（冶金工程专业论文）鞍钢新1号高炉热风炉管路系统振动的相关研究.pdf

辽宁科技丈学工程硕士论文 要 摘要 近十多年来，钢铁行业随国民经济的大力推进而得到迅速发展，国内 许多钢铁企业纷纷新建、扩建和改建大型高炉。作为高炉的重要附属设备 一热风炉系统也出现了大型化和复杂化各种输送管路如助燃空气、燃料 气、冷风、热风、烟气管路还有许多换热器辅助管路构成了庞大的热风炉 系统必不可少的组成部分。热风炉系统包括管路部分运行的稳定性问题便 凸显出来。鞍钢新1 号高炉热风炉管路系统的出现的振动，不仅使热风炉 寿命受到威胁，不能满足高风温要求，而且对高炉安全生产也造成了严重 的事故隐患。 论文以鞍钢新i 号高炉热风炉管路系统振动为背景进行研究，从理论 上分析了激励管路的影响因素，并采用信号分析的方法，对振动的热风炉 系统进行综合测试，得出整个系统出现的是耦合倍频共振，其共振频率为 1 2 h z 以下的低频。研究表明，影响高炉热风炉煤气管路系统振动的因素有 很多，流固耦合振动是主要因素。通过建立管路力学模型计算分析，得出 加固管路可以提高系统的固有频率。偏离系统的耦合共振频率。所采取的 具体措施是。对换热器管道打孔放水、在煤气和助燃空气弯管处和文氏流 量管处加固，并对计量仪表进行校对等从而使整个管路系统的固有频率 提高到2 0 h z 以上，远离了产生耦合振动的共振频率，保证了整个热风炉 系统稳定运行。 通过鞍钢新l 号高炉热风炉系统的振动分析、测试问题的研究，得到 实测与理论分析相一致的结论，从而提出了类似问题消除振动的合理方 案。它也对其它热风炉管路系统振动乃至工业输气管道振动的分析与解决 都有重要的指导作用。另外，将国外高精度低频光纤声音传感器用于热风 炉燃烧振动的诊断分析，国内也属于首次，为军用设备引入工业奠定了基 础。 关键词：热风炉，管路振动，输气管路。流固耦合，信号分析 里主壁垫垄兰三堡墨主垒墨垒墅! 曼鉴! a b s t r a c t m o r et h a nt e ny e a r s ，t h es t e e li n d u s t r yg e t saq u i c kd e v e l o p m e n ts t r o n g l y w i t ht h en a t i o n a le c o n o m yp u s h e s ，m a n yd o m e s t i cs t e e lc o r p o r a t i o ns i n s u c c e s s i o nn e w 、e x t e n s i o na n dr e b u ii dul a r g eb l a s tf u r n a c e ，t h ei m p o r t a n t a n ds u b s i d i a r ye q u i p m e n t so ft h eb l a s tf u r n a c e t h eh o tb r e e z es t o v et h e s y s t e ma l s oa p p e a r e db i g n e s sa n dc o m p l i c a t i o n v a r i o u sd u c tr o a d s ，s u c ha s t h ee o m b u s t i o n - s u p p o r t i n ga i r ，f u e lg a s ，c o l db r e e z e ，h o tb r e e z e ，t h es m o k e w i n d p i p er o a d s t i l lm a n yt h eh o tc h a n g e dm a c h i n eo fa s s i s t a n c et u b er o a d c o n s t i t u t et h eh u g eh o tb r e e z es t o v es y s t e m ，i ti se s s e n t i a lt ot h es y s t e m i t i se m e r g et h ep r o b l e mt h a tt h eh o tb r e e z es t o v et h es y s t e ma n di n c l u d e s p a r t so ft h et u b er o a d so ft h es t a b i l i t yr u n t h ev i b r a t i o nw i t he m e r g e n c e o ft h ea n g a n gs t e e ln e wn o 1b l a s tf u r n a c eh o tb r e e z es t o v et u b er o a ds y s t e m ， n o to n l ym a k et h eh o tb r e e z es t o v et h e1 i f es p a nb es u b j e c t e dt ot h r e a t ，a n d c a l l ts a ti s f