1、 年，第 期 收稿日期：作者简介：刘盛辉（），男，浙江苍南人，博士研究生，副教授，主要从事能源新技术研究。锅炉低频振动及其与一次风压力波动的关系研究刘盛辉，李清毅，施子福，李 培，周永刚（浙江省能源集团有限公司，浙江 杭州；浙江大学 热能工程研究所（能源清洁利用国家重点实验室），浙江 杭州；浙江大学 热工与动力系统研究所，浙江 杭州）摘 要：针对国内某流化床锅炉增容改造后锅炉本体沿一次风来流方向低频振动的问题，采用锅炉低频振动轨迹记录分析系统、镜面反射系统、高速相机，同时结合图像处理技术，精确得到锅炉振动幅度及振动频率以及两侧一次风压力波的波形数字化图形，分析了锅炉振动频率与振幅的关系、锅炉一
2、次风压力波动频率与锅炉振动频率的关系以及锅炉两侧一次风压力相位差对锅炉振动的影响。结果表明：锅炉振动频率与其振幅无明显关系；锅炉一次风压力波动频率约为锅炉振动频率的 倍，二者未发生共振，一次风压力波动频率不会加强锅炉振动；锅炉两侧一次风压力波相位差仅为，对锅炉振动产生的作用较小。关键词：循环流化床锅炉；低频振动；一次风；频率；相位差中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（，；，；，）：，；，：；引 言锅炉作为十分重要的大型设备，其安全运行至关重要。由于燃烧振动的复杂性，即使事先考虑也难以保证实际运行中电站锅炉本体或烟道、燃气轮机等燃烧系统不会发生振动现象，严重时甚至会产生较大幅度的振动，压力
3、周期波动幅值甚至可达到几千帕，不仅伴随强烈的噪音，还可能造成燃烧不稳定，固件共振，甚至会发生回火、熄火等问题，对锅炉的刚性梁等构件造成较大的疲劳应力，同时对炉内的受热面也会带来破坏应力，引发爆管等安全事故。因此，对锅炉振动原因的分析探求是十分必要的，一方面可以为锅炉设计提供参考，另一方面还可以为解决在役热能动力DOI:10.16189/ki.nygc.2023.02.003 锅炉运行过程中的振动提供依据。国际上对炉膛振动的研究始于上世纪 年代初，早期遇到的是由卡门涡街所引起的振动。我国早在上世纪 年代曾解决过由于流体流经管束而引起的锅炉振动问题。年，上海机械学院金庆铭、朱继梅等研究了大型电站锅
4、炉炉墙的振动特性，认为炉墙振动的主要根源在于燃烧，燃烧诱发结构振动是通过燃烧场的燃烧生成气作为媒介，燃烧的放热不均匀会引起烟气压力的波动，这种波动传到结构上就引起结构的振动。李有信针对某超临界锅炉尾部振动问题，经过分析、计算、试验认为振动源在低温过热器区域，振动原因是卡门涡街脱落频率与烟道固有频率共振所致。通过采用加装防振隔板的方式可以缓解烟道振动问题，。国内外出现过各种各样的锅炉振动案例，关于振动的起因也各有不同，国内外学者认为一般可分为以下几种：）热声自激振荡原因；）燃烧动力学原因；）流体动力学原因；）炉墙刚性不足原因；）给水及汽水循环系统中压力的脉动、水热交换原因；）温度差产生的紊流原因
5、；）烟风道声学共振原因。国内某流化床锅炉在增容扩建后，存在锅炉本体前后振动的现象，长期运行严重危害机组的安全性。通过现场观测，锅炉仅在一次风来流方向振动，若一次风与锅炉发生共振，即会进一步加剧锅炉的振动幅度（即烟风道声学共振所致）。热一次风母管布置在锅炉的一侧，如图 所示，此布置方式可能造成两侧一次风沿程阻力不同，一次风进入炉膛存在相位差，进而可能导致床层压力波动，最终引起锅炉振动（即流体力学原因所致）。因此，本文针对以上两个可能造成锅炉振动的影响因素进行分析。通过试验人员现场对锅炉振动次数在一定时间内的计数，估算得到锅炉振动频率在 以下，由于频率较低，现有传感器无法精确测量，因此，首先采用特
