Diagnostyka stanu dynamicznego energetycznego kotła parowego. Poszukiwanie przyczyn występowania nadmiernego poziomu drgań konstrukcji energetycznego kotła parowego, w aspekcie podjęcia działań celem ich minimalizacji Pomiary i analiza drgań kotła parowego Elektrociepłowni. Autorzy: mgr inż. Jan MARASZEWSKI mgr inż. Witold MARASZEWSKI Część 1 Cel wykonania prac pomiarowych: celem było wykonanie pomiarów drgań elementów kotła na podstawie których podjęte zostaną próby poszukiwania przyczyn występowania źródeł drgań będących bezpośrednią przyczyną złego stanu dynamicznego kotła i których występowanie zagraża bezpiecznej eksploatacji kotła. 1. Zakres badań i pomiarów. Zaobserwowane niesprawności. a. Bardzo intensywne pionowe drgania bandaża tylnej ściany kotła na poziomie 23 200mm, b. Intensywne drgania kanału spalin w międzyciągu kotła, c. Intensywne drgania pokryw włazów szczególnie w dolnej części kotła. d. Wg wstępnej obserwacji występujące drgania noszą cechy drgań rezonansowych. Postawione tezy i przypuszczenia. Opierając się na dostarczonych przez producenta wynikach pomiarów drgań przeprowadzonych przez jedną z firm założono, że występujące drgania mają charakter drgań rezonansowych, a przyczyną ich powstawania jest prawdopodobnie możliwość występowania aerodynamicznych samowzbudnych drgań związanych z przepływem. Realizowane etapy badań. Po zapoznaniu się z objawami występujących niesprawności i dostarczonymi przez producenta kotła materiałami dokumentującymi te zdarzenia i po zapoznaniu się z dokumentacją kotła przystąpiono do zaplanowania zakresu pomiarów. Pomiary miały na celu rozpoznanie charakteru drgań wytypowanych elementów kotła. Zakres pomiarów ustalony został pod kątem rozpoznania zarówno skutków jak i ukierunkowania badań w celu wskazania przyczyn wywołujących te drgania. Ze względu na skomplikowany i wielowątkowy proces drganiowy kotła zadecydowano się na wykonywanie wielokanałowej rejestracji drgań. Ustalono, ze zakres badań będzie obejmował wykonane w IV sesjach pomiary i analizę drgań następujących węzłów konstrukcyjnych kotła: Sesja I rozpoznanie charakteru drgań.
S t r o n a 2 Pionowe i poziome drgania bandaża tylnej ściany kotła na poziomie 23 200 mm, Pulsacja ciśnienia przepływającej strugi w międzyciągu kotła. Pomiar drgań łopatek zawirowywaczy i pionowej kierownicy strugi. Sesja II rozpoznanie charakteru drgań. Pulsacja ciśnienia przepływającej strugi w przewale kotła. Pomiar drgań łopatek zawirowywaczy i pionowej kierownicy strugi, Pomiar drgań dwóch sąsiadujących rurek wymiennika B, Pomiar drgań dwóch sąsiadujących rurek Zespołu wymiennika 1, Pomiar drgań dwóch sąsiadujących rurek Zespołu wymiennika 3. Sesja III Pomiary częstotliwości drgań własnych rur wymiennika B, Pomiary częstotliwości drgań własnych rur Zespołu wymiennika 1, Pomiary częstotliwości drgań własnych rur Zespołu wymiennika 2, Pomiary częstotliwości drgań własnych rur Zespołu wymiennika 3, Pomiary częstotliwości drgań własnych bandaża na poziomie 23 200 mm. Sesja IV rozpoznanie charakteru drgań. Pomiar drgań trzech wybranych sąsiadujących rurek Zespołu wymiennika 1, Pomiar drgań trzech wybranych sąsiadujących rurek Zespołu wymiennika 2, Pomiar drgań trzech wybranych sąsiadujących rurek Zespołu wymiennika 3, Pionowe i poziome drgania bandaża tylnej ściany kotła na poziomie 23 200 mm. Po wykonaniu Sesji IV wykonano Sesję V pracy, która miała na celu poszukanie ewentualnego wpływu aerodynamiki powietrza w kanałach powietrznych palników na wystąpienie drgań strugi w kotle. W tym celu wykonano równoczesną rejestrację następujących elementów; Pomiar pulsacji powietrza w kanałach przed palnikami 1, 2, 3, 4, 5, 6 i 7, Pomiar drgań stalowej pokrywy komory palnika 1, Pomiar drgań stalowej pokrywy włazu do komory spalania. 2. Rozmieszczenie punktów pomiarowych. Punkty pomiarowe zlokalizowane zostały w tych miejscach, gdzie spodziewano się zebrać największą ilość informacji odnośnie charakteru drgającej konstrukcji kotła oraz podobieństwa obserwowanych drgań strugi i wymienników. Założone, ze wskazanie cech wspólnych charakteru drgań konstrukcji, strugi i wymienników pozwoli na właściwe ukierunkowanie poszukiwań źródła tych drgań.
S t r o n a 3 Rys.1. Rozmieszczenie punktów pomiarowych podczas realizowania prac w sesji I. Rys.2. Rozmieszczenie punktów pomiarowych podczas realizowania prac w sesji II.
S t r o n a 4 Rys.3. Zestawienie układu pomiarowego podczas wykonywania badań w sesji III. Rys.4. Rozmieszczenie punktów pomiarowych podczas realizowania prac w sesji IV.
