軸流式一次風機失速分析及應對策略

楊守偉， 王貴德，何 誠， 馬 輝

(1.河北省電力研究院 ，石家莊 050021；2.大唐河北發電有限公司馬頭熱電分公司，河北 邯鄲 056044)

1 概述

目前，軸流式風機廣泛應用于大型火力發電機組鍋爐的直吹式制粉系統。當前全國電煤形勢非常緊張，火力發電廠燃煤煤質較差，若軸流式一次風機的選型設計、運行調整不當，將容易引起風機失速現象的發生。當軸流式一次風機發生失速時，常常會引起風機振動加大，風機出口壓力降低，若調整不當還會引起一次風機出口壓力劇烈波動，從而引起鍋爐燃燒不穩定、爐膛負壓劇烈波動等，嚴重時將造成機組出力受限或引起機組停機。

某300 MW供熱工程鍋爐為DG 1110/17.4-II12 型亞臨界參數變壓運行汽包爐，采用四角切圓燃燒方式、一次中間再熱、單爐膛平衡通風∏型鍋爐，采用雙進雙出磨煤機冷一次風正壓直吹式制粉系統，每臺鍋爐設有3臺MGS4062型鋼球磨煤機，每臺磨煤機出口有8根一次風管，供給2層8只燃燒器燃燒所用煤粉，24只燃燒器分6層分別布置在鍋爐的四角上。一次風機為PAF16-12.5-2型動葉可調軸流式風機，從一次風機來的冷風分成二部分，一部分經三分倉空預器的一次風倉，被加熱后通過熱一次風道，另一部分冷風經冷一次風道，在磨煤機進口前與熱一次風道中的熱風相混合，作為調溫風進入磨煤機，從磨煤機出來的風粉混合氣流經煤粉管道和燃燒器噴入爐膛。以下針對該300 MW火電機組一次風機失速問題進行分析。

2 一次風機失速過程及處理

2011年5月18日20∶33，機組電負荷215 MW，A、B、C 3臺磨煤機同時運行，A、B一次風機動葉開度分別為30%和31%，出口壓力分別為7.40 kPa和7.45 kPa，進出口壓差分別為7.51 kPa和7.68 kPa，空氣預熱器出口母管壓力為7.21 kPa，鍋爐燃燒穩定、爐膛負壓正常，準備停運A磨煤機；20∶34∶50 A磨煤機停運，A、B一次風機動葉開度分別降為25%和26%，出口壓力分別升為7.98 kPa和8.05 kPa，進出口壓差分別變為7.33 kPa和8.22 kPa，空氣預熱器出口母管壓力為7.74 kPa；20∶34∶56 A、B一次風機動葉開度依然為25%和26%，但A、B一次風機出口壓力分別降為5.93 kPa和6.18 kPa，進出口壓差分別降為6.06 kPa和6.43 kPa，空氣預熱器出口母管壓力降為5.81 kPa，爐膛負壓隨之降至-767 Pa，運行人員判斷為鍋爐燃燒不穩，投油槍助燃，同時還準備開大一次風機動葉提高一次風壓，但調整過程中一次風母管壓力開始波動，從而引起爐膛負壓大幅波動；22∶35∶48鍋爐爐膛負壓低保護動作引發鍋爐MFT。

2011年7月14日01∶40∶00，機組電負荷207 MW，A、B 2臺磨煤機運行，總燃料量100 t/h，A、B一次風機動葉開度分別為30%和36%、出口壓力分別為7.73 kPa和7.67 kPa，進出口壓差分別為7.91 kPa和7.85 kPa，空氣預熱器出口母管壓力為7.42 kPa，鍋爐燃燒穩定，爐膛負壓正常；02∶07∶03機組電負荷降為165 MW，A、B 2臺磨煤機運行，但總燃料量增加到108 t/h，A、B一次風機動葉開度分別為31%和37%、出口壓力分別升為8.78 kPa和8.67 kPa，進出口壓差分別升為8.91 kPa和8.82 kPa，空氣預熱器出口母管壓力升為8.43 kPa，爐膛負壓正常；02∶07∶09機組依然為電負荷162 MW，A、B 2臺磨煤機運行，總燃料量108 t/h，A、B一次風機動葉開度分別為31%和38%，但A、B一次風機出口壓力分別降為6.45 kPa和6.53 kPa，進出口壓差分別降為6.50 kPa和6.87 kPa，空氣預熱器出口母管壓力降為6.16 kPa，爐膛負壓隨之開始下降，約2 s后爐膛負壓降至-407 Pa。從以上數據可看出，A一次風機進出口壓差與風機出口壓力差(即風機入口負壓)從失速前的0.13 kPa降為0.05 kPa，于是判斷為A一次風機失速，迅速降低A一次風機動葉，待空氣預熱器出口壓力略有下降時停止降低A一次風機動葉，此時將C磨煤機進行部分通風以增加一次風量，同時根據空氣預熱器出口一次風壓力逐漸提高A一次風機出力，通過此方法調整后一次風機運行穩定，爐膛負壓恢復正常。