yt h eh i g ht e m p e r a t u r er e q u e s t ，b u ta l s os e r i o u sd a n g e rt ot h e p r o d u c eo fb l a s tf u r n a c e t h et h e s i st a k e st h ea n g a n gs t e e ln e wn o 1b l a s tf u r n a c eh o tb r e e z es t o v e t u b er o a ds y s t e mv i b r a t i o na sb a c k g r o u n dt oc a r r yo nar e s e a r c h ，a n a l y z i n g t oe n c o u r a g ei n f l u e n c ef a c t o ro ft a k ec a r eo ft h er o a d f r o mt h et h e o r i e s ， a n da d o p tt h em e t h o dw i t ht h es i g n a la n a l y s i s ，c a r r yo nac o m p r e b e n s i v et e s t t ot h eh o tb r e e z es t o v es y s t e mo ft h ev i b r a t i o n ，w h a tt h ew h o l es y s t e ma p p e a r t h er e s o n a n c eo fc o u p l l u gd o u b l yf r e q u e n c y ，i t sr e s o n a n c ef r e q u e n c yi sa1 2 h zf o l l o w i n gl o wf r e q u e n c y t h er e s e a r c he x p r e s st h a ti n f l u e n c et h eb l a s t f u r n a c eh o tb r e e z es t o v et h eg a sp i p er o a ds y s t e mav i b r a t i o no ft h ef a c t o r h a v eal o t ，af l o w i n gs o l i dt oc o u p l i n gv i b r a t i o ni sam a i nf a c t o r p a s st h e e s t a b l i s h m e n tt u b er o a dm e c h a n i c sm o d e lc a l c u l a t i o na n a l y s i s ：g e t t o t e i n f o r c et h et u b er o a dt h a tc a nr a i s et h ep r o p e rf r e q u e n c y ，d e v i a t e ss y s t e l c o u p ll u gr e s o n a n c ef r e q u e n c y t h ec o n c r e t em e a s u r ea d o p tt h a te x c h a n g eh o t m a c h i n ep i p i n gt ob e a tb o r et ot u r no nw a t e r ，c u r v e dt a k ec a r eo ft h ep l a c e a n dt h et e x ts u r n a m ed i s c h a r g et ot a k ec a r eo fp l a c et or e i n f o r c ei nt h ec o a l g a sa n dt h ec o m b u s t i o n s u p p o r t i n ga i r t a n dm e a s u r ni n s t r u m e n tt oc a r r yo r c h e c ke t c ，m a k et h ep r o p e rf r e q u e n c yo ft h ew h o l et u b er o a ds y s t e mr a i s e t ot h e2 0h zt h u sa b o v e ，k e e po f fc r e u t i o nt oc o u p l i n gv i b r a t i o no fr e s o n a n c e f r e q u e u c y ，p r o m i s e dt h ew h o l eh o tb r e e z es t o v es y s t e mas t a b i l i t yt o 辽宁科技大学工程磺士论文 a b s ，i r c t c i r c u l a t e t