王菊堂余秋微
一、概述
某石化厂的一台35t/h中压燃油锅炉装有管式空气预热器，该空气预热器的结构简图如图1所示。该空气预热器最大特点是：烟气流经壳程，空气流经管程，具体的设计参数如表1。
该锅炉在投入运行后，当锅炉负荷大于28t/h时，空气预热器突然发出强烈的振动和噪声，致使司炉工的工作环境条件非常恶劣，空气预热器管箱外的保温层很快开始开裂和脱落，该厂被迫降负荷运行该锅炉，造成了很大的经济损失。
二、原因分析
我们曾怀疑过因空气预热器管子的自振和卡曼涡流的脱离相偶合而导致振动，所以对空气预热器管子的固有频率进行计算，计算时假定管子是一个长的、两端固定的、受均布载荷的连续梁，计算出管子（φ40x1.5mm）的固有频率为49Hz，而远远小于预热器的驻波频率，因此在计算的基础上排除了这种可能性。
通过认真的分析核算，总结出该空气预热器发生振动和噪声的原因是：烟气流经空气预热器的错列管束时产生了漩涡，漩涡有规律的脱离频率与管箱中存在的某阶声驻波的频率相偶合，该阶驻波被激发，于是空气预热器便产生了强烈的振动和噪声。
1.涡流产生的机理及频率计算
当流体垂直管子轴线作横向流动时，因流体流经的管子是非流线型的，故在管子的两侧将有漩涡产生并脱离。漩涡是一种流体的螺旋运动，漩涡离开物体在下游形成漩涡尾流，称之为卡曼涡街（图2），卡曼涡街是由两行漩涡尾流构成，位于这两行尾流上的漩涡分别以顺时针方向和逆时针方向旋转且呈现有规律的交替形成。卡曼涡街的漩涡特性与流体流动的雷诺数（Re）的数值有关，针对本文所涉及的振动，仅与漩涡的有规律脱离有关。漩涡有规律脱离大都发生在100 对于燃煤锅炉，烟气中的飞灰含量大，为了防止空气预热器管束间积灰严重，常采用烟气在管内冲刷、空气在管外冲刷的形式。空气流经管束的Re一般在3×103~2×104范围内。而燃油锅炉和燃气锅炉的燃料含灰量小，引起受热面积灰较轻，为了使尾部烟道高度紧凑，常采用烟气在管外冲刷的方式，这时烟气流经空气预热器时的Re在7×103~1.5×104了范围内。因此不论燃煤锅炉还是燃油锅炉，工质横向流动的雷诺数的数值都在漩涡有规律脱离发生的范围内。
漩涡有规律脱离的频率大小与管子的直径、管束特性和工质流速有关，具体的关系如下式，其中斯特罗哈数（S1）是反映管子排列方式、管子结构的特性参数，具体的数值选取可参阅文后所列文献，本文所涉及的空气预热器涡流频率的计算中，经查文献中的图得S1=0.52。
式中fv—漩涡脱离频率，Hz
d—管子外径，m
w—流体流速，m/s。
把空气预热器的入口、出口烟速代入上式分别得出：
空气预热器入口处：fv1=126Hz
空气预热器出口处：fv2=98Hz
空气预热器内平均值：v=112Hz
2．声学驻波特性及频率计算
周期和振幅相同的波相相对进行，互相干涉，形成所谓驻波。当低密度的流体稳定地横向流过管束时，可能产生一个既垂直于管子又垂直于流动方向的声学驻波，管式空气预热器管箱的两侧壁为平行壁面，满足驻波发生的条件。驻波是一种纵波，波的传递速度与驻波所在的介质声速相同。
根据声学原理，声学驻波的特性频率fa与介质的声速c和空腔特性尺寸b（宽度）有如下关系：
式中，n可取1、2、3…，当n=1时为驻波的基频，b见图1。
声速c可由下式求出。
式中K—气体比热比，Cp/Cv
R—气体常数
T—气体的绝对温标，K
因燃料的成分、燃烧特性和漏风系数直接影响声速的计算，所以无法精确计算烟气中的声速，对于一般的工程计算用下面的经验公式求解。
将本文将所涉及的空气预热器的热力参数代入上式可分别求出该空气预热器烟气入口、出口声速，对应平均温度的声速和相应的驻波基频如下：
空气预热器入口处：C1=459m/s，fa1=152Hz
空气预热器出口处：C2=400m/s，fa2=132Hz
空气预热器内平均值：
3．驻波能否被激发的判定原则及判定结果
漩涡脱离的频率和管箱中存在的某阶驻波频率相差不大，则可能激发该阶驻波，一般以下式作为能否激起某阶驻波的判据。
0.8fv2 在上式中，下限取空气预热器出口处漩涡脱离频率，而上限取空气预热器入口处的漩涡脱离频率，其原因是为了扩大驻波与漩涡脱离偶合的范围，因为锅炉的负荷是变动的，烟速和温度也随之而变。
根据上式的计算结果可以看出只要驻波的频率在78~151Hz范围内，驻波就很可能被激发。实际运行经验表明，当该锅炉负荷达到额定负荷的70%时，驻波便被激发了，并产生了强烈的振动和噪声，迫使将该锅炉负荷控制在26t/h以下。
三、改造措施实施及效果
基于上述分析可知，卡曼涡流有规律的脱离激发了声学基频驻波，产生了严重的危害。为此必须进行改造，消除振动和噪声。消除的方法有：①破坏漩涡脱离的规律性；②改变漩涡脱离的频率；③改变声学驻波的频率。三种方法中，第三种最简单，因为只需改变声学空腔的特性尺寸b（即空气预热器管箱的宽度）即可。欲改变声学空腔尺寸，需顺着烟气流的方向增加纵向隔板。前面分析出本例空气预热器振动时驻波频率是基频，即波形是半波。因此只需将空气预热器宽度一分为二即可，宽度最好不等。在改造时加了两块纵向隔板（见图1），将空腔分为三等份。经改造后，该锅炉一直运行很好，再未出现过振动和噪声。在此建议设计人员在设计时考虑振动并加以预防，以保证锅炉正常运行，避免经济损失。