軸流風機失速與喘振

2013-11-04 07:09:34王明星

中國科技信息 2013年14期

王明星

湛江中粵能源有限公司調順電廠

概述

火力發電廠軸流風機具有駝峰形曲線這一特點，決定了風機存在不穩定區。風機并不是在任何工作點都能穩定運行，當風機工作點移至不穩定區時就可能引發失速及喘振。

圖1 葉片失速原理圖

1 軸流風機的失速與喘振現象

1.1 失速現象和原理

當風機動葉開度在某個位置不變時，在工作區域內，出口壓力隨流量的減小而增加，當流量減小到某一值時壓力達到最大、當流量進一步減小時，風機壓力和運行電流突然降低，振動和噪音增大這一現象稱為風機失速。風機失速后有兩種表現，一是風機仍能穩定運行，即壓力、風量、電流參數平穩，但噪音增加，風機全壓稍下降并承小幅度脈動，風機振動比正常運行高，這種現象稱為旋轉失速。一是風機壓力、風量、電流大幅度波動，噪音異常增大，風機不能穩定運行，風道設備可能很快遭受損壞，這種現象稱為喘振。

1.1.1 軸流風機旋轉失速

風機葉片不可能有完全相同的形狀和安裝角。因此失速現象并不是所有葉片同時發生，而是首先在一個或幾個葉片出現。若在葉道2中出現脫流，葉道由于受脫流區的排擠變窄，流量減小，氣流分別進入相鄰的1、3葉道，使1、3葉道的氣流方向改變。使流入葉道1的氣流沖角減小，葉道1保持正常流動；葉道3的沖角增大，加劇了脫流和阻塞。葉道3的阻塞同理又影響相鄰葉道2和4的氣流，使葉道2消除脫流，同時引發葉道4出現脫流。因此脫流區是旋轉的，其旋轉方向與葉輪旋轉方向相反，這種現象稱為旋轉失速。

1.1.2 影響沖角a 大小的因素

風機定速運行，即葉片周向線速度u可以看作是一定值，影響葉片沖角大小的因素就是氣流速度c與葉片的安裝角b。當葉片安裝角b一定，如果氣流速度c越小，則沖角a就越大，產生失速的可能性越大。當氣流速度c一定時，如果葉片安裝角b減小，則沖角a也減小，因此，當風機低負荷運行時，失速可能性將會減小。對于動葉可調軸流風機，當風機發生失速時，關小失速風機的動葉角度，可以減小氣流的沖角，從而使風機逐步擺脫失速狀態。對于葉片高度方向，線速度u沿葉片高度方向逐漸增大，在氣流速度c一定的情況下，沖角a會隨著葉片高度方向逐漸增大，在葉頂區域形成旋轉失速。故葉片安裝角b隨著葉片高度的方向逐漸減小，可以避免因葉高引起的旋轉失速，風機扭曲葉片即基于這個道理。

1.2 失速的危害

失速導致風機損壞，由于旋轉失速使風機各葉片受到周期性力作用，若風機在失速區內運行相當長時間，會造成葉片斷裂，葉輪的其它部件也會受到損害。

失速導致喘振，若管道系統容積與阻力適當，在風機發生失速壓力降低時，出口管道內的壓力會高于風機產生的壓力而使氣流發生倒流，管道內壓力迅速降低，風機又向管道輸送氣體，但因流量小風機又失速，氣流又倒流。這種現象循環發生，稱為喘振。伴隨喘振的發生，風機參數也大幅度波動，振動劇烈。可在很短時間內損壞風機，必須立即停止風機運行。

失速造成并列運行風機間相互“搶風”，兩臺并列運行的風機中的一臺發生失速后，兩臺風機間可能出現相互“搶風”現象而無法并列運行；或雖兩臺風機能并列運行，但兩臺風機的總出力可能達不到需要而影響其帶負荷能力。

1.3 軸流風機喘振概述

軸流風機性能曲線左半部，存在一個馬鞍形區域，在此區域運行時有時會出現風機參數大幅波動，風機及通道產生強烈振動、噪聲顯著增大等不正常工況，這一不穩定工作區稱為喘振區。喘振是不穩定工作區內可能遇到的現象，而旋轉失速在該區域內是必然出現的。