ot h ev i b r a t i o na n a l y z ea n dt h er e s e a r c ho ft e s t sp r o b l e m a tl a s tw e c a l et oac o n e l u s i o nt h a to b s e r v a t i o na n dt h e o r e t i c a la n a i y s i sa r es q u a r e d a n dm ec o m eu pas e r i e so fr e a s o n a b l et e c h n i c a ls c h e m em i t hs i m i l a rv i b r a t i o n p r o b l e m i ti sa l s og u i d e dt oo t h e rh o tb l a s ts t o v ev i b r a t i o ne v e nt h e a n a l y s i sa n ds o l u t i o nf o ri n d u s t r i a lg a sp i p e l i n ev i b r a t i o np r o b l e la 1 s o w ei m p o r t e da d v a n c e d ，g r e a t e rp r e c i s i o na n dl o wf r e q u e n c yo p t i c a lf i b r e s s o u n dt r a n s d u c e rt ot e s th o tb l a s ts t o v ev i b r a t i o n ，w h i c hw a st h ef i r s to n e a th o m e a n di tl a i dt h eg r o u n d w o r kf o ri n d u s t r yu s i n gh i l i t a r ye q u i p m e n t k e y w o r d ：h o tb l a s tf u r n a c e ，t h ep i p i n gv i b r a t e ，p n e u m a t i ct r a n s p o r t a t i o n p i p i n g ，f l o w i n gs o l i dt oc o u p l i n gv i b r a t i o n ，s i g n a la n a l y s i s 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致 谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得清华大学或其它教育机构的学位或证书而使 用过的材料，与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 0 7 7 ，t 关于论文使用授权的说明 本人完全了解辽宁科技大学有关保留、使用学位论文的规 定，即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借 阅：学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印 或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：耄尘导师签名：西隧萤 日期： ：! ：2 辽宁科技大学工程硕士论文 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 随着人类进入2 l 世纪知识经济时代，我国改革开放进程的不断深入， 钢铁工业正快速地朝着新的高峰发展。中国国民经济的繁荣离不开国产钢 铁材料的有力支撑” 。人所共知，高炉炼铁是钢铁企业三大支柱( 炼 铁、炼钢、轧钢) t 序之一，铁水作为钢铁基础材料的原材料，举足轻重。 现代化的高炉体现的先进指标是大型化。富氧煤粉大喷吹，低焦比，长寿 命据中国金属学会以及权威人士的报告，截止到2 0 0 6 年，我国高炉大 型化的发展是有进步的，济钢、安钢、柳钢等一大批中小企业纷纷建设 1 0 0 0 m 3 以上的大型高炉，取得了跨越式进步。除宝钢拥有4 0 0 0 m 1 级高炉外， 太钢新建的4 3 5 0 m 高炉即将投产；首钢在曹妃甸新区拟建两座5 5 0 0 m 高炉： 鞍钢除新建了3 座3 2 0 0 m 3 高炉外，已将部分落后的小高炉拆掉，此外还将 在鲅鱼圈新区新建两座4 0 0 0 m 大型高炉“1 。高炉的迅猛发展对于它最大、 最主要的附属设备系统热风炉系统的要求也月趋严格，不仅要求热风炉高 温化、大型化，同时也对热风炉系统的稳定也有了更高的要求，就鞍钢来 说，厂内7 座高炉全为2 5 8 0 m 3 以上的大型高炉，其相应的热风炉也囊括 了国内近乎9 0 以上的先进技术，热风炉形式包括霍戈文内燃、新同铁外 燃、马琴式外燃、以及将要在新5 号引进的卡鲁金顶燃等形式，燃烧器形 式包括套简式、矩形、栅格式等，它提供的高温热风，对于降低焦比，强 化冶炼，提高高炉利用系数都起到了重要的作用，在高炉冶炼中，特别是 现代大型高炉冶炼中的作用尤为突出，国内权威人士都认同一一要把热风 炉当作高炉的本体设备一样对待。 