S t r o n a 5 Rys.5. Rozmieszczenie punktów pomiarowych podczas realizowania prac w sesji V. Przedstawione na rysunkach strzałki wskazują miejsca i kierunek przyłożenia czujników drgań. 3. Opis pomiarów. Pomiary wykonano w następujący sposób. W pokazanych na rysunkach od rys. 1 do rys 5 punktach pomiarowych (p.p.) instalowano czujniki przyśpieszeń drgań i czujniki ciśnień. Czujniki drgań mocowane były przy pomocy uchwytów magnetycznych w tych miejscach gdzie oczekiwano występowania charakterystycznych sygnałów drganiowych, w których będzie można uzyskać takie informacje, aby po analizie jednoznacznie określić ich charakter. Mocowanie czujników przy pomocy magnesów zapewnia liniowe przenoszenie drgań (brak zniekształcenia charakteru sygnału drganiowego) w zakresie częstotliwości od 0 Hz do ok. 600 Hz. Czujniki przyśpieszeń drgań połączono z wielokanałowym zestawem wzmacniaczy całkujących, a te połączono z 24 kanałowym profesjonalnym magnetofonem pomiarowym przy pomocy, którego rejestrowano drgania i pulsacje ciśnień. Drgania w postaci przyśpieszeń i pulsacje ciśnień rejestrowano równocześnie w tym samym czasie we wszystkich 24 punktach pomiarowych. Podczas badań sygnały drgań rejestrowano w zakresie częstotliwości od 0 Hz do 360 Hz. Nie zachodzi, więc obawa zniekształcenia charakteru drgań w związku z zastosowaniem przyjętego sposobu mocowania czujnika za pomocą uchwytów magnetycznych. Tak, więc drgania wymienników i konstrukcji, a także pulsacje przepływów rejestrowane były równocześnie w tym samym czasie we wszystkich punktach pomiarowych. W laboratorium VIBROPOMIARU, zarejestrowane przy pomocy profesjonalnego magnetofonu pomiarowego sygnały drganiowe poddano dokładnej analizie częstotliwościowej. W każdym torze pomiarowym zastosowano dolnoprzepustowe antyaliasingowe filtry o tłumieniu 80 db na oktawę tj. tłumieniu sygnału 10 000 razy na oktawę. W ten sposób uniknięto błędów związanych z możliwością wystąpienia w analizie
S t r o n a 6 nierealnych częstotliwości, czyli nieistniejących w rzeczywistości składowych drgań, które mogą zostać utworzone przez źle zestawiony układ pomiarowy. Sygnały przyśpieszeń drgań i pulsacji ciśnienia były analizowane w zakresie częstotliwości od 1 Hz do 100 Hz. Analizę częstotliwościową wykonano przy zastosowaniu analizatora drgań typ 2515 firmy Bruel&Kjaer i dwukanałowego analizatora sygnałów typ 2032 firmy Bruel&Kjaer. Cały układ pomiarowy został skalibrowany przy pomocy kalibratora wzbudnika wibracyjnego 4291 firmy Bruel&Kjaer. Zastosowany wzbudnik wibracyjny typ 4291 firmy Bruel&Kjaer nr 398217 posiada aktualne świadectwo wzorcowania nr 1843 wydane przez Laboratorium Akustyki Technicznej GIG posiadające nr akredytacji AP 006. Konfigurację torów pomiarowych podczas pomiarów, rejestracji i analizy drgań przedstawiono na rys.6. Rys.6. Konfiguracja torów pomiarowych zastosowana przy rejestracji i analizie drgań na obiekcie i w Laboratorium VIBROPOMIAR u. Wykaz aparatury pomiarowej użytej do pomiaru i rejestracji drgań na obiekcie i analizy drgań w Laboratorium Zakładowym VIBROPOMIAR u Tablica 1 LP Nazwa Typ Nr fabryczny Firma Kraj 1 Przetworniki przyśpieszeń 4381,...,4338 985455; itd. Bruel - Kjaer Dania 2 Przetworniki cisnień MCN 9110959:itd. Peltron Polska 3 Przedwzmacniacz ładunku 2651 521692 Bruel - Kjaer Dania 4 Wzmacniacz MPL - 108 Peltron Polska 5 Magnetofon pomiarowy V Store RB8805/01/01 RACAL Anglia 6 Magnetofon pomiarowy Store PlusVL RB8805/01/01 RACAL Anglia 7 Wzmacniacz pomiarowy 2610 Bruel - Kjaer Dania 8 Fazomierz 2971 1133563 Bruel Kjaer Dania 9 Analizator drgań 2515 1354213 Bruel - Kjaer Dania 10 Oscyloskop PM 3320A 1024174 Philips Holandia 11 Dwukanałowy Analizator 2032 1 083 845 Bruel Kjaer Dania 12 Generator drgań 2010 1002365 Bruel - Kjaer Dania 13 Wzmacniacz mocy LV - 102 5298 RFT Niemcy 14 Stolik wibracji SM 220 128364 RFT Niemcy 15 Kalibrator drgań 4294 1466990 Bruel - Kjaer Dania
S t r o n a 7 4. Wyniki pomiarów drgań. Sesja I. Wydajność palników 282 T/h. Występują intensywne drgania bandaża znajdującego się na tylnej ścianie kotła na poziomie 23 200mm. Porównanie równoczesnych przebiegów czasowych drgań pionowych bandaża tylnej ściany kotła na poziomie 23 200, w p.p. 1 i 5 oraz widma drgań w tych punktach wskazują na występujące dominujące składowe. Punkty pomiarowe zainstalowane zostały na obu końcach bandaża (rys.1). Rys.7. Porównanie drgań całkowitych w p.p.1 przebieg górny i p.p.5 przebieg dolny. Rys.8. Widmo drgań w p.p.1. Dominuje składowa 18,56 Hz. Druga, co do wielkości składowa 24,4 Hz obroty wentylatora powietrza. Rys.9. Widmo drgań w p.p.5. Dominuje składowa 18,56 Hz. Druga, co do wielkości składowa 24,4 Hz obroty wentylatora powietrza.