3 一次風機失速原因分析

該工程一次風機首次失速出現在第1臺鍋爐首次帶負荷試運過程中，當并列投入第2臺一次風機時，一次風壓波動劇烈，失速側風機電流迅速降低，風機失速信號報警，同時風機聲音異常并伴有殼體發熱現象。從一次風機和鍋爐的各設計參數分析，在燃用設計煤種時，鍋爐設計B-MCR工況下一次風量238.6 t/h，一次風機B-MCR工況下設計一次風量181.85 t/h，則2臺一次風機為363.70 t/h，考慮一次風機B-MCR工況下漏風率23.8%，則鍋爐B-MCR工況下所用一次風量為313.12 t/h。對于軸流式風機，每一給定的調節葉片角度，均有一對應于產生失速的最小流量，風機全特性曲線(見圖1)存在一個較大失速區，如果風機選擇在A點運行，則沿著不變的系統阻力曲線，流量的任何變化都能使風機穩定運行。

軸流式風機應有足夠的失速裕度，失速裕度可用失速安全系數k來表示，k由設計工況點與該開度下的失速工況點(或最大壓力點)的風量、風壓按下式求出，在選型設計時，宜選取k>1.3。公式如下

圖1 典型動葉調節軸流式風機性能曲線

(1)

式中：p、q為設計工況點風量、風壓；pk、qk為失速工況點(或最大壓力點)風量、風壓。

根據上式和風機的設計參數可計算出，鍋爐設計煤種B-MCR工況一次風量下，一次風機最大運行全壓升不能超過8 054 Pa，校核煤種B-MCR工況一次風量下，一次風機最大運行全壓升不能超過8 539 Pa，否則風機將可能進入不穩定工作區而引起失速，影響機組的安全運行。而實際機組運行負荷低于B-MCR工況負荷，因此實際運行一次風量應該較B-MCR工況小，實際運行中一次風機的全壓升應比B-MCR工況時的全壓升更小，這樣才能保證一次風機在安全穩定工作區域運行。

從這2次一次風機典型的失速過程參數均可以看出，風機的全壓升均已經超過了風機B-MCR工況下的最高安全運行全壓升。2011年5月18日引起鍋爐MFT的原因為磨煤機停運行過程中一次風機調整不當造成風機失速，在磨煤機停運前，A、B一次風機進出口壓差分別為7.51 kPa和7.68 kPa，風機運行穩定；磨煤機停運后，A、B一次風機出口壓力分別升為7.98 kPa和8.05 kPa，A、B一次風機進出口壓差分別變為7.33 kPa和8.22 kPa，空氣預熱器出口母管壓力為7.74 kPa，此時A一次風機開始失速并出現風倒流，從而引起一次風壓迅速下降，而此時運行人員未正確判斷一次風機失速和處理，認為一次風壓降低應開大動葉，這操作加劇了一次風母管壓力的波動，從而引起爐膛負壓劇烈波動，引發MFT。2011年7月14日01∶40∶00一次風機失速，機組電負荷207 MW，總燃料量100 t/h，A、B一次風機出口壓力分別為7.73 kPa和7.67 kPa，之后由于入爐煤質變差，總燃料量逐漸增加，一次風壓也逐漸增加，電負荷反而還逐漸下降；02∶07∶03機組電負荷降至165 MW，總燃料量增加到108 t/h，A、B一次風機出口壓力分別增加至8.78 kPa和8.67 kPa，該工況已經進入風機不穩定的運行區域從而造成風機失速，但現場技術人員判斷及處理方法正確，風機失速現象得以消除，保證了機組運行安全穩定。

