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锅炉振动分析及解决方案

检测仪

来源:检测仪 点击数:1755次 更新时间:2015-1-22 10:24:21
诊断名称:锅炉振动分析及解决方案
备注信息:

摘要:本文通过沙特某电站燃油锅炉振动原因分析及改造方案,为解决类似锅炉振动问题提供借鉴。

关键词:锅炉振动、热声振动、燃烧自激振动、涡脱落

锅炉、燃烧器简介

沙特某电站共两台660MW燃油机组,锅炉是亚临界参数、自然循环燃油锅炉。燃烧器前后墙对冲布置,一次中间再热,再热蒸汽温度采用烟气再循环调节,平衡通风,单炉膛背靠背露天布置,全钢架汽包锅炉。锅炉燃用沙特380CST重油。 
锅炉炉膛呈长方形(14m×18.36m),底部前后墙水冷壁向中心收缩形成 25°倾角的冷灰斗,燃烧器采用了前后墙对冲布置,空气分级燃烧技术。在炉膛前后墙各布置四层低NOx燃烧器,每层6只,全炉共设有48只。每只燃烧器均设有点火油枪,用于启动和维持低负荷燃烧。在重油燃烧器上方还布置有12只燃尽风喷口,在炉膛内完成分级送风,降低锅炉氮氧化物的排放。
燃烧器均匀分布在各层大风箱内。从空气预热器来的热风从燃烧器的尾部,进入圆柱形燃烧器,热风在燃烧器内部沿圆柱的周向分为两股风,外圆周部分为二次风,内圆周部份为一次风。在一次风出口处还布置有一次风的稳燃环,其作用主要用于重油的着火与稳定燃烧。燃烧器的一次风、二次风的比例和稳燃器的位置设计为固定式。


锅炉初次振动过程简述
1#机组负荷缓慢升至420MW 时(重油压力从1.18MPa 提升至1.2MPa),锅炉发生强烈振动,采取降低油压,减负荷等措施,锅炉振动消失;其后,采取调整氧量和风量等措施锅炉仍然存在剧烈振动,后停炉检查;检查未发现异常。
锅炉从首次发生振动至完全解决,历时半年;产生锅炉振动的可能原因很多,包括:送风系统中气流的脉动、烟气再循环系统中烟气的脉动、燃油系统内油压的脉动、雾化蒸汽系统中蒸汽压力的脉动、燃烧器内空气温度与高温炉膛之间由于温度差产生的热声振动、燃烧脉动与炉膛形成的声学激振、卡门涡街引起的烟气振动、炉膛负压波动等等,异常复杂。
    对锅炉振动根源认知是从浅到深,逐渐清晰的过程;在初期,锅炉振动时,尾部竖井与空预器连接的水平烟道也发生振动;认为是因水平烟道振动引起的锅炉振动;同时也认为重油枪喷嘴出力未达到设计值也是引起炉膛振动的原因。
    在烟道内安装隔板和导流板后解决了烟道振动,同时也更换了新型喷嘴,但发现锅炉本身振动并未消除,反而有愈演愈烈的趋势。后通过大量实验和数据、资料收集,经分析与计算,引起锅炉振动根本原因可归纳为热驱动型热声振动和燃烧自激型热声振动。
锅炉振动频率检测与分析
    炉膛内声学分析:锅炉振动时对炉膛内声音进行采集和FFT (Fast Fourier Transform)分析,锅炉振动时炉膛内声学频率为29.53Hz。


电站锅炉中,考虑炉膛声学特性时,将其简化为如下图所示模型[1]。


仪器测量值:通过仪器对锅炉固有声学频率进行检测:


锅炉振动时炉膛水冷壁振动频率如下图:


热驱动型热声振动
     在燃烧器-炉膛系统中,由于燃烧器和炉膛内气体存在较大温度梯度,该系统易受热驱动型热声不稳定的影响。根据ASME相关文献[2-3] 的表明,在电站锅炉的燃烧器/炉膛系统中,炉膛内烟气温度较高(1400-1600℃),而燃烧器内空气温度较低(80-300℃),同时有持续的大量热量输入系统,因此,炉膛和燃烧器构成的系统温度梯度较大,存在热声不稳定的驱动力, 系统易受到热声振动的影响。系统热驱动型热声不稳定发生的判断准则是:1)Rijke或Sondhauss声波频率及燃烧器-炉膛系统的频率和声波及炉膛气体的声学模态发生协同;2)由稳定曲线定义的Rijke或Sondhauss声波处于不稳定区域。其中条件2是诱发振荡的根本原因。 
根据ASME文献中的理论,进行了Sondhauss 和Rijke 热声理论计算,本工程的计算点落在了计算曲线的不稳定区域,根据这个理论,表明此锅炉存在热声振动。计算的曲线如下所示。


