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1、长沙电力学院学报(自然科学版)第13卷第3期JOURNALOFCHANGSHAUNIVERSITYVol.13No.31998年8月OFELECTRICPOWER(NATURALSCIENCE)Aug.1998锅炉尾部烟道的振动计算黄革(长沙电力学院动力工程系长沙410077)1问题的提出电站锅炉尾部烟道的振动是一个普遍存在的问题,从国内自行设计制造的25MW和50MW中型锅炉到引进国外先进技术的300MW大型锅炉,均有过关于尾部烟道振动的报道.电站锅炉尾部烟道振动的特点是:振动频率低、能量大.振动时产生强烈噪音和沉闷气浪,从而造成严重的环境污染,更严重的是,有时振动的能量足以
2、在短期内使锅炉炉墙振裂、振源附近的结构件形成疲劳破坏.笔者在为一台25MW电站锅炉改装玻璃管空气预热器时,就遇到如何防振的问题.该锅炉低温级钢管空气预热器腐蚀严重,每3～4年就要更新一次,为此决定改装成玻璃管空气预热器.但该锅炉运行时,尾部烟道振动剧烈,噪声达95～105dB,炉墙护板时有振裂情况.玻璃管虽然防腐,但耐振能力极差,如不解决振动问题,改装玻璃管空气预热器就成为一纸空谈.2尾部烟道振动产生的原因气流激发的噪声有湍流噪声、射流噪声、激波噪声和旋转噪声4种类型.锅炉尾部烟道的噪声为烟气横向冲刷受热面管子、由所谓卡门旋涡产生的湍流噪声(该锅炉原空气预热器为立式钢管结构,因
3、此,还有由管口喷出高速气流产生的射流噪声.但改装的玻璃管空气预热器为卧式,烟气从管外横向冲刷,所以本文只讨论湍流噪声).当烟气高速横向冲刷过管束时,在管束的后面就会由于气流脱离管壁而产生旋涡,称为卡门旋涡.在一定条件下,卡门旋涡会激起烟道左右两墙之间的某阶驻波如图1.这种驻波在管束段的平行炉墙之间来回反射,不往外传播能量,而卡门旋涡能量不断输入,当驻波频率和卡门旋涡频率耦合时,烟道就会产生强烈的共振而发出噪声.图1驻波图收稿日期1998-04-07314长沙电力学院学报(自然科学版)1998年8月3尾部烟道振动计算湍流噪声的峰值频率fk为ufK=Str(Hz),(1)d式中u为
4、烟气速度(m/s),d为受热面管子外径(m),Str为Strouhal数,是一个与雷诺数有关的0.180.36无因次量,若设管排的纵向节距为L,横向节距为T,则顺列管排Str=(+)d,错列TL0.340.67管排Str=(+)d.TL烟道内烟气温度为t℃时,声速C为C=f=16.92t+273(m/s)(2)c式中为驻波的波长.从式(2)可知,==f16.92t+273.f设B为烟道宽度(m),驻波存在时,左右墙之间的半波数为n,从图2可看出n()=B,即22B2Bfn==.(3)16.92T+273图2半波图4消除尾部烟道振动的方法减小烟道内受热面管排的纵向节距,
5、可以直接从振源上解决振动.但受热面的管排节距是根据传热和流阻计算确定的,很难与防振要求的节距一致;改变管子外形,例如采用鳍片管作受热面,既有利于增加受热面积,又可主动消除振动.但目前尚缺少非圆柱形管子有关声学振动的研究;将矩形烟道左右墙之一改为倾斜墙,可使驻波反射出烟道外而没有足够的能量支持振动和噪声.但这种炉墙结构在锅炉尾部烟道上是难以实现的.目前消除锅炉尾部烟道振动最有效的方法就是根据驻波的频率和波长,在驻波节点以外适当的地点装设平行隔板(一般装在位移驻波半波的50%～75%范围内),平行隔板数N可根据半波数n按表1估算出来.平行隔板可以是等距离的,也可以根据具体情况,装设
6、成不等距离的.这样将共振烟道分隔成几个较小的烟道,以提高烟道横向声学频率,使驻波频率与卡门旋涡频率不致于耦合,从而消除噪声振动.表1半波数与隔板数对应关系5锅炉变工况时的消振与半波数n相锅炉往往是在变工况下运行,这时,投入锅炉的燃料量半波数n应的隔板数N要随外界负荷而变动,烟气的速度和温度也会随之改变.从n<3时N=n式(1)、(2)可知,湍流噪声的峰值频率fk和声速C都会改n=3～6时N=n+1变,进而可知,驻波的波长和左右墙之间的半波数n也会改n>6时N=2n-5变.根据尾部烟道振动产生的原因还可知,如果把平行隔板等距离地装在驻波的节点处,是不起消声消振的作用的.因此,为了
7、保证锅炉在任何工况下都不致于产生强烈的噪声振动,应该对锅炉的全部工况(一般是60%～100%负荷)进行振动计算,求出各种工况下的驻波波长和半波数,再确定装设第13卷第3期黄革:锅炉尾部烟道的振动计算315平行隔板的数目N和装设的位置,其正确位置应该是在锅炉运行的各种工况下,都不处于驻波的节点处.6实例笔者为锅炉设计的玻璃管空气预热器,管排错列布置,横向节距T=65mm,纵向节距L=50mm,烟道宽度B=7.35m,玻璃管外径d=40mm,在额定工况下,烟速u=9.375m/s,烟温t=180
