李国栋
神东矿业服务公司内蒙古鄂尔多斯017209
提要：热风炉是一种能量转换设备，向热风炉中输入的能量有燃料中的化学能、电能、高温烟气的热能等形式，而经过暖风机转换，向外输出具有一定热能的暖风、热风、高温空气，具有升温速度快、放热量大、运行安全、节能、除湿、投资收益快等优点，被广泛应用于煤矿井筒加热、工业烘干等领域。本文就小柳塔煤矿热风炉炉膛箱体撕裂现象，对风道的振动原因加以浅析。
关键词：热风炉；振动；涡流；脉动；共振
1引言
热风炉是一种能量转换设备，向热风炉中输入的能量有燃料中的化学能、电能、高温烟气的热能等形式，而经过暖风机转换，向外输出具有一定热能的暖风、热风、高温空气。热风炉包括燃烧系统和风机两大部分，燃烧系统产生巨大的热量然后由风机往外吹出热量。暖风机中产生的热风可直接为工业生产和人民生活提供所需热能或暖气，大型热风炉主要用于工业，小型热风炉主要用于生活。
就目前热风炉设计与运行状态而言热风炉设计工作还没有做到规范化和最佳化，整体状况较为粗放；而运行管理也未能实现运行参数优化与合理的操作制度。
本文就小柳塔煤矿热风炉炉膛箱体撕裂现象，对风道的振动原因加以浅析，为实现热风炉高风温、高效率与低投入的运行做一点切实可行的努力。
2工程案例
2012年12月，神东煤炭集团公司小柳塔煤矿引进两台480X104Kcal/h铸铁式热风炉，其中一台热风炉在试运行期间出现炉膛箱体振动幅度过大且炉膛箱体外壳撕裂的现象。从观测情况来看，入口风道和风机并无异常，表面振动较小。振动幅值大的部位主要分布在风机出口挡板的软连接之后，即从扩压段入口开始越往后越大，而且随着风机负荷的增大而增大。
3原因分析
通常，风道的振动问题是因风道内气流的脉动频率fp（或声学驻波频率fs）与风道的固有频率fn相等或相近，而产生共振引起的。如果不是因机械不平衡造成的振动，均可从查找气流脉动的根源入手，通过消除脉动或改变频率、避免发生共振等方式解决问题。发生振动故障的原因主要有:管道扩张引起的涡流,当气流流过具有较大扩张角的风道时会在壁面附近形成旋涡，其原理类似于流体流过凸形表面时的分离现象;弯头引起的涡流和二次流,在气流流过弯管时，由于内侧压力低、流速高，外侧压力高、流速低，会使气流出现双螺旋流动形式的二次流，在弯头前、后形成局部涡流区;风道内较大的障碍物产生涡街引起气流脉动,风道内十字支撑的中心连接部分是一块较大的钢板，在其背面形成低压区，使其边缘产生不对称的脱体涡流-卡门涡街，造成气流的脉动;风道的结构问题,当初设计时，由于过多考虑场地空间因素，使出口风箱布置得较为紧凑，风道弯头多、且旋转强度高，风道通流面变化多，风道流体特性受到明显影响，容易引起风道振动。
3.1炉膛箱体通风道功能作用说明
它是常压构件，功能作用如下：
第一、仅仅是空气走廊通道而已。
第二、余热回收再利用——主要吸收炉膛内高温烟气释放出的热量，把-25℃环境冷空气在空气通过风道内进行热交换后变为30℃左右的暖空气，再输送到下一组铸铁换热器中。
第三、保护功能——设计理念是强炉膛炉胆、炉墙和炉拱弱外壳。铸铁式热风炉炉膛箱体通风道外壳板材设计厚度3mm，现场实际使用板材厚度2.75mm，与炉膛内炉胆板材厚度6mm的联接支撑圆管为Ф32*3mm，复板后采用塞焊焊接工艺固定外壳板，符合设计规范——外壳保护板材厚度是同质母体的1/3--1/2。箱体通风道作为常压钢结构件，为了美观将焊缝打磨与母板齐平，符合工艺要求。
3.2情况分析
小柳塔煤矿新建1#铸铁式热风炉炉膛箱体撕裂位置均在炉膛箱体起重起吊直线区域，所有箱体外壳板孔洞均表现为应力集中的支撑圆管塞焊焊接点，撕裂孔洞系共振激振剪切力所为（一般普通M10螺栓抗拉力为1000Kg，一个6--10mm标准焊接点抗拉力为1000Kg），由此表明炉膛箱体通风道已经不再是正常常压运行状态，其共振激振力惊人，说明空气流通很不通畅，送风行动阻力偏离严重，有可能为如下情况造成：
冷空气送风机选型是根据用户所需最大负荷后服务网量为中间风量参数进行选配风机的。炉膛箱体外壳撕裂和冷空气风道开裂主要原因，是现场实际运行时司炉工把送风机风门全打开造成的，风机风道冷空气流速为21m/s时，炉膛箱体通风道前段部分进入空气流速为25m/s；炉膛箱体后段部分回程空气流速为32.024m/s；以及热风关断门短时间处于关闭或半关闭状态，属于操作不当行为，这可能是外壳损坏的直接原因。就此，厂家售后服务人员现场多次指出问题的严重性，并要求送风机风站正常运行关至1/2位置处，冷空气流速控制在11--12m/s；环境温度特别冷需满负荷运行时最大只能弄至3/4位置处，冷空气控制在13.5m/s。现场观察，厂家售后服务人员的见意并没有引起操作人员的注意，也没有按厂家售后见意执行。
