管式空气预热器振动的原因分析及处理

管式空气预热器振动的原因分析及处理
一、前言
茂名热电厂建于1958年，锅炉设备为两台220t/h和两台410t/h
的燃油锅炉，到了20世纪末，油价不断上升，为了降低发电成本，
茂名热电厂发展水煤浆应用技术，以煤代油，推广洁净燃料水煤浆燃
料。于2001～2002年先后把两台220t/h燃油炉改为燃水煤浆、油两
用炉，成为国家级水煤浆燃烧发电的示范基地。于2004年，又把#3
炉为WGZ410/100-3型燃油炉改烧水煤浆，为保证锅炉的出力，进行
了锅炉炉膛扩容，降低炉膛热负荷等技术改造，尾部回转式预热器改
为管式预热器。炉改安装施工完，进行了锅炉的风压和冷态试验，在
试验过程中，当送风机的调节档板开到40%时，管式空气预热及其入
口风道出现了较为剧烈的振动，风机无法继续升负荷。随着送风机负
荷的升高，管式空气预热器振动加剧，被迫进行管式空气预热器防振
改造处理。
二、原因分析
本次改造的管式空气预热器结构布置分为高、低温两级，低温段
又分为上、下两段，均采用错列光管束立式布置。预热器剧烈振动时，
甲、乙两侧送风机调节档板开度35%，甲送风机：电流41.9A，风机
出口压力1810Pa，风量18万立方米；乙送风机：电流37.2A，风机
出口压力1087Pa，风量15万立方米。根据现试运情况及测试数据，
振动剧烈，振动声音很大。
在管式空气预热器中，当汽流横向绕流管束时，卡门涡街的交替
脱落会引起风声响效应，因为卡门涡流的交替脱落会引起空气预热器
中气柱的振动。当漩涡的脱落频率与管箱的声学驻波振动频率相重合
时，会诱发强烈的管箱声学驻波振动，产生很大的噪声，造成空气预
热器管箱的激烈振动。
卡门涡流频率
fK=StV/d
式中：St———斯特罗哈数
V———空气进入空预器速度
D———管子的直径
气室固有频率
fc=
式中：C———谐波的阶次
T———气流平均温度
L———气室宽度
当C=1时，气室固有频率称为基本频率，以f表示。
管式空气预热器的声学共振过程是锅炉机组升负荷时，卡门涡流
频率逐渐接近于气室固有频率，首先在锅炉低负荷时可能重合，由于
激发能还不足以产生强烈的振动，随着锅炉负荷的增加，使空气预热
器产生强烈的振动，并发出噪声，导致于设备疲惫破坏和锅炉机组被
迫被迫降负荷运行。由于气流振动是多阶次的，卡门涡流频率和气室
固有频率可能在一次阶波上重合，也可能在较高阶波上重合。
三、处理方法
管式空气预热器的声学共振的消除方法一般有下述三种：
方法一：圆管改为流线型或螺旋肋片式管子，消除卡门涡流效应。这
将引起制造成本等一系问题。
方法二：改变管子节距，使St系数增或减，从而改变卡门涡流频率。
实际难以实现。
方法三：提高气室固有频率，加装消振隔板将气室分成几个空腔，提
高振风量，避免声学共振。
根据茂名热电厂家#3炉安装情况，采用方法三是简易可行的。
管式空气预热的防振设计是按照气室的固有频率的基本频率在
所有的锅炉负荷内都大于卡门涡流频率来选择气室的宽度。故管式空
气预热器的防振必要条件为：
fc＞m.·fk
式中：fc———气室固有频率
fk———卡门涡流频率
m———储备系数，错列管束，取1.5。
1.现低温段下部管箱为错列布置：查得St=0.5
进入空预器速度V=7.3m/s
管子的直径d=0.04m
则：fk=0.5×7.3／0.04=91.25
m·fk=1.5×91.25=136.88
管箱宽度L=5.96m
管箱进口处：T1=273+25=298K
f1===28.96
管箱出口处：T2=273+105=378K
f2===32.62
根据以上计算，所有管箱单元均未满足管式空气预热器振动必要条件
fc＞m·fk，故应加装防振隔板，将气室分成几个腔，以提高气室的
固有频率。
若加装隔板数为n，则应满足·f＞m·fk=136.88
对管箱进口：n1＞m·fk／f1－1=136.88／28.96－1=3.72
对管箱出口：n2＞m·fk／f2－1=136.88／32.62－1=3.19
为确保管式空气预热器的防振必要条件fc＞m·fk，采用n=5；
即低温段下部两组多加装防振板5块，加装隔板须取掉部分钢管，排
烟温度有所提高，经计算会造成锅炉效率下降0.03%，影响较小。
1.现低温段上部管箱为错列布置：查得St=0.5
进入空预器速度V=5.9m／s
管子的直径d=0.04m
则fk=0.5×5.9／0.04=73.75
m·fk=1.5×73.75=110.63
管箱宽度：L=5.96m
管箱进口处：T1=273+105=378K
f1===32.62
管箱出口处：T2=273+183=456K
f2===35.83
根据以上计算，所有管箱单元均未满足管式预热器的防振必要条
件fc＞m·fk，故应加装防振板，将气室分几个腔，以提高气室的固
有频率。
若加装隔板数为n，则应满足·f＞m·fk=110.63
对管箱进口：n1＞m·fk／f1－1＝110.63／32.62－1＝2.39
对管箱出口：n2＞m·fk／f2－1=110.63／35.83－1=2.09（取整数为3）
为确保管式空气预热器的防振必要条件fc＞m·fk，采用n=3，即低
温段上部管箱加装防振隔板3块。
2.高温段管箱为错列布置；查得St=0.5
进入空预热速度v=8.1m／s
管子的直径d=0.04m
则fk=0.5×8.1／0.04=101.25
m·fk=1.5×101.25=151.88
管箱宽度L=5.96m.
管箱进口处；T1=273＋183=456K
f1===35.83
管箱出口处；T2=273＋339=612K
f2===41.51
根据以上计算，所有管箱单元均未满足管式空气预热器的防振必
要条件fc＞m·fk，故应加装防振板，将气室分成几个腔，以提高气
室的固有频率。
若加装隔板数为n，则应满足·f＞m·fk=151.88
对管箱进口：n1＞ｍ·ｆk／ｆ1－1=151.88－1=3.24（取整数4）
对管箱出中：n2＞m·fk／f2－1=151.88／41.51－1=2.66（取整数为3）
为确保管式空气预热器的防振必要条件fc＞m·fk，采用n=4，即加
装防振隔板4块。
根据计算结果，在空气预热器低温段下部每组加装防防振板5
块，低温段上部加装防振板3块，高温段每组加装防振板4块。改造
后启动风机试，风机档板开度100%，管式空
气预热器振动及噪音正常，达到预期效果。
四、结语
1.卡门涡流是产生管式预热器振动的主要原因。
2.为消除管式预热器的振动，加装防振隔板的处理方法是十分必要
的，也是可行的。改造成功至今已一年多了，期间运行正常，效果非
常好，为机组安全、多发电作出了贡献。