1 2 工业背景 为了满足高炉高风温的要求，对于热风炉燃烧，国内各铁厂都纷纷采 用大煤气量、大空气量操作，随之也带来一系列隐患和问题，其中热风炉 系统振动便是其中一个重要的问题，本文以鞍钢新1 号高炉为例来研究热 风炉系统的振动问题。 辽宁科技大学工程硕士论文 第一章绪论 鞍钢新1 号高炉是属于”十五“期间异地改建的一座现代化高炉，它 采用了多项当今世界最先进的炼铁新技术，首先应该说是鞍钢人的骄傲。 其中配置的3 座热风炉引进的是欧洲达涅利霍戈文公司( d a n i e l i h o o g v e n ) 的高风温内燃型式，这是该公司在世界上设计的最大的一座热 风炉。热风炉采用的是矩形燃烧器，其燃烧器和热风出口组合砖，还有拱 项关节砖等关键部位的耐火材料都是由霍戈文公司提供。炉体本身各部分 是按2 5 年的寿命来精心设计的。热风炉外围的管路系统包括换热器部分、 风机部分均由我国实力雄厚的重庆钢铁设计院来设计。整个热风炉系统 共投资1 5 亿人民币。 熟风炉主要设计参数是： 高焦混合煤气 l 1 0 0 0 0 n m 3 ( h 座) 其中焦炉煤气配入的总量 3 0 0 0 n m 3 h 空气预热温度 2 0 0 煤气预热温度 2 0 0 送风温度 1 2 0 01 2 5 0 3 座热风炉于2 0 0 3 年4 月8 日正式投产，在运转的初期，热风炉燃烧 煤气量为5 0 0 0 0 6 0 0 0 0 n m 3 h ，炉况顺行。但是不到2 周以后，热风炉出 现振动现象，而且随着煤气量的加大，振动越发明显并强烈。6 月2 只， 发现煤气换热器的下部积存有大量的煤气机械水，用1 9 m m 出口直径的管 子排放长达6 个多小时，如果流速按照i 5 m s 计算，相当于积存了9 吨 多的煤气附带机械水。放水以后，热风炉振动情况明显好转，不过仍然不 能超过6 0 0 0 0 n m 3 h ；7 月2 日将空气和煤气换热器投入使用，并在煤气管 转弯处加支撑此时煤气量在9 5 0 0 0 n m 。h 以下时热风炉运转正常，超过 1 0 0 0 0 0 n m 3 h 时，热风炉系统便出现强烈的振动现象，特别是3 号热风炉的 管路系统，一些支点少的支管和楼梯震颤，发出很大的撞击噪音，纵向垂 直的一些管路膨胀圈上下振动幅度大于i o m m ( 目测) ，情况十分危险。热 风炉出现上述情况，从目前来看，情况比较复杂，各种耦合的因素比较多。 应该承认引入的各项技术都是比较先进的，但是不能忽略某处局部的设计 考虑不周以及综合匹配欠佳所造成的后果。 鞍钢新l 号高炉热风炉的振动问题，已经严重的影响到高炉的j 下常生 产。因为热风炉不能按照设计指标去运转：另外，即使热风炉在低负荷的 煤气量下操作，也存在着一定程度的振动，长期下去对热j ) ( l 炉寿命是一个 严重的威胁。更主要的是，管路系统在长时自j 周期性的交变应力作用下， 2 辽宁科技大学工程硕士论文 第一章绪论 特别是高温部位，一旦管路破裂，预热的煤气、空气和高温烟气流出，后 果将不堪设想，将引发更为严重的事故。 因此，要尽快地测试分析出热风炉系统振动的根源采取妥善措施， 消除或解决振动问题，保证热风炉正常安全运转，摆脱隐患，达到设计指 标。这个问题的解决，将为鞍钢新高炉的建设打下良好的基础，对整个鞍 钢的建设做出积极的贡献。 1 3 文献综述 1 3 1 管道系统振动的研究 国外在5 0 年代就已经开始了对输气管道振动问题的探索研究，但是 一直未有突破性进展。直到上世纪7 0 年代初期，管道振动问题的研究才 打开了新的局面，结合计算机的应用，使得许多管道振动的研究进入了实 用阶段。这方面国内已经有许多先例。 略阳热力发电厂曾经对威胁安全生产的因素“除氧器补水管道振动” 进行分析，发现振动来自管道内部，管道长度只是加大振动而已。另外， 经检查，除盐水补水门确有少量泄漏，凉水不断进入除氧头，这又延续了 振动的时间。由于分析得准确，采取在紧贴除氧头处。除盐水补水管加一 u 型水封的措施，使振动得到了较好的解决【7 j 。 中原油田设计院的杨志毅通过管道理论计算和管道振动测试与分析 对压缩机管道振动进行了分析，得出了共振响应引起压缩机管道振动的结 论，并初步提出了减缓振动的方案”j 。 邬海军，郭鹏程等人将运用在水轮机部件流固耦合振动特性分析之 中，得出运用a n s y s 分析在理论上是可行的。但由于实际条件的限制，计 算结果没有经过实验检验，其正确性只能与同类文章进行比较、分析的结 论。在实际分析方面并未做深入研究1 9 j 。 针对离心式风机进口涡流和吸力侧旋转失速的低频耦合问题，采用谐 波小波变换方法，对4 7 3 n o g d 型风机吸力侧旋转失速和进口涡流的脉动 信号进行了时域分析和特征诊断。结果表明，二者均出现在l o 5 0 h z 范围 内。吸力侧旋转失速的流量一频率关系是一条平坦的曲线。