huì)激發(fā)燃燒過程中一些過程的脈動(dòng)，如油滴的蒸發(fā)、湍流摻混合失熵穩(wěn)定等過程，這些脈動(dòng)又使燃燒室內(nèi)熱釋放產(chǎn)生脈動(dòng)，而不穩(wěn)定的放熱會(huì)產(chǎn)生聲音，聲音又會(huì)引發(fā)火焰剪切層的波動(dòng)（剪切層通常起到穩(wěn)定火焰的作用），剪切層內(nèi)的波動(dòng)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(huì)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(huì)影響燃燒室聲場(chǎng)。當(dāng)相位恰當(dāng)時(shí)，符合瑞利準(zhǔn)則4-5，在放熱脈動(dòng)和聲壓波動(dòng)之間形成一個(gè)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(dòng)燃燒自激熱聲振動(dòng)的證實(shí)燃燒自激熱聲振動(dòng)的證實(shí)熱驅(qū)動(dòng)型熱聲振動(dòng)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(cè)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?？諝忸A(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(dòng)型熱聲振動(dòng)，則此時(shí)更易振動(dòng)，但實(shí)際上負(fù)荷有所提高而不發(fā)生振動(dòng)。無論是熱驅(qū)動(dòng)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(dòng)的主要能量來源，對(duì)于熱驅(qū)動(dòng)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(dòng)，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(chǎng)之間關(guān)系符合瑞利準(zhǔn)則發(fā)生耦合時(shí)，引發(fā)爐膛大幅振動(dòng)。而本項(xiàng)目鍋爐爐膛在不同的負(fù)荷均產(chǎn)生過振動(dòng)。8-Apr-2222燃燒自激熱聲振動(dòng) 解決燃燒自激熱聲振動(dòng)采取的方案解決燃燒自激熱聲振動(dòng)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(dòng)。 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(duì)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(dòng) 上述措

12、施全部實(shí)施完后，鍋爐振動(dòng)完全消除，至今未發(fā)生振動(dòng)。8-Apr-2224測(cè)試情況 測(cè)試情況測(cè)試情況：為得到數(shù)據(jù)，在鍋爐相關(guān)部位布置了測(cè)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)，測(cè)試結(jié)果分布如下：8-Apr-2225測(cè)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(cè)點(diǎn)，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(dòng)的原因包括很多方面，如送風(fēng)系統(tǒng)中氣流的脈動(dòng)、煙氣再循環(huán)系統(tǒng)中煙氣的脈動(dòng)、燃油系統(tǒng)內(nèi)油壓的脈動(dòng)、霧化蒸汽系統(tǒng)中蒸汽壓力的脈動(dòng)、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(dòng)以及由于卡門渦街使燃燒脈動(dòng)與爐膛形成的聲學(xué)激振等等，非常復(fù)雜。但是經(jīng)過測(cè)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(dòng)產(chǎn)生了30Hz 左右的峰值，其它位置基本上沒有30Hz 左右的