6、制锅炉低频振动轨迹记录分析系统结合图像处理，精确测量锅炉的振动幅度、频率等参数，采用高速相机同时拍得一次风道左右侧两个压力表的压力波动情况。经过图像处理得到波形数字化图形，研究锅炉振动频率与一次风波动频率的关系以及两侧一次风压力的相位差对锅炉振动的影响，为研究锅炉发生振动的原因提供依据，为最终缓解乃至解决锅炉低频振动问题提供方案。图 锅炉一次风道布置图 相关原理及研究方法 摆动系统摆动原理该循环流化床锅炉为悬吊结构，可以认为此锅炉振动现象与“摆动系统”相似，单摆摆动周期及频率公式如下：（）（）式中：为单摆摆动周期，；为摆线长度，；为重力加速度，；为摆动频率，。摆动系统如图 所示。式（）及式（）
7、显示，同一个摆动系统，摆线长度一定的情况下，摆锤摆动存在一个固定频率。初始状态下，摆锤受摆线的约束力和重力，若有外力推动，则摆锤发生摆动，当外力推动的频率与摆锤摆动频率相同时，则摆锤摆动幅度会达到峰值（共振现象）。因此，若不对导致锅炉振荡的外力进行消除或者使二者频率失谐，则长期运行会给锅炉带来严重的安全隐患，。图 摆动系统示意图热能动力 年，第 期 研究方法使用自主开发的锅炉低频振动轨迹记录分析系统对锅炉振动轨迹进行记录，通过图像处理技术得到振动幅度及频率。系统如图 所示，包含标记板、相机以及电脑。将标记板用强磁底座固定在锅炉底部某处，使其随锅炉一起振动，相机记录标记板上标记点的振动轨迹，认为
8、标记点运动轨迹与锅炉振动基本一致。通过图像处理技术将视频转信号转化为数字信号，得到标记点的位移曲线，即锅炉振动曲线，进一步通过信号解析得到锅炉振动频率，实现锅炉振动的量化数据分析。图 锅炉低频振动轨迹记录分析系统现场两侧一次风压力表数据未接入 系统，两个压力表处于同一直线但相距 ，正常情况无法同时得到两压力表数据，为了获取一次风两侧压力波动特性同步数据，采用镜面反射系统结合高速相机拍摄的方法，获取相同时刻锅炉两侧一次风静压表读数，进一步通过图像识别、处理，得到两侧一次风压力波动所包含的数据信息，分析锅炉两侧一次风相位差对锅炉振动的影响。镜面反射系统如图 和图 所示。图 镜面反射系统示意图图 镜
9、面反射系统实物图 研究对象及试验系统布置 研究对象本文研究对象为国内某垃圾焚烧发电厂 异重循环流化床锅炉，锅炉主要运行参数如表 所示。表 锅炉主要运行参数项目单位数据日处理垃圾量 额定蒸发量 过热蒸汽压力过热蒸汽温度给水温度锅炉设计热效率约 试验系统布置本研究包含两部分现场试验，分别为锅炉振动特性试验以及锅炉一次风相位差测试试验。在锅炉振动特性试验中，将标记板固定于锅炉外部波纹板上，如图 所示，拍摄系统正对标记板固定于水泥平台上，并保证拍摄系统不会随着锅炉的振动而振动，启动拍摄系统进行锅炉振动轨迹拍摄。图 锅炉低频振动轨迹记录分析系统现场布置图热能动力 在锅炉一次风相位差测试试验中，选取合适的
10、位置，使两侧一次风压力表可以同时出现在镜面反射系统中，同时固定高速相机，获取同一时刻压力数据，并调整相关参数，使拍摄画面清晰可见。试验结果及分析 锅炉振动特性试验分析随机进行 次锅炉振动试验，锅炉振动幅度可以反映锅炉振动的剧烈程度，图 图 为 个工况锅炉振动幅度情况，图中黑点表示锅炉随时间振动位置。工况 的锅炉振动幅度约为，工况 振动幅度在 之间，工况 振动幅度约。从图中黑点密集程度可以看出，锅炉振动至某一方向后并不是立即反方向运动，而是在此处附近进行更小范围的振动后再折返，折返至另一位置后再进行小范围振动，如此反复，如图 所示。图 工况 锅炉振动情况图 工况 锅炉振动幅度（）图 工况 锅炉振
11、动幅度（）图 工况 锅炉振动幅度图 锅炉振动位移局部放大采用快速离散傅里叶变换得到不同工况锅炉振动主频率，如表 所示，个工况振动频率分别为 、和 ，工况 频率略高，整体在 附近。表 不同工况锅炉振动主频率单位：工况 工况 工况 由于工况 拍摄时间较长，期间可能有不同频率、不同振幅的波相互叠加，统一分析会带来较大误差，因此，按时间顺序截取振幅发生变化的片段，得到频率随振幅变化的分布，如图 所示。从图中可以看出，蓝色图框中振幅与频率的变化趋势一致，黑色图框内振幅与频率变化趋势相反，其余时间段频率维持在，而振幅出现无规律变化情况。综合以上分析，认为锅炉振动频率与幅度无明显对应关系。图 锅炉振动频率与