S t r o n a 8 Rys.10. Porównanie przebiegów czasowych dominujących składowych drgań o częstotliwości 18,56 Hz. Górny przebieg składowa w p.p.1, dolny przebieg składowa w p.p.5. Rys.11. Porównanie przebiegów czasowych dominujących składowych drgań o częstotliwości 24,4 Hz. Górny przebieg składowa w p.p.1, dolny przebieg składowa w p.p.5. Porównanie równoczesnych przebiegów czasowych drgań poziomych bandaża tylnej ściany kotła na poziomie 23 200, w p.p. 6 i 10 oraz widma drgań w tych punktach wskazują na występujące dominujące składowe. Punkty pomiarowe zainstalowane zostały poziomo na obu końcach bandaża (rys.1). Rys.12. Porównanie drgań całkowitych w p.p.6 przebieg górny i p.p.10 przebieg dolny.
S t r o n a 9 Rys.13. Widmo drgań w p.p.6. Dominuje składowa 18,56 Hz. Druga, co do wielkości składowa 37,2 Hz druga harmoniczna dominującej składowej. Rys.14. Widmo drgań w p.p.10. Dominuje składowa 18,56 Hz. Druga, co do wielkości składowa 55,7 Hz trzecia harmoniczna dominującej składowej. Rys.15. Porównanie przebiegów czasowych dominujących składowych drgań o częstotliwości 18,56 Hz. Górny przebieg składowa w p.p.6, dolny przebieg składowa w p.p.10.
S t r o n a 10 Rys.16. Porównanie przebiegów czasowych dominujących składowych drgań o częstotliwości 24,4 Hz. Górny przebieg składowa w p.p.6, dolny przebieg składowa w p.p.10. Sesja II. Podczas wykonywanych pomiarów występują intensywne drgania bandaża znajdującego się na tylnej ścianie kotła na poziomie 23 200. W tej sesji pomiarowej rozpatrywane były pulsacje ciśnienia w miedzyciągu kotła i podobieństwo procesu drgań bandaża do procesu pulsacji ciśnienia statycznego w przewale, podobieństwo procesu drgań bandaża do procesu drgań rurek wymiennika i podobieństwo drgań rurek wymienników do procesu pulsacji ciśnienia statycznego w międzyciągu. Podobieństwo procesów wskazane zostało wartością współczynnika koherencji, który w przypadku 100% zależności obu procesów określony jest liczbą 1. Aby się przekonać czy istnieje podobieństwo, czyli wzajemna zależność obserwowanych procesów drganiowych wykonano analizę koherencji. Analiza funkcji koherencji pozwala wskazać, w jakim zakresie częstotliwości poszczególne składowe drgań o tej samej częstotliwości w różnych punktach pomiarowych są do siebie podobne. Podobieństwo jest określone współczynnikiem γ w skali od 0 do 1. Gdy współczynnik γ = 0 mówi to o tym, że porównywane procesy nie są podobne. Gdy współczynnik γ = 1 mówi to o tym, że oba procesy są dokładnie takie same i są wzajemnie ściśle związane. Podobieństwo procesu drgań bandaża do procesu pulsacji ciśnienia statycznego w miedzyciągu kotła. Rys.17. Podobieństwo pomiędzy drganiami bandaża (p.p.1) i pulsacją strugi w p.p.p1 (rys.1). Współczynnik koherencji dominującej składowej f = 18,625 Hz wynosi γ = 0,977.
S t r o n a 11 Rys.18. Podobieństwo pomiędzy drganiami bandaża (p.p.1) i pulsacją strugi w p.p.p3 (rys.1). Współczynnik koherencji dominującej składowej f = 18,625 Hz wynosi γ = 0,993. Rys.19. Podobieństwo pomiędzy drganiami bandaża (p.p.1) i pulsacją strugi w p.p.p4 (rys.1). Współczynnik koherencji dominującej składowej f = 18,625 Hz wynosi γ = 0,993. Rys.20. Podobieństwo pomiędzy drganiami bandaża (p.p.1) i pulsacją strugi w p.p.p5 (rys.1). Współczynnik koherencji dominującej składowej f = 18,625 Hz wynosi γ = 0,967.
S t r o n a 12 Rys.21. Podobieństwo pomiędzy drganiami bandaża (p.p.1) i pulsacją strugi w p.p.p6 (rys.1). Współczynnik koherencji dominującej składowej f = 18,625 Hz wynosi γ = 0,334. Podobieństwo procesu drgań bandaża do procesu drgań elementów miksera. Rys.22. Podobieństwo pomiędzy drganiami bandaża w (p.p.1) i drganiami w p.p.11 (rys.1). Współczynnik koherencji dominującej składowej f = 18,625 Hz wynosi γ = 0,992. Rys.23. Podobieństwo pomiędzy drganiami bandaża w (p.p.1) i drganiami w p.p.12 (rys.1). Współczynnik koherencji dominującej składowej f = 18,625 Hz wynosi γ = 0,985.