4 一次風機失速應對策略

a. 軸流式一次風機選型要正確。對于火力發電廠軸流式一次風機的選型問題，DL/T 468-2004《電站鍋爐風機選型和使用導則》[1]要求失速安全系數大于1.3，DL 5000-2000《火力發電廠設計技術規程》[2]要求，采用三分倉空氣預熱器正壓直吹式制粉系統的冷一次風機的風量裕量宜不小于35%，壓頭裕量宜為30%。但目前電煤非常緊張，許多火力發電廠實際燃用煤質比校核煤種差(主要考慮燃煤的熱值)，故在選型設計時應充分考慮到實際入爐煤變差的情況，尤其是對于實際燃用煤種比校核煤種發熱量更低的情況，同時還應考慮空氣預熱器長期運行積灰等導致系統阻力增加的情況，往往煤質變差將要求一次風機壓頭增加的比例較風量增加的比例更大，由公式(1)可以看出，軸流式一次風機壓頭與風量的不成比例增加會增大風機失速的可能性，因此軸流式一次風機選型設計時應首先考慮機組在實際燃用煤種調節負荷的能力，其次才考慮一次風機的效率問題，因此對待軸流一次風機(尤其是配雙進雙出式磨煤機的直吹式制粉系統所用一次風機)選型設計時的失速安全系數不宜與送引風機同等按1.3對待，對于實際燃燒煤質更差的機組應該考慮失速安全系數更大。

b. 調整磨煤機運行方式，降低一次風機系統阻力。當發現一次風機動葉開度增加，風機出口壓力反而下降、風機電流減小，就地振動大、噪聲變大時，基本可以判定風機已失速，應立即解除風機自動調節，轉為手動調節，同時逐漸減少失速風機的動葉開度(即減小β角)，降低風機工作點，使風機在穩定區域內工作，直至失速側風機的電流開始回升。這時可逐漸開大一次風門或將停運磨煤機進行部分通風，以減小系統阻力，逐漸增加失速側風機動葉開度，在增加過程中注意觀察風機電流和風機出口壓力變化情況，根據一次風母管壓力回升情況可逐漸降低另一側風機動葉開度，直至一次風母管壓力和機組負荷恢復至失速前水平。若一次風用戶沒有調節余量時，可再次逐漸開大失速側一次風機動葉開度，同時逐漸減小另一側一次風機出力，保證母管壓力緩慢上升，最終一次風母管壓力宜小于失速前壓力，否則可能還會再次失速，機組負荷也較失速前較低，此時應調整磨煤機運行方式或改變入爐煤煤質等方式降低一次風機系統阻力，待一次風系統阻力降低后機組可根據情況逐漸增加機組負荷。

c. 降低機組負荷，保證一次風機運行工況在合理范圍。運行中，要及時化驗入爐煤煤質，當入爐煤發熱量降低較多時，應注意監視一次風壓變化情況，及時調整制粉系統運行方式，不得已時可采取降低機組負荷方式，保證一次風機運行工況不要進入失速區域，保證風機全壓升(或風機出口壓力)盡量不超過B-MCR工況下的全壓升(或風機出口壓力)，該全壓升一般可根據具體風機性能參數計算得出。

d. 保證一次風機動葉開度在合理范圍。平時運行過程中，保證一次風機電流、壓力、壓差、失速、振動等信號顯示正常，加強監視，盡量減少兩側一次風機動葉開度偏差，使兩側出力平衡(電流值相近)，根據磨煤機相關設計參數(如磨煤機入口壓力等)及時調整制粉系統的運行方式，按規定及時對空預器吹灰、投入暖風器(防止空預器低溫腐蝕)等以減小系統阻力，盡量保證一次風機動葉開度在正常范圍，這樣既可以節能，又可以保證機組運行安全。

e. 改造一次風機系統。當一次風機經常發生失速且很難調整時，應考慮對系統或風機進行改造，如改造風機葉輪、風機變頻調節，風機進口加裝導流板或在系統上將部分一次風引入其它系統等措施。

5 結束語

軸流式風機(尤其是軸流式一次風機)的失速問題給大型火力發電機組的安全運行帶來威脅。由于目前全國電煤形勢非常緊張，實際燃用煤種煤質較設計煤種、校核煤種存在較大差距，若軸流式一次風機選型設計、運行調整不當，將極易誘發一次風機失速。當一次風機出現失速時，將可能影響機組出力，甚至威脅機組安全運行并引起事故停機。因此，對于軸流式一次風機的選型設計和運行調整必須給予高度重視。

參考文獻：

[1] DL/T 468-2004,電站鍋爐風機選型和使用導則[S].

[2] DL 5000-2000,火力發電廠設計技術規程[S].