而进口涡流频 率与流量成一定斜率的线性关系，且二者在耦合发展过程中存在时频信号 辽宁科技大学工程硕士论文 第一章绪论 分离现象。该方法能够有效诊断离，1 1 , 风机的非稳态流问题【m j 。 此外还有v m a s 2 0 0 2 1 振动检测故障诊断系统在煤矿的应用l ，斜拉 桥拉索振动及其减振措施等等，振动的问题涉及了多个方面，但是专门关 于热风炉管路系统振动的测试与研究成果却很少。2 0 0 5 年1 2 月经辽宁省 科学技术情报研究所对热风炉振动问题进行的国内外查新，也仅检出相关 文献9 篇，其中科技论文5 篇，会议论文4 篇【1 2 l 。可见在热风炉管路系统振 动方面的成熟研究，国内外都不多。 其中流体流动致振问题实际上早己得到国内外学术界的重视，但是与 钢铁冶金行业联系的不多。流体诱发结构振动机理很复杂，特别是一定湍 流流场下的致振问题，虽然有以上多个方面的研究，但是仍有很多疑团没 有被科学地解释。如龙卷风的成因与振动等。下面粗浅地讨论下绕流脱体、 二次流、旋涡诱发振动及湍流脉动诱发振动的问题。 ( 1 ) 绕流脱体 当流体掠过固体表面或在管内流动时，在r e 数很大的情况下，湍流剪 切力比流体的固有粘性对流动起到更大的作用。这时粘性项, 相对较小， 壁面的流体速度u 为零，而在离开壁面的极小距离处，就变到了与主流速 度u 大体相等的速度。即在壁面附近存在一个边界层。不论边界层内是层 流还是湍流，都涉及到边界层分离这一重要性质，该边界层即粘性底层的 分离现象对主流行为将产生很大的影响，边界层分离原理见图卜1 。 y 边界膈外缘 图卜i 边界层分离 离雠 如果是层流边界层，只要有逆压力梯度存在，就必然发生边界层分离。 不过当边界层中的流动由层流转变为湍流时，边界层与外流之间的强烈搀 混，导致外流赋予边界层内濒于停滞的流体质点很多的动能，使得分离点 向下游延伸，从而减少了尾涡区和压差阻力在工程上边界层的分离现象 4 辽宁科技大学工程硕士论文第一章绪论 是令人担忧的，因为分离点的旋涡会周期性的脱落和产生，并对管壁形成 周期性的旋涡激振力诱发管路振动，如果激振力频率与管路的固有频率接 近，就会造成共振危害。此外，旋涡周期性的脱落和产生还会影响到分离 点处的压力分布，使管流在很大程度上出现压力脉动】。 ( 2 ) 二次环流 不论是层流还是湍流的弯管流动，都具有在弯管路断面上形成二次流 和内外壁压力分布不同的特征。因为弯管的曲率产生离心力，与断面上压 力梯度力同时作用于流体，当然这其中还有湍流扩散力的作用。当离心力 占主导地位时，在管路断面的中心部位，会形成从内壁指向外壁的二次环 流：相反，当壁面附近压力梯度很大时，就会出现从外壁指向内壁的二次 环流，见图卜2 。所谓二次环流，也称二次流，就是与主流相垂直的面内 的流动。由于流体的连续性，二次流不仅会影响到边界层，还会大大影响 到流动的核心主流。二次流的旋涡横向力，以一定的频率作用于壁面上， 当它的频率接近于结构的固有频率，就会引起结构的共振危害。 图卜2 弯管中的二次流动 当流体流过如图卜3 所示的弯管时，在内壁处存在一个很大的旋涡区， 在外壁尖角处也存在一个死区。它会造成速度分布的不均匀和能量损失， 要经过相当长的距离之后，端面上的速度才会均匀1 14 1 。 ( a ) 直角弯管流态 辽宁科技大学工程硕士论文 第一章绪论 e ( 3 ) 渐缩渐扩管流 ( b )圆弧形弯管的流态 图卜3 弯管内流动特征 圆形管路的变径，经常出现的形式是逐渐收缩或扩张，流体在这种管 内的流动称之为收缩流或扩散流。如文氏管内的流动。根据边界层分离理 论，在文氏管收缩段之前和扩张段出口附近，也会出现逆压力梯度。以扩 张段为例，在不同的扩张角2 d 以及来流流速的条件下，会出现不同的流动 状态。见图1 4 中的( a ) 、( b ) 、( c ) 、( d ) i j 3 j 。 其中比较复杂的是( b ) 和( c ) 的状态。因为这种交替的旋涡区的流 动，将形成一种旋涡激振力来诱发振动，而振动又反过来影响流场和激振 力本身，流场和管路结构之间的复杂作用，将改变涡的频率和分离特性、 激振力的大小以及相位。它也是造成管路系统振动的激振源之一。 ；莲z j 型2 l 4 二 图1 - 4 扩散流的分类 6 攀 辽宁科技大学工程硕士论文 第一章绪论 ( 4 ) 湍流诱发振动 由湍流流动所诱发的振动是流动诱发振动中最为常见的形式，流动的 湍流波动由工程结构表面上的波动压力传递给结构体这些表面压力诱发 了振动。在雷诺实验中已经观察到，当圆管内的流动处于湍流状态时，管 内流动呈现出明显的不规则性和随机性，湍流中的旋涡不断的产生、成长、 分裂和消失，使得湍流场中各种物理量随时闻和空刚的变化也是随机的。 用热线j x l 速仪测量风洞流场的气流速度，记录下来的速度与时问的关系曲 线如图卜5 所示。 强 图卜5流速与时问关系曲线 由上面可知管路结构的振动与结构本身和来流的湍流度有很大的关 系。在工程结构形式一定的前提下，结构振动则主要取决于来流的湍流度。 由湍流度的定义可知来流流速越大即流量越大，脉动程度亦越大，湍流度 则越大。在一定的湍流度下便激发结构的振动，可能会造成无法估计的损 失。实际工程中的振动问题往往都是由大流量引起的。