S t r o n a 13 Rys.24. Podobieństwo pomiędzy drganiami bandaża w (p.p.1) i drganiami w p.p.13 (rys.1). Współczynnik koherencji dominującej składowej f = 18,625 Hz wynosi γ = 0,950. Podobieństwo procesu pulsacji ciśnienia statycznego w przewale kotła, oraz przed i za tzw. CSR i ECD 1. Rys.25. Podobieństwo pomiędzy pulsacją strugi w (p.p.p1) i pulsacją strugi w p.p.p3 (rys.1). Współczynnik koherencji dominującej składowej f = 18,625 Hz wynosi γ = 0,995. Rys.26. Podobieństwo pomiędzy pulsacją strugi w (p.p.p1) i pulsacją strugi w p.p.p5 (rys.1). Współczynnik koherencji dominującej składowej f = 18,625 Hz wynosi γ = 0,995.
S t r o n a 14 Rys.27. Podobieństwo pomiędzy pulsacją strugi w (p.p.p1) i pulsacją strugi w p.p.p6 (rys.1). Współczynnik koherencji dominującej składowej f = 18,625 Hz wynosi γ = 0,944. Podobieństwo procesu drgań bandaża do procesu drgań rurek wymienników. Rys.28. Podobieństwo pomiędzy drganiami bandaża w (p.p.14) i drganiami w p.p.9 (rys.2). Współczynnik koherencji dominującej składowej f = 18,625 Hz wynosi γ = 0,742. Rys.29. Podobieństwo pomiędzy drganiami bandaża w (p.p.14) i drganiami w p.p.10 (rys.2). Współczynnik koherencji dominującej składowej f = 18,625 Hz wynosi γ = 0,647.
S t r o n a 15 Rys.30. Podobieństwo pomiędzy drganiami bandaża w (p.p.14) i drganiami w p.p.1 (rys.2). Współczynnik koherencji dominującej składowej f = 18,625 Hz wynosi γ = 0,774. Rys.31. Podobieństwo pomiędzy drganiami bandaża w (p.p.14) i drganiami w p.p.3 (rys.2). Współczynnik koherencji dominującej składowej f = 18,625 Hz wynosi γ = 0,900. Rys.32. Podobieństwo pomiędzy drganiami bandaża w (p.p.14) i drganiami w p.p.5 (rys.2). Współczynnik koherencji dominującej składowej f = 18,625 Hz wynosi γ = 0,922.
S t r o n a 16 Rys.33. Podobieństwo pomiędzy drganiami bandaża w (p.p.14) i drganiami w p.p.6 (rys.2). Współczynnik koherencji dominującej składowej f = 18,625 Hz wynosi γ = 0,779. Wzajemne podobieństwo procesu drgań rurek wymienników. Rys.34. Podobieństwo pomiędzy drganiami rurkami wymiennika w (p.p.9) i p.p.11 (rys.2). Współczynnik koherencji dominującej składowej f = 18,625 Hz wynosi γ = 0. Sesja IV. Wydajność palników 282 T/h, Otwarcie went. Podmuchu 59%, Otwarcie wentylatora ciągu 18%, Na poziomie 23,2 m obserwowane są intensywne drgania bandaża znajdującego się na tylnej ścianie kotła. Wydajność palników 302 T/h, Otwarcie went. Podmuchu 75%, Otwarcie wentylatora ciągu 20%, Na poziomie 23,2 m obserwowane są intensywne drgania bandaża znajdującego się na tylnej ścianie kotła W tej sesji określono charakter drgań sąsiadujących rur wymiennika na poziomie ok. 29 m. Do pomiaru wzięto trzy sąsiadujące pęczki rurek Zespołu wymiennika 1 tj. rurka nr 41, 42 i 43. Nr rurki jest to kolejna rurka liczona od włazu znajdującego się po stronie lewej kotła. Czujniki zamontowano na rurkach w płaszczyźnie wylotu spalin z rur tego wymiennika. Na kolejnych rysunkach od rys.35 do rys.48 zamieszczono obraz przebiegów czasowych drgań poziomych i pionowych rurek nr 41, nr 42 i nr 43 zarejestrowanych w tym samym czasie w różnych stanach obciążenia
S t r o n a 17 Rys.35. Wydajność 282T/h. Porównanie poziomych drgań całkowitych rurki nr 42- przebieg górny p.p.4 i rurki nr 41- przebieg dolny p.p.6. (Rys.4). Rys.36. Wydajność 302T/h. Porównanie poziomych drgań całkowitych rurki nr 42- przebieg górny p.p.4 i rurki nr 41- przebieg dolny p.p.6. (Rys.4). Rys.37. Wydajność 282T/h. Porównanie poziomych drgań całkowitych rurki nr 43-przebieg górny p.p.2 i rurki nr 42 -przebieg dolny p.p.4. (Rys.4).
S t r o n a 18 Rys.38. Wydajność 302T/h. Porównanie poziomych drgań całkowitych rurki nr 43-przebieg górny p.p.2 i rurki nr 42 -przebieg dolny p.p.4. (Rys.4). Rys.39. Wydajność 282T/h. Porównanie pionowych drgań całkowitych rurki nr 42-przebieg górny p.p.3 i rurki nr 41-przebieg dolny p.p.5. (Rys.4). Rys.40. Wydajność 302T/h. Porównanie pionowych drgań całkowitych rurki nr 42-przebieg górny p.p.3 i rurki nr 41-przebieg dolny p.p.5. (Rys.4).