ASME文献中热声振动在本项目证实:
通过降低油温,增大OFA开度,增大GRF风量等方法,将炉内温度降低,热量往炉膛上部转移的方法,锅炉能在不振动的条件下提高负荷运行,这更进一步证明了锅炉的振动与炉膛中温度的水平有很大的关系。即炉膛温度越高,超容易振动。这也就更加证明了振动原因之一确实如AMSE 文献中所讲的热声振动。
热驱动型热声振动解决采取的方案:
在燃烧器和燃尽风筒体内增加长度、大小不一的阻尼管,以打乱炉膛内声波的传播。
燃烧器和燃尽风进风口改造。从原来的尾部进风方案,改为从筒体侧面进入,并将进风口的位置前移,以彻底将消除热声振动。
燃烧器和燃尽风增加反射罩。在进风口的尾部设了锥形的一个反射罩,以打乱声波的反射。


在每一层的大风箱中增设了用于反射声波的椭圆形多孔板,并在孔板内增加吸音材料,打乱声波的反射。
燃烧自激热声振动
燃烧自激热声振动:旋流燃烧器采用旋流燃烧方式,其流动处于湍流区域,涡系丰富,流场复杂,当燃烧室内初始压力、速度由于某些原因产生脉动,这一脉动将会激发燃烧过程中一些过程的脉动,如油滴的蒸发、湍流掺混合失熵稳定等过程,这些脉动又使燃烧室内热释放产生脉动,而不稳定的放热会产生声音,声音又会引发火焰剪切层的波动(剪切层通常起到稳定火焰的作用),剪切层内的波动不断地被放大,终分解成很多小的涡团,这些小的涡团会引起火焰峰面表面积的变化,从而引起热释放速率的变化,而热释放速率的变化又会影响燃烧室声场。当相位恰当时,符合瑞利准则[4-5],在放热脉动和声压波动之间形成一个正反馈回路,出现了持续的自激谐振荡。
燃烧自激热声振动的证实
热驱动型热声振动受炉膛温度/空气温度影响大。但通过转油枪的火焰温度测试表明:没有火焰分割板Baffle,火焰温度升高了,但带负荷能力反而上升。
空气预热器挡板门打开,则后墙的空气温度更低,炉膛温度/空气温度的比值更大,如果是单纯的热驱动型热声振动,则此时更易振动,但实际上负荷有所提高而不发生振动。
无论是热驱动型热声不稳定,还是燃烧过程自激热声不稳定,火焰的燃烧过程均是产生振动的主要能量来源,对于热驱动型热声不稳定,只有当燃烧器内空气和炉膛内烟气间温度梯度达到一临界值,才有可能发生振动,燃烧自激热声不稳定中,当不稳定的热释放和声场之间关系符合瑞利准则发生耦合时,引发炉膛大幅振动。而本项目锅炉炉膛在不同的负荷均产生过振动。
解决燃烧自激热声振动采取的方案
拆除燃烧器出口的baffle。将燃烧器火焰面板上的 6块 Baffle 拆除,以防止燃烧器出口在 baffle后面产生的涡流。
割除燃烧器一次风稳燃器的ring,以减少涡脱落引起的振动。
将油枪与稳燃器向前推进 30mm左右,另外设置了拉杆,以便对稳燃器进行调节。
增设一次风可调节档板,以调节每一只燃烧器一、二次风的风量分配。

上述措施全部实施完后,锅炉振动完全消除,至今未发生振动。
测试情况
测试情况:为得到数据,在锅炉相关部位布置了测点采集数据,测试结果分布如下:

炉膛,燃烧器风箱入口风道(包括OFA 风箱),各层燃烧器之间,在各种工况下同一位置处均存在30Hz 左右的主峰频率;而在其他位置处布置的测点,包括送风机出口风道,省煤器出口烟道,空预器旁路风道和出口风道,再循环风机系统风道,以及高再、高过出口水冷壁处,均不存在30Hz 左右的主峰频率。
前文中曾经指出,造成锅炉振动的原因包括很多方面,如送风系统中气流的脉动、烟气再循环系统中烟气的脉动、燃油系统内油压的脉动、雾化蒸汽系统中蒸汽压力的脉动、燃烧器内空气温度与高温炉膛之间由于温度差产生的热声振动以及由于卡门涡街使燃烧脉动与炉膛形成的声学激振等等,非常复杂。但是经过测试发现,只有炉膛内部以及燃烧器系统中的气流脉动产生了30Hz 左右的峰值,其它位置基本上没有30Hz 左右的脉动,这说明炉膛内的热声振动自激型的热声振动占主导。上述解决方案正确。
总结:
本文分析了沙特某电站燃油锅炉振动产生的原因及解决方案;从发生振动至解决历时半年,前后共6次大规模锅炉改造,耗费了大量的人力物力。我们希望在遇到类似问题的时候,可以借鉴本文解决方案。并在进行锅炉设计时,核实燃烧器和锅炉的匹配参数等,避免类似事件再次发生。

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