送风机与风道直接联接，没有膨胀缓冲装置，当送风机关断门全开时，风道的动能激振能量无法在短距离内进行自身释放，进而一部分去损坏风道，导致应力集中点的角焊缝处共振激振剪切力足以使金属疲劳焊缝开裂；另一部分动能集骤直接奔向炉膛，造成表面上的炉膛箱体振动幅度过大，实际上是支撑圆管焊接点外壳板与共振激振剪切力正进行一场激烈地金属疲劳战争，由于风机风门全打开援兵源源不断地投入战斗，风道系统内的激振能量超过设计承受能力的两倍，共振激振剪切力惊人，支撑圆管焊接点外壳板撕裂孔洞是必然的结局。
炉膛箱体激振线区域外壳板撕裂洞孔，以及冷风道损伤程度与送风机风道行走形式、板材厚度、板面钢度，选用焊接材料以及是否符合焊接工艺要求的各项条件都有一定关系。
风道系统不通畅——热风炉供热空气风道系统原则上不得超过三个直角弯，而现场实际运行情况是1#热风炉出口到风蛣送风口有八个直角弯，另外再加安装公司电遗忘了铸铁式换热器内联通罩导流板没有安装，致使本台1#热风炉供热空气风道系统共计九个直角弯。热风炉从送风机出口至热风关断门之间的正常运行时风道系统的静阻力和地下风道按照四个直角弯已经计算在送风机选型之内，整个热空气风道系统中至少额外增加了800Pa阻力，造成风道系统内各个振动源异常活跃演变成共振激振剪切力，破坏能力巨大。同时，因风道系统中阻力偏大，造成应该输送出去的热空气能量不能完全实现，热损失很大。
振动源——热风炉制造厂家的经验告诉我冷们，空气风道系统和烟气风道系统的N个振动源客观存在：
安装过程中无意将制作风道时用来固定支撑的角钢或扁钢遗忘在风道内，其振动源的破坏力不可小视，往往安装公司的安装员工闪却偏偏不把那些角钢或扁钢不当回事，只顾图快赶工期不去顺手拆卸带走。
炉膛箱体与铸铁式换热器之间有两组热风逆向通道，仅外表面看到就有好几处应力振动源；铸铁式换热器之与关断门之间风道，也有不合理之处，箱体之后的所有热空气风道为大截面流通，空气热能迅速增加与热空气流速提高的动能同时在存在，风道安装不规范，各路风道体板面曲线过多焊接质量粗糙应力集中都是共振源。
铸铁式换热器内联通罩导流板没有安装，导流板除热风量平均分流外，更重要的是消除联通罩内的共振源。没有联通导流板，热空气流速为25m/s左右，它的反射冲击波与炉膛箱体顶部和左侧空气夹板通道的二股暖空气输出的动能流三个方面汇合，加上额外增加的空气通道1000PA左右阻力存在，形成巨大的共振激振力，必然导致在炉膛箱体观火门上方的起重安全保护激振线区域范围的外壳板撕裂、洞孔更加严重。
1#热风炉双联关断门存在运行时无执业风导流板导流问题，有共振阻力源产生。
4情况分析结论
设备是三分制造，七分安装。2#热风炉风道超长些，空气风道系统阻力不会比1#热风炉小，热风炉主机第一次正式正常运行一个月，没有出现1#炉类似的问题。设备是同样的设备，安装单位不同，可见工艺安装的重要性。若冷空气送风机风量开在1/2--3/4位置之间，热风关断门不出现误操作，不会出现严重问题。
炉膛箱体板式预热器真正出现了产品质量问题，首先反应在炉膛、炉胆、炉墙及炉拱等方面，而现场实际情况是这些毫无损伤。仅仅是常压空气走廊的炉膛箱体外壳板被共振撕裂，只能说明外来因素远远大于他设计时应该承受的能力，万物都有极限耐力，因此，上述问题应该是司炉工操作不当，安装质量和风道系统设计不合理所造成的。
5解决措施
不是简单地把炉膛箱体外壳板加厚就可以的，否则炉膛、炉胆、炉墙及炉拱便成了受害者、牺牲品。只有把已经掌握了明显不合理的共振源进行疏导分解，将遗漏的导流、隔振部件按设计安装到位，并指导作业人员规范操作，才是正确解决问题的最佳理念、方式。同时，以此事件为反面事例，在全矿区施工、管理、操作等关联专业内进行实践教育培训，警示、警醒工程人员，勿重蹈覆辙。
参考文献
[1]刘梦真;顾长修;张恒.高层建筑无水箱直连供暖系统探讨.全国暖通空调制冷1996年学术年会资料集,1996-06-30.
[2]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,1985(3)