[01599211]大型热风炉系统振动测试分析技术的研究与应用

2003年3月建成投产的鞍钢新1号高炉属于3000m<'3>级大型高炉，当时位居全国5名之内。3座内燃式热风炉在运转初期为低负荷运行，炉况较顺。但2周后随着煤气量逐渐加大，整个热风炉系统(热风炉本体和相连接的管路)出现共振现象，如果煤气管路一旦受振动破损，造成爆炸，其后果将不堪设想。为此鞍钢委托辽宁科技大学对整个热风炉系统进行测试分析研究。辽宁科技大学在国内首次利用现代信号测试技术对大型热风炉系统的振动现象进行了现场测试，根据热风炉燃烧室火焰、与热风炉连接的各种输气管路结构、煤气管网压力、助燃风机动力系统、换热器系统的频谱信号、压力信号等综合分析，排除了热风炉燃烧脉动的因素；同时运用Fluent、Ansys软件的数值模拟与实验室物理模型流动显示相结合的方法深入研究，发现了该系统中文氏管段管路内部存在非线性周期变化的莲藕状流场、以及大口径煤气与助燃空气管路连续短管转弯且在大流量下出现二次环流单涡或双涡以及边界层分离产生的壁涡流动作用与辐射，是具有复杂管路结构的热风炉系统管路流场主要特征。从而得出：大型热风炉系统的振动主要是输气管路流体非常流动所致。由于流动中各种旋涡旋转和变化自身产生了杂乱的脉动频率，又与管壁之间形成复杂的相互耦合力，当这些频率中某些成分与管路结构固有频率相接近时，就会发生激振作用，成为管路系统共振的先决条件。当管路中出现多次汇集—膨胀的非线性周期变化莲藕状流场，它在大流量下会对管路系统造成更强烈地冲击和辐射作用力，便造成了管路系统共振的必然。研究中得到管路有限元动力学计算结果与现场管路信号测试的共振频率相一致，都在10Hz以内，这种低频共振现象是重载荷大型管路系统振动的特殊形式。于是提出了改变系统固有频率避免共振发生的一系列有效技术措施，成功地解决了鞍钢新1号高炉热风炉系统的振动问题，同时在新2号和新3号高炉热风炉系统的设计中得到应用，保证了鞍钢新建高炉均达到了设计指标，获得了显著的经济效益。该研究成果的技术理论对大型热风炉系统设计、安全运行具有指导意义和推广价值，其整体技术达到了国际先进水平。