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锅炉炉膛、燃烧器的振动和噪音浅析哈尔滨电站设备成套设计研究所孙继德张国军曲美菊摘要文中阐述了炉膛、燃烧器振动和噪音产生的机理,以及引起炉膛、燃烧器振动和噪音的主要因素,并提出相应的消除措施,为锅炉和燃烧器的设计、运行提供有价值的依据。关键词:锅炉炉膛燃烧器振动和噪音多年来,电站锅炉炉膛和燃烧器的振动和噪音一直是在一些电厂,特别是在采用燃油或燃气锅炉的电厂中经常发生而又未能妥善解决的问题,其特征是最大振幅往往出现在燃烧器附近,并沿烟气流程逐渐衰减。如发生空间共振(即产生驻波),就可能会使锅炉设备产生强烈振动和噪音,并影响锅炉炉墙和刚性梁的强度。在大型电站日益增多,锅炉、燃烧器向大容量、高负荷方向发展时,更易引起、助长炉膛、燃烧器的振动和噪音。这不仅不利于电厂的安全生产和机组的正常运行,还会给设备维护、改善工作环境、防止公害等带来不利因素。因此,了解炉膛、燃烧器振动和噪音的产生原因并积极地采取行之有效的预防和消除措施,解决振动和噪音对设备、环境所造成的危害,意义重大。由于炉膛内气体压力波动是火焰和炉膛及相关部件相互作用而产生的,因此采取一定措施干扰其相互作用耦合,就能达到消除或降低振动和噪音的目的。为更好地理解这一点,我们将首先扼要地分析一下炉膛振动的机理。如果把锅炉炉膛作为一个封闭的管子,在受激状态下,其内部会产生驻波,根据声学定律,其振动频率与几何尺寸有关,可表示为:f=n+1c;n=(1)2l其中:l—炉膛特征长度(一般为炉膛宽度值);c—声波在炉内烟气中传播速度;n—波的阶次,即半波,n=0;全波,n=1振动和噪音产生原因分析目前,尚不能从理论上去预算出燃烧器的固有频率,事先没法避免炉膛和燃烧器的振动和噪音,原因在于耦合的因素太多,而且通常也不可能确知各单独系统的阻尼。但锅炉运行的长期实践表明,锅炉在以下几个方面的参数变化时,可能会产生振动和噪音:—负荷—燃烧器投运台数—过量空气系数—燃料转换1图1锅炉炉膛产生的驻波收稿日期:1996206210电站系统工程1996年第12卷26图2炉膛和对流烟道的共振等。图1示出炉膛内产生的几种驻波形式。细线为在壁面处的速度波动值,粗线为壁面处压1c,力峰值。当n=0时即得到基本频率f=为半波频率。图4炉膛的振动频率值,从上式中可得到炉膛全部系列的固有频率。如果把炉膛和对流部分烟道一起作为一端开口的管子,可从如下公式中尽一步得到一系列的固有频率和其产生的谐波:2l对于立体形状的实际炉膛而言,其频率公式可表述为:c[(m)2+(n)2+(O)2]1/2;m、n=0.1.2f=2HBT2n+1cf=l;n=0.1.2(3)(2)式中H、B、T分别为炉膛的高度、宽度和深度4其基本频率为整个封闭管子基本频率的一半。在振动的波长明显大于系统的几何尺寸条件下,炉膛和对流部分烟道有可能变成一个共振器,如图2所示,其频率可表示为:cVk(4)f=2ΠIkVF式中Ik——对流部分烟道长度Vk——对流部分烟道容积VF——炉膛容积图3火焰前峰引起的气流波动图5炉膛嗓音频谱?1994-2013ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.第5期孙继德等:锅炉炉膛、燃烧器的振动和噪音浅析27图8改变旋流方向后绕轴线产生的上升流动前两种因素的作用较易理解,其大致可包括以下几种可能性:1)锅炉负荷过高,炉膛内及对流烟道内烟气流速过大;2)对流管束布置不合理,或产生积灰,烟气流通截面积较小;3)锅炉配风不当,炉内过剩空气系数过大;4)燃烧器的旋转气流激起的切向波的频率与炉膛内横向烟气柱的固有频率相近时,横向烟气柱被激发,引起共振;5)燃烧器的固有频率和风箱的固有频率一致,出现共振;6)燃烧器的出口处回流区引起较大的压力波动,与水冷壁的固有频率相同激起共振;7)几个燃烧器组合时,各燃烧器的旋转射图6炉膛内按原有旋流方向的强烈旋流场从上述几个公式中不难发现,每台锅炉在特定的系统中都具有一系列固有频率,这样,在某些运行条件下,其中一个或多个在受到烟气压力波动的激发时就可能产生可怕的共振现象。炉膛水冷壁的振动频率通常在10Hz以下,即波长大于80m,在这种振动条件下,一天内负载可变化106次,这对锅炉的损害是非常快的。很明显,对于具有大量的可能存在的固有频率的锅炉而言,几何尺寸的改变,如炉膛尺寸的改变,对频率范围的影响不大。因此采取的消除措施必须针对能够激发固有频率的因素上,这些因素可归纳为三个方面:—从受横向冲刷的对流管束中定期脱离下来的卡门涡流;—燃烧器的旋流频率;—火焰的变化。图7旋流的波运动m—谐波阶次9炉膛压力振动在旋流方向改变前后的对比?1994-2013ChinaAcademicJournalElectronicPublishing