S t r o n a 19 Rys.41. Wydajność 282T/h. Porównanie pionowych drgań całkowitych rurki nr 43-przebieg górny p.p.1 i rurki nr 42-przebieg dolny p.p.3. (Rys.4). Rys.42. Wydajność 302T/h. Porównanie pionowych drgań całkowitych rurki nr 43-przebieg górny p.p.1 i rurki nr 42-przebieg dolny p.p.3. (Rys.4). Obraz przebiegów czasowych pionowych i poziomych drgań rurki nr 41, nr 42 i nr 43 zarejestrowanych w tym samym czasie w różnych stanach obciążenia kotła. Obraz przebiegów czasowego pionowych i poziomych drgań rurki nr 41 zarejestrowanych w tym samym czasie w różnych stanach obciążenia kotła. Rys.43. Wydajność 282T/h. Porównanie pionowych i poziomych drgań całkowitych rurki nr 41. Przebieg górny - drgania pionowe, przebieg dolny - drgania poziome. (Rys.4).
S t r o n a 20 Rys.44. Wydajność 302T/h. Porównanie pionowych i poziomych drgań całkowitych rurki nr 41. Przebieg górny - drgania pionowe, przebieg dolny - drgania poziome. (Rys.4). Obraz przebiegów czasowych pionowych i poziomych drgań rurki nr 42 zarejestrowanych w tym samym czasie w różnych stanach obciążenia kotła. Rys.45. Wydajność 282T/h. Porównanie pionowych i poziomych drgań całkowitych rurki nr 42. Przebieg górny - drgania pionowe, przebieg dolny - drgania poziome. (Rys.4). Rys.46. Wydajność 302T/h. Porównanie pionowych i poziomych drgań całkowitych rurki nr 42. Przebieg górny - drgania pionowe, przebieg dolny - drgania poziome. (Rys.4). Obraz przebiegów czasowych pionowych i poziomych drgań rurki nr 43 zarejestrowanych w tym samym czasie w różnych stanach obciążenia" kotła.
S t r o n a 21 Rys.47. Wydajność 282T/h. Porównanie pionowych i poziomych drgań całkowitych rurki nr 43. Przebieg górny - drgania pionowe, przebieg dolny - drgania poziome. (Rys.4). Rys.48. Wydajność 302T/h. Porównanie pionowych i poziomych drgań całkowitych rurki nr 43. Przebieg górny - drgania pionowe, przebieg dolny - drgania poziome. (Rys.4). Widma poziomych i pionowych drgań rurki nr 41, nr 42 i nr 43 w różnych stanach obciążenia. Rurka nr 41. Rys.49. Wydajność 282T/h. Widmo poziomych drgań całkowitych rurki nr 41. (Rys.4).
S t r o n a 22 Rys.50. Wydajność 302T/h. Widmo poziomych drgań całkowitych rurki nr 41. (Rys.4). Rys.51. Wydajność 282T/h. Widmo pionowych drgań całkowitych rurki nr 41. (Rys.4). Rys.52. Wydajność 302T/h. Widmo pionowych drgań całkowitych rurki nr 41. (Rys.4).
S t r o n a 23 Rurka nr 42. Rys.53. Wydajność 282T/h. Widmo poziomych drgań całkowitych rurki nr 42. (Rys.4). Rys.54. Wydajność 302T/h. Widmo poziomych drgań całkowitych rurki nr 42. (Rys.4). Rys.55. Wydajność 282T/h. Widmo pionowych drgań całkowitych rurki nr 42. (Rys.4).
S t r o n a 24 Rys.56. Wydajność 302T/h. Widmo pionowych drgań całkowitych rurki nr 42. (Rys.4). Rurka nr 43. Rys.57. Wydajność 282T/h. Widmo poziomych drgań całkowitych rurki nr 43. (Rys.4). Rys.58. Wydajność 302T/h. Widmo poziomych drgań całkowitych rurki nr 43. (Rys.4).
S t r o n a 25 Rys.59. Wydajność 282T/h. Widmo pionowych drgań całkowitych rurki nr 43. (Rys.4). Rys.60. Wydajność 302T/h. Widmo pionowych drgań całkowitych rurki nr 43. (Rys.4). Obraz przesunięcia fazowego składowych f = 18,56 Hz dla drgań poziomych rurek nr 41 i nr 42 zarejestrowanych w tym samym czasie w różnych stanach obciążenia. Rys.61. Wydajność 282T/h. Przesunięcie fazowe składowych f = 18,56 Hz drgań poziomych rurki nr 42 w p.p 4 przebieg górny względem drgań rurki nr 41 w p.p.6 przebieg dolny. (Rys.4).
S t r o n a 26 Rys.62. Wydajność 302T/h. Przesunięcie fazowe składowych f = 18,56 Hz drgań poziomych rurki nr 42 w p.p 4 przebieg górny względem drgań rurki nr 41 w p.p.6 przebieg dolny. (Rys.4). Obraz przesunięcia fazowego składowych f = 18,56 Hz dla drgań poziomych rurek nr 42 i nr 43 zarejestrowanych w tym samym czasie w różnych stanach obciążenia. Rys.63. Wydajność 282T/h. Przesunięcie fazowe składowych f = 18,56 Hz drgań poziomych rurki nr 43 w p.p 2 przebieg górny względem drgań rurki nr 42 w p.p.4 przebieg dolny. (Rys.4). Rys.64. Wydajność 302T/h. Przesunięcie fazowe składowych f = 18,56 Hz drgań poziomych rurki nr 43 w p.p 2 przebieg górny względem drgań rurki nr 42 w p.p.4 przebieg dolny. (Rys.4).