1.3.1 軸流風機喘振原理

風機在曲線右側下降部分工作穩定，一直到工作點K。但當風機負荷降到低于Qk時，進入不穩定區。只要有擾動使管路壓力升高，則由于風機流量大于管路流量（Qk＞QG），管路工作點向右移動至A點，當管路壓力PA超過風機正向輸送的最大壓力Pk時，風機工作點立即變到B點（A、B點等壓），風機抵抗管路壓力產生的倒流而做功。此時，管路中的氣體向兩個方向輸送，一是供給負荷需要，一是倒送給風機，故管路壓力迅速降低。至D點（C、D點等壓）時停止倒流。但由于風機的流量仍小于管路流量，QC＜QD，所以管路壓力仍下降至E點，風機的工作點將瞬間跳到F點（E、F點等壓），此時風機輸出流量為QF。由于QF大于管路的輸出流量，此時管路風壓轉而升高，風機的工作點又移到K點。上述過程重復進行，就形成了風機喘振，風機流量在QB～QF范圍內變化，而管路輸出流量只在少得多的QE～ QA間變動。

圖2 軸流風機喘振P-Q圖

1.3.2 失速與喘振的區別及聯系

風機失速與喘振都發生在P-Q曲線左側不穩定區。失速發生在P-Q曲線峰值K以左的整個不穩定區，喘振只發生在P-Q曲線向右上方傾斜部分,其壓力降低是失速造成的。失速的發生取決于葉片內部，包括葉輪、葉片結構、進入葉輪的氣流等，與風道系統容量、形狀等無關。失速發生時，盡管葉輪附近的工況有波動，但風機流量、壓力和功率基本平穩，風機可以繼續運行。但發生喘振時，風機流量、壓力和電流產生大幅度波動，同時伴有明顯噪聲，振動很劇烈，損壞風機與管道系統，風機無法正常運行。

2 失速報警裝置

圖3 調順電廠送風機失速報警布置

我廠失速探頭由兩根相隔約3mm的測壓管組成，位于葉片進口前。測壓管中間用隔片分開，風機運行時，葉輪進口氣流均勻地從進氣室沿軸向流入，探頭間的壓力差微負。當風機工作點進入旋轉失速區，葉輪前的氣流除軸向流動之外，還有失速區流道阻塞氣流所形成的圓周方向分量。葉輪旋轉時先遇到的測壓孔，即隔片前的測壓孔壓力高，而隔片后的測壓孔壓力低，產生失速壓差，我廠一次風機失速探針為通徑6mm，失速保護差壓定值為200Pa。送引風機、增壓風機失速探針為通徑10mm，失速保護差壓定值為500Pa。

3 調順電廠一次風機失速案例

3.1 失速過程

2013年3月23日，#1機組運行中，一次風機B發失速信號，經快速減負荷，降低風機出力后，報警消失，報警最長持續時間為50s（設計為延時100s跳閘），過程如下：

圖4 #1機一次風機B失速曲線

10:45:00機組負荷增至550MW，一次風機出口10.93kpa

10:58:15一次風機B發失速信號，一次風機B失速壓力信號跳增至539pa。一次風機動葉由69.35%自動減至55.45%，一次風機B電流由120A降至72A。一次風壓由10.95kpa快降至6.19kpa。一次風壓低報警發出，多臺磨入口風量低報警信號發出。E磨入口總風量由135km3/h降至24km3/h，B磨入口總風量由136km3/h降至45km3/h，爐膛壓力降至-1014pa，增壓風機入口負壓降至-1352pa。

10:59:05一次風機動葉減至50%，風壓恢復至9.8kpa。一次風機B失速信號消失。

10:59:25煤量由230t/h增至240t/h，機組負荷降至538MW。

10:59:31調整一次風機壓力正常，觀察爐膛壓力振蕩回復中。

3.2 失速原因分析

年后#1爐空預器B壓差持續增大，滿負荷時達到2800pa（#2爐壓差約為1600pa），對各風機都存在堵風現象，均具有失速危險性，3月23日運行中，機組接近滿負荷運行，熱一次風母管壓力偏低，故一次風機動葉開大，出口風壓比正常稍高，由于E磨折算后一次風量不準，冷熱風門逐漸關小，最低均關至50%以下，一次風機出口壓力進一步升高，導致一次風機B首先失速，失速瞬間差壓報警，一次風壓突降，此時燃燒惡化，鍋爐各參數擺動，而本廠針對一次風機特別設置了失速自動關動葉的邏輯，故兩臺一次風機開始自動關小動葉，從上面曲線看出連續動作四次，另外由于各臺磨機風量下降，冷熱風門均同時開大，使系統阻力減小，最終失速現象消失，風壓恢復。