基于卡门涡街原理的管式换热器振动分析

蒋振超

（浙江天地环保工程有限公司，浙江 杭州 310003）

摘要：管式换热器是当前能源开发及利用领域普遍使用的一种换热设备，其内部换热管直径、间距、数量、材质等设计参数直接影响换热器的换热效率及平稳运行。现通过分析国内某电厂烟气换热器振动原因及介绍振动频率计算、换热器改造方法，阐述卡门涡街现象对管式换热器的影响，也为类似换热器设计提供了工程实例借鉴。

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关键词 ：卡门涡街；管式换热器；振动；设计

0引言

当前国内大型火力发电厂烟气换热器主要包括管式换热器和回转式换热器，而管式换热器以其安全、可靠、检修方便、可长期连续运行的特点，广泛应用于火力发电领域。管式换热器内部主要由换热管束组成，换热面两侧不同流速、不同状态、不同温度的介质同时存在会形成复杂的热交换过程，同时产生典型的卡门涡街现象。国内某电厂为进一步利用空气预热器排烟余热，在空气预热器出口增设一套管式换热器系统，试运阶段换热器本体在机组负荷400～600 MW区间内发生振动现象，影响锅炉稳定运行。本文以此工程案例为基础，详细分析了振动原因，介绍了计算过程、解决方案和最终效果。

1振动的危害

1.1换热器本体破坏

本工程管式换热器内部采用水平布置方式，单台换热器内部由16个换热管模块组成，换热管为螺旋翅片形式。螺旋翅片管组通过钢板框架固定，模块与模块以叠放形式安装，换热器内部螺旋翅片厚度为2 mm，模块与模块框架无移动限位，换热管间距较近。对于换热管，振动产生的应力将增加相邻换热管的摩擦，气流扰动将降低换热效率；对于翅片，振动将影响翅片与管道的接触换热；对于换热模块，振动产生的位移将使得模块框架支撑错位，影响结构稳定。

1.2换热器附属设备破坏

管式换热器本体管层通过法兰、阀门与外界管道连接。由于本工程换热器管层对外接口未设计膨胀节，换热器本体振动被传递至连接管道，长时间振动将使得连接法兰螺栓松动，管壁开裂，局部发生漏水现象。同时，振动会引起换热器附属仪表设备失灵、仪表引压管断裂等破坏。

1.3换热器支撑钢结构破坏

换热器本体通过新增钢结构框架支撑，本工程单台换热器本体静荷载为200 t。振动产生的动荷载将增加承重钢梁的弯曲挠度，同时长时间振动将使得钢梁产生疲劳，破坏钢结构节点焊缝及螺栓，影响结构稳定。

2振动产生的原因

2.1卡门涡街

实际流体绕流圆柱（管）体时，边界层分离所形成的漩涡在背流面有一定释放（脱落）规律，当Re=90～200时，背流面漩涡不断地交替生成及脱离，并在尾涡区形成交替排列、旋转方向相反、有规则且较稳定的两行漩涡，以比来流小得多的速度运动，这种现象称为卡门涡街，又称卡门涡列。

卡门涡街作用力方向的交变性是由在管子尾流的卡门涡街中两列旋转方向相反的漩涡周期性均匀交替脱落引起的，因此，卡门涡街作用力的交变频率与漩涡脱落频率相同。卡门涡街交变频率为：

fv=St.v/d0

式中，St.为斯特罗哈准数；v为最小自由截面处的流速（m/s）；d0为管子外径（m）。

2.2紊流抖振

在节径比S/d小于1.5的密排管束中，壳程流体的极度紊流也会诱发管子的振动。紊流产生的漩涡使管子受到随机波动，而且紊流有一个相当宽的频带。当频带中某一频率与管子任一振型的自振频率接近或相等时，便会导致大振幅的管子振动。紊流抖振主频率为：

式中，v为相邻两管道之间的平均流体流速（m/s）；d0为管子外径（m）；L、T分别为纵向与横向的管间距。

2.3声振动

当烟气在烟道中流动时，烟气横向冲刷的管束与和其平行的两个烟道壁面组成了一个气室。卡门涡街交替脱落引起的振动，在一定条件下会激起气室壁间的某阶驻波，这种驻波在吊杆平行壁面间来回反射，不能向外传播能量，而卡门涡街能量却不断输入，因此，当驻波频率与卡门漩涡脱落频率相耦合时，气室将会产生强烈的声学共振。声振动驻波频率为：

fa=nC/2D

式中，n=1、2、3、4；C为特性长度，一般情况下是指气室的内径；D为气室中声音传播的速度。

2.4管子的固有频率

式中，C1为频率常数；E为管子材料的弹性模量；d0、di分别为管子外径和内径；m为管子的单位长度有效质量；l为管子的跨距。

2.5共振的判断

将漩涡脱落频率（fv）与管子最低的自振频率（f1）作比较，如两个数接近则易发生共振；将紊流抖振主频率（ft）与管子最低的自振频率（f1）作比较，如两个数接近则易发生共振；将周期性的漩涡频率（fv）与声振动驻波频率（fa）作比较，当0.8＜fv/fa＜1.2时易发生共振。

3计算过程

本工程换热器中，换热管径为38×4.0 mm，纵向节距为83 mm，横向节距为100 mm，气室宽度为6 326 mm，温度为135 ℃，烟气密度为0.87 kg/m3，经计算得到fv=75.26 Hz；ft=59.25 Hz；fa1=31.62 Hz，fa2=63.24 Hz，fa3=94.87 Hz，fa4=126.49 Hz。存在0.8＜fv/fa＜1.2的现象，因此得出共振结论。

4消除振动的方法

4.1调整管径及管节距改变卡门涡街交变频率

卡门涡街交变频率与管径及管节距直接相关，通过改变此两项设计参数，能直接改变交变频率，消除共振。由于本工程为振动改造，换热器模块内部管径及管节距已安装制作完成，改造难度较大。而在新建工程项目换热器模块设计时，需校核验算卡门涡街交变频率与管子的固有频率是否在共振发生范围内，以此降低通烟气后振动现象的发生几率。

4.2调整气室宽度改变声振动驻波频率

在共振的影响因素中，卡门涡街、紊流振动与换热管尺寸有直接关联。为了进一步降低改造成本，缩短改造工期，可通过调整气室尺寸来改变声振动驻波频率。

将换热器气室尺寸调整为1 590 mm后，计算得到fa1=126.53 Hz、fa2=253.07 Hz、fa3=379.61 Hz、fa4=506.14 Hz，fv/fa不在振动区间内。

4.3改造方法

根据本文中所述案例实际情况以及计算结果，综合考虑采用增加隔板法将单个气室分割为4个气室（图1）。鉴于换热器内部低温段温度低于水蒸气露点，同时烟气中SO2及SO3溶解会产生酸腐蚀，隔板材质考虑为ND钢，钢板厚度6 mm。

5结语

本文通过对管式换热器振动的分析、计算，初步探讨了卡门涡街原理对管式换热器振动的影响。在管式换热器设计时，必须进行共振频率计算校核，以确保换热器安装完成后平稳安全运行。

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参考文献］

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［2］李汉.优化设计管壳式换热器［J］.化工设计，2003（4）.

［3］钱颂文，吴家声，曾文明.换热器流体诱导振动［M］.武汉：华中工学院出版社，1988.

收稿日期：2015-08-12

作者简介：蒋振超（1987—），男，浙江宁波人，助理工程师，长期从事火力发电厂烟气脱硫、脱硝、除尘、废水治理领域工程设计及项目管理工作。