S t r o n a 27 Obraz przesunięcia fazowego składowych f = 18,56 Hz dla drgań pionowych rurek nr 41 i nr 42 zarejestrowanych w tym samym czasie w różnych stanach obciążenia. Rys.65. Wydajność 282T/h. Przesunięcie fazowe składowych f = 18,56 Hz drgań pionowych rurki nr 42 w p.p 3 przebieg górny względem drgań rurki nr 41 w p.p.5 przebieg dolny. (Rys.4). Rys.66. Wydajność 302T/h. Przesunięcie fazowe składowych f = 18, 56 Hz drgań pionowych rurki nr 42 w p.p 3 przebieg górny względem drgań rurki nr 41 w p.p.5 przebieg dolny. (Rys.4). Obraz przesunięcia fazowego składowych f = 18,56 Hz dla drgań pionowych rurek nr 42 i nr 43 zarejestrowanych w tym samym czasie w różnych stanach obciążenia. Rys.67. Wydajność 282T/h. Przesunięcie fazowe składowych f = 18,56 Hz drgań pionowych rurki nr 43 w p.p 1 przebieg górny względem drgań rurki nr 42 w p.p.3 przebieg dolny. (Rys.4).
S t r o n a 28 Rys.68. Wydajność 302T/h. Przesunięcie fazowe składowych f = 18,56 Hz drgań pionowych rurki nr 43 w p.p 1 przebieg górny względem drgań rurki nr 42 w p.p.3 przebieg dolny. (Rys.4). 5. Omówienie wyników pomiarów. W oparciu o przeprowadzoną sesję pomiarową I i analizę wyników pomiarów można stwierdzić, że zainstalowany na tylnej ścianie I ciągu kotła bandaż wykonuje intensywne drgania rezonansowe. Jest to postać drgań skrętnych, a częstotliwość tych drgań wynosi f = 18,7 Hz. O rezonansowym charakterze drgań świadczy ich widmo, zawierające cały szereg harmonicznych, których pochodzenie jest następstwem występowania zderzeń np. luźnych elementów kotła. W widmie drgań bandaża uczestniczy również składowa o częstotliwości zgodnej z częstotliwością obrotową wentylatora powietrza. Jednak składowa drgań o częstotliwości wentylatora f = 24,4Hz nie wywiera wpływu na dynamikę drgającego bandaża, co dokumentuje rys.11. W II sesji pomiarowej zbadano podobieństwo procesów drgań różnych elementów kotła do drgań przepływającej strugi. W tym celu przeprowadzono analizę funkcji koherencji, która pozwala wskazać wzajemne zależności pomiędzy występującymi procesami drganiowymi. Jeżeli występujące procesy są ze sobą związane i wzajemnie zależne, o czym mówi współczynnik koherencji γ w skali od 0 do 1, to można przypuszczać, że mogą być one powiązane ścisłą zależnością przyczynowo skutkową. Z przeprowadzonej analizy, których wyniki zamieszczono na rysunkach od rys.17 do rys.34 wynika, że istnieje silna zależność pomiędzy drganiami bandaża zimnego zainstalowanego na tylnej ścianie ekranu kotła na poziomie 23 200, a pulsacją przepływu strugi w międzyciągu kotła. Nie występuje natomiast ta zależność pomiędzy drganiami bandaża i pulsacją strugi znajdującej się za wymiennikiem WYMIENNIK 1, dla których współczynnik koherencji wynosi γ = 0,334. Na podstawie stwierdzonego wzajemnego powiązania pulsacji strugi w przewale kotła z drganiami bandaża można przypuszczać, że: a. Drgania bandaża wzbudzają drgania strugi, b. Drgania strugi wzbudzają drgania bandaża, c. Drgania bandaża i strugi wzbudzane są przez inny czynnik lub zjawisko jednakowo działające na oba składniki. W związku z tymi spostrzeżeniami podjęto decyzję o przeprowadzeniu badań mających na celu wyjaśnienie tych wzajemnych oddziaływań. Dalsza analiza wyników pomiarów drgań tej sesji pokazała, że istnieje również duża zależność pomiędzy drganiami zimnego bandaża i elementami miksera. We wszystkich
S t r o n a 29 elementach miksera, tak jak w bandażu dominują mocno skorelowane ze sobą składowe o częstotliwości f = 18,7 Hz. Przeprowadzona analiza podobieństwa pomiędzy drganiami rur wymiennika i drganiami bandaża (rysunki od rys.23 do rys.33) wskazała na występujące małe podobieństwo między tymi elementami. Obserwacja ta, świadczyć może o tym, że wszystkie badane procesy drganiowe tych elementów stalowych powiązane są ze sobą pośrednio poprzez zjawisko przepływu strugi, która wiąże oddziaływania dynamiczne tych elementów. Na podstawie analizy koherencyjnej nie stwierdzono żadnej zależności pomiędzy drganiami poziomymi dwóch sąsiednich losowo wybranych rur wymiennika WYMIENNIK 2 (rys.34). Następnie wykonano pomiary drgań 3 sąsiadujących wybranych rurek wymiennika WYMIENNIK 1. Przeprowadzona analiza wyników pomiarów drgań pokazała, że drgające rurki wymiennika nie są wzbudzane do drgań przez naprzemiennie zrywane z ich powierzchni wiry, czyli nie występuje zjawisko wzbudzenia przez tzw. zjawisko Karmana. Jest to uzasadnione, ponieważ stosunek wartości stosunkowo małej wartości podziałki do średnicy rur wymiennika zarówno