由湍流涡团尺度理 论可知，随着涡团雷诺数的增大，涡团尺度逐渐减小但并不是一直减小下 去。而是有限度的，即当湍流涡团雷诺数数量级为l 时，涡团尺度达到最 小值。涡团形状也由原来小流量时的大尺度旋涡转变成大流量下的杂乱无 章的小尺度旋涡。因而对管壁产生的旋涡激振力就更为复杂作用更为明 显。这些理论分析已被实验所证明【i ”。 辽宁科技大学工程硕士论文 第一章绪论 1 3 2 振动测量仪器和测试技术 测试振动主要是要测试被测物体的频率和振幅，过去常用的振动测试 系统主要由三部分组成：第一部分为感受振动信号并输出信号的传感器 ( 拾振器) ；第二部分为完成信号放大或衰减的二次仪表( 放大器测振仪) ； 第三部分为记录信号的记录装置( 光线示波器、磁带记录仪，瞬态记录仪 等) 记录装置记录下信号再由人工或专门仪器对波形进行分析处理。这 一测试系统在振动测试领域中发挥了很大的作用，但也存在一些问题。如 采用光线示波器作为记录仪器，采集的波形后期量化处理难度大，误差也 大，而且记录下的波形保存时间短；磁带记录仪和瞬态记录仪在波形处理 上也需要配接专用的分析仪器，使得该测试系统价格太高。另外，传感器 与放大器之间需用几十米或几百米的信号传输电缆连接。在测试准备工作 中，不仅时问长、工作量大。而且由于敷设线路过长，也易出现系统误差 随着电子技术和计算机技术的迅猛发展，测振仪器也有了较大的进 展。国内外一些厂家和科研单位都研究和开发出了新一代的测振仪器t 它 克服了现有测试系统的许多缺点1 5 l 。拾振器的种类也多种多样包括电动 式拾振器、电容式拾振器、饲服式拾振器、电阻式拾振器、电涡流式拾振 器、压电式拾振器、磁敏器件拾振器、和光导纤维拾振器等1 6 l 。在振动测 量仪器的选择上也有了依据 本次新1 号高炉热风炉系统振动测试选择了d y 一3 便携式动态数据采 集分析系统、a d 3 6 0 8 型多用8 通道高级信号调理器、a d x l l 0 5 加速度计、 专用拾音器、压力传感器等仪器。另外还采用了以色列产f o mm o n 2 a 光纤 声音传感器等国外研究和开发出的新一代测振仪器。从而保证了测试的精 度。 1 4 本课置研究的目的童义及主要内容 1 4 1 目的意义 本文通过对热风炉管路系统振动原因的测试与研究，依据建模计算得 出的疆缓振动的方法，对热风炉管路系统采取了相应的减轻振动的措箍， 并在之后的生产中取得了良好的效果。使热风炉在设计工况下稳定运转 8 辽宁科技大学工程硬士论文 第一章绪论 这不仅在国内是首例，在国外也罕有这样的成果。特别是对于日产7 0 0 0 t 以上的大型高炉来说，其社会效益和经济效益更是举足轻重的 1 、社会效益 热风炉系统是除高炉本体外，最大最主要的设备，其投资约占高炉总 投资的三分之一。其重要性显而易见。然而一旦热风炉系统产生振动，就 会首先威胁热风炉烧炉，以至造成送风温度低，增加焦比，降低产量等一 系列问题。同时，由于设备强度有限，频繁长期的振动极有可能损坏管道 和设备，严重时还有可能造成设备周围人员的人身伤害事故。给社会也带 来很大的负担。因而解决热风炉管路系统振动对于提升高炉指标、保证职 工人身安全和造福社会都有不可估量的社会效益。 2 、经济效益 1 ) 考虑达到送风温度、降低了焦比所带来的效益 按照以往的生产经验，当热风温度为1 1 0 0 1 2 0 0 y ! 时，每提高1 0 0 风温可以降低焦比1 5 k g t ( 铁) ；现在鞍钢新l # 高炉热风炉平均热 风温度按1 1 8 0 1 2 计算要提高2 0 才能达到1 2 0 0 1 2 ，而提高2 0 相当 于降低了焦比为3 k g ( 焦) t ( 铁) 已知新l # 高炉每天产铁7 5 0 0 t ，年 工作日为3 6 0 天，每吨焦碳价格为7 0 0 元 则，这一项的经济效益为： 0 0 0 3 t ( 焦) t ( 铁) x7 5 0 0 t ( 铁) 天x 3 6 0 天年x7 0 0 元t ( 焦) = 5 6 7 0 ，0 0 0 元年 2 ) 鞍钢新1 # 高炉( 3 2 0 0 m ) 热风炉的设计寿命为2 5 年，由于振动， 会使寿命大大降低，按照寿命减少一半计算新1 号高炉耐火材料费用 为1 7 0 0 万座三座热风炉耐火材料费用5 1 0 0 万。热风炉大修一次估算 更换5 0 耐火材料 5 1 0 0 ( 万) x5 0 = 2 5 5 0 ( 万) 合计：3 1 1 7 万元 由此可见，消除了新1 # 高炉的热风炉的振动给与鞍钢的效益是相当 可观的。 3 、其它效益 由于新1 # 高炉热风炉管路系统振动问题的解决，给与鞍钢乃至国内 其它新建大型高炉设计旎工带来的借鉴作用所产生的间接经济效益以及 可持续发展效益，更是无法低估 9 辽宁科技太擘工程硕士论文 第一章绪论 1 4 2 研究内容 ( 1 ) 应用特种振动测试仪器对新l 号高炉热风炉燃烧系统、管路系统以 及风机系统进行测试，并褥出结果。 ( 2 ) 通过建模数值计算，得出影响管道固有频率的因素，并采取相应措 施提高管道固有频率到2 0 t l z 以上。 ( 3 ) 根据测试结果与建模计算结果采取相应措施，对新l 号高炉热风炉 整个系统薄弱环节进行处理。 ( 4 ) 引进以色列产f o mm o n 2 a 光纤声音传感器，对采取措施后的新1 号 高炉热风炉系统进行测试研究，验证采取措施的有效性。 辽宁科技大学工程硕士论文 第二章热风炉燃烧系统测试 第二章热风炉燃烧系统测试 2 1 测试佼叠、软件以及分析方法 测试仪器采用d y - 3 便携式动态数据采集分析系统、a d 3 6 0 8 型多用8 通道高级信号调理器、a d x l l 0 5 加速度计、专用拾音器、压力传感器等 d y 一3 便携式动态数据采集分析系统是鞍山市电测研究所引入美国的主 要硬件进行设计组装的标准虚拟仪器，配置d a s y l a b 软件，它拥有1 0 0 多 个模块，可以任意连接，并且多通路同时适时处理或后期处理。 a d 3 6 0 8 型多用8 通道高级信号调理器，具有动态信号调理、纯静态信 号调理功能，1 ，1 0 ，1 0 0 ，1 0 0 0 倍程控增益，l - l o k 程控抗混滤波，属于 恒压源，可调恒流源为一体的各通道直通式输出高级信号调理器，信号输 入端可直接连接各种模拟量输出的传感器 a d x l l 0 5 型微硅机械平衡式加速度计，灵敏度为2 5 0 m v g 。 测量燃烧振动和噪音信号先后采用国内市场上专用的拾音器，输出信 号为电压信号，标准校核电压为6 2 8 9 v 。同时还使用了一种压力传感器， 其灵敏度为i k g c m 2 ，全压为5 v 。 上述的整个测量系统误差可以达到0 1 图2 1 和图2 2 为用d a s y l a b 软件设计组合信号分析模块图示例。 信号的时域分析就是以时问为轴，记录信号的变化过程它可以显示 出信号的变化和幅值大小，也可以进行简单粗线条的频率分析。 傅里叶变换分析( f f t ) 是分析采集信号具有何种频域成分的基本方法。 从时域到频域，应用f f t 变换，从频域到时域，应用f f t 逆变换。 进行信号的功率谱分析，可以得到信号在一定的频率条件下的能量大 小，是直接进行振动分析的有效方法。 另外，对信号进行相关性分析，可以判断信号的周期性或随机性 在测试分析中，我们基本上采取以上的信号处理研究方法。 辽宁科技大擘工程硕士论文 第二章热凤炉燃烧系统测试 图2 - 1一种谐波分析和功率谱分析模块图 图2 2一种振动统计分析模块 1 2 辽宁科技大学工程硬士论文 第二章热风炉燃烧系统嗣试 2 2 测量位置和编号 选择2 号和3 号热风炉及其管路系统作为测试的重点部位，并通过热 风炉点火孔来测量燃烧振动信号，为考察风机系统的运转频率对系统振动 的影响，除了风机本体测点外，还在风机入口、出口及换热器前的管路上 设置了测试点，见图2 - 3 。 高炉瘴气 、 蹴嚣封机,iris 且机主体专c 弋 , c a n 5 ，空7 挟鲻苜 - 气执换 嚣 段) 段) 图2 - 3热风炉系统测量位置和编号总图 2 3 典型工况设置 图标说明 一空气管路 煤气管珞 。 潮试点 新l 号高炉拥有3 座内燃式热风炉，运转操作方式为。两烧一送”。在 工况设置的问题上，我们考虑了不同的运转操作方式对振动的影响，3 种 热风炉运转操作条件下典型的2 3 种工况参数见表1 工况的标注意义如下： x y yx 一代表第几轮或测量日期：y y 一代表下属工况号 辽宁科技大学工程硬士论文第二章基足炉堪烧系统嗣试 表2 - 1典型工况参数及测量时阃 工况热风炉运转条件 焦炉煤气预热 烧高炉煤气量n m 3 h煤气总压温度振测量 ( 空燃比按0 6 0 7 )量 力动时间 1 号2 号3 号 n m 3 k p a 空煤 情 h 气气况 2 一0 1送风7 6 0 0 0 7 0 0 0 0 2 0 0 05 7 41 8 81 8 6不振2 0 0 3 0 7 2 5 7 8 0 0 0 7 9 8 0 01 l ：4 1 “：4 6 2 0 3送风7 8 0 0 0 8 9 0 0 0 1 8 0 06 5 l1 7 41 7 5不振2 0 0 3 0 7 2 5 7 9 0 0 0 9 0 0 0 0l l ：5 4 1 1 ：5 9 2 0 4送风8 5 0 0 0 9 5 0 0 0 1 8 0 06 9 717 5 1 7 0 开始2 0 0 3 0 7 2 5 8 6 5 9 59 6 0 0 0 振动1 2 ：0 3 1 2 ：0 8 2 - 0 6送风9 2 0 0 0 9 8 5 0 0 2 l o o8 1 51 8 l1 7 5 振动 2 0 0 3 0 7 2 5 9 3 0 0 01 0 5 0 0 0 1 2 ：2 2 1 2 ：2 4 2 一0 7 送风 9 4 0 0 0 1 0 6 1 4 0 2 0 0 08 4 51 8 3 l7 7 剧烈2 0 0 3 0 7 2 5 9 6 0 0 0 振动1 2 ：2 7 1 2 ：2 8 l l o o o o 20 8 停 送凤6 8 0 0 0 1 6 0 05 41 9 71 9 5 不振 2 0 0 3 0 7 2 5 7 0 0 0 01 2 ：3 6 1 2 ：3 8 2 一1 0 停送风 8 1 0 0 0 1 6 0 05 3 91 9 51 9 1 开始 2 0 0 3 0 7 2 5 9 0 0 0 0振动1 