12、幅度变化关系热能动力 年，第 期 一次风相位差试验锅炉两侧一次风压力随时间的变化如图 所示，由于左侧压力表距离一次风母管较近，沿程阻力损失较小，因此左侧压力高于右侧，同时左侧压力波动幅度小于右侧。根据原始数据波形，使用正弦函数对压力波进行拟合，结果如图 和图 所示。图 两侧压力表压力（静压）图 左侧压力波拟合结果图 右侧压力波拟合结果进一步得到两侧压力表压力波特性，如表 所示，可以看出，左右侧两个压力波的振幅分别为 和，频率均为，根据共振相关原理，两物体发生共振后频率不变，而锅炉振动频率约为 ，因此，一次风与锅炉并未发生共振。表 两侧压力波特性项目单位左侧压力右侧压力振幅频率周期相位初相位相位
13、差时间差 左右侧一次风压力振动中心位置分别为 和，相位差为（约），进而可以得到时间差为 ，即右侧波比左侧波仅提前 ，可见，锅炉两侧一次风相位差对锅炉振动影响作用较小。结论及建议本文针对国内某循环流化床锅炉振动问题，通过现场试验得到锅炉振动特性量化数据以及一次风压力表波动特性，分析得出一次风振动频率及相位差对锅炉振动的影响，得到以下结论及建议：）采用自主研发的锅炉低频振动轨迹记录分析系统进行锅炉振动特性现场试验，首次精确获得所测位置锅炉振动幅度总体在 以内，振动频率约为 ，且锅炉振动幅度与振动频率无明显对应关系；）采用镜面反射系统进行锅炉两侧一次风相位差试验，结果显示：左右两侧一次风压力波振幅分
14、别为 和 ，其频率约为锅炉振动频率的 倍，一次风波动与锅炉振动不会发生共振，不会造成锅炉振动的加强；）锅炉两侧一次风压力波相位差仅为，时间差仅为 ，因此一次风相位差的存在对锅炉振动影响作用较小；）建议停炉期间在锅炉钢梁上合适位置设置防振装置例如橡胶块做为止晃点，使锅炉无法起振达到缓解甚至消除振动的效果。参考文献：王 珂，王鹏程 超临界循环流化床锅炉尾部烟道振动分析及改造山西电力，（）：李伟光某立式余热锅炉本体振动原因及控制措施研究西安：西安建筑科技大学，姚寿广，甘露，钱飞舟，等某大容量 型锅炉对流管束卡门涡街诱导振动分析江苏科技大学学报（自然科学版），（）：徐贻康 机组锅炉热炉放水时锅炉振动大
15、原因分析及治理热力发电，（）：，（下转第 页）热能动力 年，第 期 I7 术，（）：郭 飞，宋宝军，张鑫莆某 超临界机组锅炉后烟道侧墙爆管数值模拟分析电站系统工程，（）：金敏华，刘献良，赖云亭，等 高温过热器爆管失效分析 电力科技与环保，（）：，：，（）：，（），：李兆祥，吴祥国，林开俊，等超超临界塔式锅炉 末级过热器失效原因分析盐城工学院学报（自然科学版），（）：李 凯，刘征远，周元超，等 型布置电站锅炉壁温采样、测量与处理技术 河南电力，（）：袁奕竑基于火电厂锅炉受热面失效原因及防治措施研究内蒙古煤炭经济，（）：尚明峰锅炉金属壁温热电偶安装技术安装，（）：周世杰，徐同社超超临界锅炉金属壁温
16、的设计及安装华东电力，（）：白杰，陈昭，王伟热电偶温度测量的误差及影响因素分析机床与液压，（）：周殿广，樊鲜美，陈琪，等热电偶测量误差分析新型工业化，（）：（责任编辑 杨启岳）（上接第 页）朱继梅，金庆铭，翁蓓蕾大型电厂锅炉炉墙振动研究上海机械学院学报，（）：董 坤卡门涡旋流对电站锅炉安全性的影响及治理措施热力发电，（）：李有信超临界锅炉尾部烟道振动分析及治理华电技术，（）：柴锡强，熊建国，朱云水锅炉尾部烟道振动原因分析及对策浙江电力，（）：胡景超，关风一锅炉炉墙振动现象分析锅炉制造，（）：丁得龙，葛春亮，厉雄峰，等超超临界 燃煤发电机组管式烟气换热器流致振动分析热力发电，（）：熊哲文，杨 军，龚迎莉，等流致振动主导机理及减振措施的定量分析 电力学报，（）：孙 进，丁宗玲关于单摆运动的数值模拟与分析赤峰学院学报（自然科学版），（）：周 昊，朱国栋，黄燕，等锅炉水冷壁异常振动问题解决方案研究动力工程学报，（）：张天静，何文峰，郭文斌，等 机组锅炉后墙水平刚性梁振动原因分析及处理工业安全与环保，（）：刘世兵，张路路，马壮基于 的压力表状态快速识别方法 物联网技术，（）：（责任编辑 周洁）热