w pionie jak i w poziomie jest podobny i wynosi ok.2. a ich wzajemny stosunek wynosi ok.1. W III sesji pomiarowej wykonane zostały pomiary częstości drgań własnych wybranych rur Zespołu wymienników 1, 2,, WYMIENNIKA 1 i bandaża zimnego, który jest zainstalowany na tylnej ścianie I ciągu kotła na poziomie 23 200. Numer kolejny rurki oznacza jej kolejność w szeregu pęczków licząc od znajdującego się na lewej bocznej ścianie kotła, włazu do komory kotła. Wyniki tych pomiarów zamieszczono w tablicy 2. Częstotliwości drgań własnych wybranych elementów kotła Tablica 2 Nazwa elementu kotła Numer rurki Częstotliwość drgań własnych [Hz] 4 48,6 10 48,0 16 13,3 20,6 44,0 60,6 Zespół 22 12,7 49,2 wymiennika 30 14,1 49,3 1 41 15,7 18,0-19,2 35,2 42,0 42 16,1 18,6 33,6 61 18,8 49,9 5 17,4 18,8 32,9 44,5 Zespół 6 16,5 24,5 28,0 wymiennika 16 9,7 18,3 32,6 2 21 9,0 19,0 27,8 55,6 Zespół 10 10,2 16,0 22,9 wymiennika 41 8,0 19,3 21,5 3 42 8,3 19,0 23,4 43 8,2 18,8 24,5 WYMIENNIK 6 21,8 32,5 2 10 19,8 29,7 15 20,3 37,0 Bandaż 21,7
S t r o n a 30 Wyznaczone częstości drgań własnych pokazały, że występujące drgania z dominującą składową o częstotliwości f = 18,6 Hz, mogą być informacją o występujących drganiach rezonansowych rurek wymienników, oraz mogą być wzmocnieniami drgań pochodzących od wymuszenia przepływającej strugi w paśmie swoich częstotliwości drgań własnych. Zaznacza się, że podczas wyznaczania drgań własnych rur wymienników słychać było mocne akustyczne wzbudzenia rezonansowe generowane z miejsc niedostępnych dla przeprowadzenia pomiarów. Świadczyć to może o tym, że wewnątrz pakietów rur wymiennika znajdują się trudne do lokalizacji miejsca, w których płynąca struga może generować rezonansowe fale akustyczne. Jest wielce prawdopodobne, że obserwowane zjawisko akustyczne wzmacnia drgania w podatnej strefie tych elementów, które posiadają częstotliwość drgań własnych ok. 18 Hz. Zaznacza się również, że obserwowana fala akustyczna o częstotliwości f = 18,7 Hz jest falą posiadającą długość ok. L = 18,3 m. W sesji IV wykonano pomiary drgań rur Zespołu wymiennika 1. Z pomiarów tych wynika, że sąsiadujące ze sobą rurki wykonują drgania przestrzenne, które prawdopodobnie wymuszane są do drgań przez niestacjonarne siły aerodynamiczne. Jak już wspomniano, niewielkie szczeliny między rurkami zarówno w pionie jak i w poziomie nie stwarzają sprzyjających warunków do wystąpienia struktur podobnych do ścieżki wirowej Karmana. Charakter tych drgań przedstawiony został na rysunkach od rys.35 do rys.48. Obserwowana współfazowość drgań w jednym kierunku i równoczesna przeciwfazowość w drugim prostopadłym kierunku pozwala zobrazować kształt ruchu drgających rur w przestrzeni. Z analizy fazowej drgań rurek 41 i 42 wynika, ze mimo spadku wartości drgań po wzroście obciążenia, wyraźnie synchronizuje się proces pulsacji strugi i proces ten podtrzymując drgania rezonansowe rurek sam podtrzymywany jest przez pulsujące zmiany prędkości szczelinowej strugi. Występują, więc samowzbudne drgania rur. To samo zjawisko obserwuje się dla pary rurek 42 i 43, dla której pulsacyjny charakter prędkości przepływającej przez wymiennik strugi jest podtrzymywany przez drgania pionowe sąsiadujących rurek. Z analizy tej można wsnuć następujące wnioski: Występujące drgania rur Zespołu wymiennika 1 są samowzbudnymi drganiami rezonansowymi wzbudzonymi przez przepływ, który z kolei podtrzymywany jest przez pulsacyjny charakter zmian prędkości przepływu w szczelinie miedzy drgającymi rurami wymiennika. Prawdopodobnie źródłem drgań nie są wiry, lecz niestabilnie działające w różnych kierunkach siły aerodynamiczne powstające przy opływie drgającego w przestrzeni owalnego przekroju, jakim są sąsiadujące rurki wymiennika. Po wzbudzeniu do drgań strugi, na wysokości całego kotła występuje już trwale pulsacyjny przepływ. W związku z tym pulsująca struga może również wpływać na charakter pracy samych palników, itd. Podtrzymywany pulsacyjny charakter strugi wymusza do drgań tylną ścianę kotła i bandaż leżący w pobliżu miejsca gdzie prawdopodobnie struga z przedniej ściany kotła kierowana jest na ścianę tylną. Ponieważ częstotliwość drgań własnych bandaża wynosi ok. 20 Hz, zatem pulsująca z częstotliwością 18,7 Hz struga jest w stanie wzbudzić bandaż do drgań rezonansowych i następnie podtrzymywać te drgania. Widać z tego, że przepływająca struga wykonuje niestabilny ruch wahadłowy, bez obecności ścieżek wirowych, występujący w konsekwencji drgań samowzbudnych. Przeprowadzona analiza drgań pokazuje, że występujące drgania rur wymiennika są drganiami rezonansowymi (rys. 49 do rys. 60). Z analizy tej wynika, że wzrost obciążenia