2 ：4 4 1 2 ：4 6 2 一l l 停 送风9 2 5 1 9 2 0 0 05 5 6 1 9 21 8 7 振动 2 0 0 3 0 7 2 5 9 5 1 5 06 0 91 2 ：5 0 1 2 ：5 l 2 - 1 2 停 送风9 6 3 0 6 1 9 0 05 9 4 1 9 01 8 6剧烈2 0 0 3 0 7 2 5 1 0 7 1 4 66 4 7振动1 2 ：5 5 1 2 ：5 6 平台 都抖 2 一1 38 9 0 0 0送风7 0 4 5 6 1 9 0 05 7 91 7 91 6 3不振2 0 0 3 0 7 2 5 7 1 7 7 21 3 ：2 4 1 3 ：2 5 2 一1 59 6 0 0 0送凤9 6 0 0 0 1 8 0 07 4 71 7 81 7 72 0 0 3 0 7 2 5 9 7 1 3 51 3 ：4 l 1 3 ：4 2 2 1 61 0 0 6 0 0送风1 0 6 6 4 51 8 0 08 4 3 1 8 l1 7 3 剧烈 2 0 0 3 0 7 2 5 辽宁科技大学工程硕士论文第二章矗且炉燃烧系统测试 8 5 5 振动 1 3 ：4 7 1 3 ：5 0 1 0 0 7 0 0 相当 厉害 3 0 l送风6 7 5 0 0 7 4 2 0 0 2 4 0 04 8 l 1 8 l1 7 6小振2 0 0 3 0 9 1 7 6 8 0 0 07 5 0 0 04 8 31 l ：0 8 1 1 ：1 5 3 0 3 送风 7 4 0 0 0 9 8 7 0 0 1 8 0 06 5 0 1 7 51 7 0 振动 2 0 0 3 0 9 1 7 7 5 0 0 01 0 0 0 0 06 5 51 1 ：4 2 1 1 ：4 6 3 0 4 送风 7 5 5 0 0 1 0 7 0 0 1 1 0 07 5 5 1 7 71 7 l 强烈 2 0 0 3 0 9 1 7 7 6 0 0 01 1 0 0 0 08 2 8振动1 l ：4 7 1 1 ：4 9 管路 撞击 3 0 5 7 7 5 0 0送风 7 0 9 0 0 2 4 0 05 8 9 1 7 71 7 2 不振2 0 0 3 0 9 17 7 1 0 0 06 01 l ：5 5 l l ：5 9 7 8 0 0 0 3 0 78 8 0 0 0 送风 8 9 0 0 0 17 0 06 9 2 1 7 41 8 l 管路 2 0 0 3 0 9 1 7 9 5 0 0 07 0 8 开始 1 3 ：1 1 1 3 ：1 3 9 5 0 0 0振动 3 - 0 89 7 9 0 0送风9 8 0 0 0 1 2 0 07 8 6 1 8 31 7 6强烈2 0 0 3 0 9 1 7 1 0 0 0 0 08 0 3 振动 1 3 ：1 4 1 3 ：1 7 1 0 0 0 0 0 平台 颤抖 3 一1 01 0 0 0 0 0 送风 1 1 0 0 0 03 0 08 8 6 1 9 01 9 1 更强 2 0 0 3 0 9 1 7 9 0 9 烈振 1 3 ：2 8 1 3 ：3 0 1 0 8 0 0 01 1 6 3 0 0 动 3 1 l7 0 0 0 06 7 0 0 0送风2 5 0 04 8 62 0 62 0 l不振2 0 0 3 0 9 1 7 1 3 ：5 3 1 3 ：5 5 3 一1 3 9 0 0 0 07 9 0 0 0送风 2 1 0 06 8 61 8 51 7 7 开始 2 0 0 3 0 9 1 7 振动 1 4 ：0 0 1 4 ：0 2 3 一1 4 1 0 0 0 0 08 9 0 0 0送风 1 6 0 07 7 61 8 l1 7 4 强烈 2 0 0 3 0 9 1 7 振动 1 4 ：0 5 1 4 ：0 6 3 一1 76 9 0 0 01 0 0 0 0 0送风1 8 0 0 7 3 1 8 21 7 4强烈2 0 0 3 0 9 1 7 振动 1 4 ：1 6 1 4 ：1 8 豆宁科技大学工程硕士论文 第二章 热风炉燃烧系统删试 由表2 一l 可以看出，在第2 轮和第3 轮测试中，工况2 一0 7 、2 一1 2 、2 一1 6 、 3 0 4 、3 一0 8 、3 1 0 、3 1 4 和3 1 7 都出现较大振动，它们的共同特点是煤 气量都较大，并且离空煤气煤气管路系统和换热器最近的3 号炉燃烧时， 只要煤气量稍微大一点，都会产生振动。可以断定，振动根源出在3 号炉 附近的空煤气管路系统和换热器系统。所以，我们重点对2 号、3 号炉、 空煤气管路系统和换热器系统进行了信号分析。 2 4 燃烧振动信号分析 燃烧振动信号用专用拾音器、压力传感器及光纤声音传感器测得。为 了验证测试信号的准确性和重复可信性，先后对2 号和3 号热风炉进行了 多次测试。选择2 1 6 工况进行分析，该工况主要测量3 号热风炉系统， 具体的测量位置见图2 - 4 。 煤”： 【j 、 、 a 辑 空￥ l 磐鼍f f 艨鼍蓐管 热风j 户 空气总管 划卫 ：、= ： 0 c 5口n n 0 - - - l ，j - 。 火孔中心线 口1 5 7 s 2