S t r o n a 31 kotła powoduje spadek wartości amplitudy drgań dominującej składowej f = 18,7 Hz. W związku z tym, można przypuszczać, że wzrost natężenia przepływającej strugi wpływa na usztywnienie wiązki rur wymiennika. Z tego spostrzeżenia wypływa wniosek o silnym wzajemnym oddziaływaniu strugi z rurami wymiennika. Można przypuszczać, że przepływająca wokół rur wymiennika struga wykonuje ruchy wahadłowe oddając małą ilość energii na drgania rezonansowe tych rur. Większość energii z niestabilnego ruchu wahadłowego strugi przekazywana jest na generowanie i utrzymywanie innego rodzaju zjawisk, jakimi może być rezonans akustyczny, czyli generowanie fal stojących, w sprzyjających temu z racji wymiarów geometrycznych konstrukcji, miejscach. Należy również mieć na uwadze, że przepływająca wzdłuż tylnej ściany kotła zakłócona struga może również powodować zrywanie wirów z warstwy przyściennej tylnej ściany kotła. Takie zjawisko jest zjawiskiem szerokopasmowego wzbudzenia i ściana kotła oraz zainstalowany na niej bandaż mogą filtrować z tych zawirowań wymuszenia do drgań rezonansowych stalowych elementów konstrukcji. 6. Wnioski. Na podstawie dotychczas wykonanych, przez VIBROPOMIAR pomiarów i analizy wyników można stwierdzić, że drgania kotła spowodowane są przez następujące dotychczas zidentyfikowane źródła drgań: Pierwotne źródła drgań: 1. Nadmierne kierowanie się strugi z przedniej ściany kotła na tylną ścianę kotła, na której występuje wzrost prędkości strugi i powoduje to nierównomierny jej przepływ w całym przekroju poprzecznym przestrzeni wymienników, 2. Zrywanie zawirowań strugi z tylnej ściany kotła w strefie znajdującej się powyżej poziomu ok. 20 000, 3. Nierównomierny wzdłuż długości rurki wymiennika przepływ, który powoduje jej wzbudzenie do drgań rezonansowych. Wtórne źródła drgań: 1. Wzbudzony, przez zrywające się wiry strugi o charakterze szerokopasmowego wymuszenia, bandaż następnie sam staje się generatorem drgań, bo podsycany przekazywaną z przepływającej strugi energią nie dopuszcza do wytłumienia występujących drgań występuje zjawisko drgań samowzbudnych. 2. Występowanie dużej ilości, działających na tylną ścianę kotła, sił o charakterze wymuszenia impulsowego. 3. Efekt generowania akustycznych fal stojących we wskazanych przestrzeniach kotła. 4. Generowane fale akustyczne mogą być przyczyną powstawania drgań mechanicznych elementów kotła. Wszystkie prowadzone przez VIBROPOMIAR w obecnych sesjach pomiarowych prace badawcze miały za zadanie identyfikację źródeł drgań i rozpoznanie charakteru oddziaływania tych źródeł na konstrukcję kotła. W następnych, rozpoczętych już sesjach pomiarowych VIBROPOMIAR podejmie próby mające na celu minimalizowanie skutków ich działania wskazując konkretne kroki postępowania. 7. Zalecenia. Po dokładnym rozpoznaniu charakteru procesu drganiowego jaki występuje w różnych miejscach badanego kotła w kolejnych pracach pomiarowo badawczych zostaną podjęte kroki celem precyzyjnego sformułowania zależności i powiązań jakie występują pomiędzy
S t r o n a 32 wymuszeniami aerodynamicznymi i drganiami mechanicznymi konstrukcji. W tym celu należy podjąć następujące kroki postępowania: Podjąć próbę wykonania pomiarów drgań układu konstrukcji kotła bez zainstalowanego na czas wykonywania pomiarów istniejącego na poziomie 23 200 bandaża zimnego, a jeżeli nie będzie na to zgody, to: Podjąć próbę zmian częstości drgań własnych bandaża, celem obserwacji wpływu zmienionej częstości drgań własnych na dotychczasową częstotliwość wymuszenia w całym procesie drganiowym, jaka obecnie wynosi f = 18,7 Hz. Zainstalować czujniki drgań na tylnej ścianie kotła i w pobliżu bandaża zimnego celem kontrolowania reakcji zmian konstrukcji bandaża na dynamikę tylnej ściany kotła. Przeprowadzić pomiary mające na celu poszukiwanie pasożytniczych sił wymuszających i opracowanie sposobu ich eliminacji lub minimalizacji. Ukierunkować prace pomiarowo badawcze na poznanie wpływu płynącej strugi i efekty jej oddziaływania na konstrukcję. Podczas kolejnych pomiarów określić wzajemne oddziaływanie zjawisk akustycznych na konstrukcję kotła i odwrotnie. Dopiero po zrealizowaniu tych zaleceń i po wykonaniu kilku dodatkowych sesji pomiarowych zakończonych pełna analizą drgań, VIBROPOMIAR przedstawi propozycje podjęcia realnych działań celem minimalizacji drgań badanego kotła.