動葉可調式軸流一次風機失速和喘振分析

李偉軍

(大唐景泰發電廠，甘肅 白銀 730408)

動葉可調式軸流一次風機失速和喘振分析

李偉軍

(大唐景泰發電廠，甘肅 白銀 730408)

介紹了動葉可調式軸流一次風機失速與喘振現象發生的機理，指出了失速和喘振的相互聯系，分析了2臺一次風機發生搶風現象的實際過程，提出了一次風機失速與喘振的預控和事故處理措施，提高了機組的安全穩定性。

動葉可調；一次風機；失速；喘振

0 引言

隨著大型火力發電機組的迅速發展，高效、大容量的軸流式風機被普遍選用。動葉可調式軸流風機具有體積小、重量輕、低負荷區域效率較高、調節范圍廣、反應速度快等優點。但因軸流風機具有駝峰形性能曲線的特性，決定其并不是在任何工況點都能穩定地工作，一旦風機的工作點移至不穩定工作區就可能引發風機失速及喘振。失速和喘振對于風機的安全運行危害很大，若處理不正確，會損壞設備并危及機組的安全穩定運行。景泰發電廠1，2號爐的一次風機為上海鼓風機廠生產的雙級動葉可調式軸流風機，型號為PAF19-14.4-2，呈臥式布置。該廠在調試和生產過程中，一次風機曾多次發生失速和喘振，影響風機的安全穩定運行，甚至危及到鍋爐燃燒的穩定性，對機組的安全運行危害很大。

1 失速和喘振機理

1.1 失速

軸流式風機的葉片通常呈機翼流線型，當其沖角為0°或小于臨界沖角時，它們的阻力主要為表面摩擦阻力，繞翼型的氣流保持其流線形狀；當沖角增加到某一臨界值時，氣流在葉片背部的流動就會遭到破壞，尾部渦流變寬，升力減小，阻力急劇增加，進而使葉道阻塞，導致風壓急劇降低，這種現象就是失速。

如圖1所示，氣流方向與葉片葉弦的夾角α稱為沖角。當風機處于正常工況時，沖角α很小，接近于0°，氣流繞過機翼型葉片而保持流線狀態，如圖1(a)所示。當氣流與葉片形成正沖角，即α＞0°，且此正沖角超過某一臨界值時，葉片背面的氣流工況開始惡化，邊界層受到破壞，在葉片背面尾端出現渦流區，形成失速，如圖1(b)所示。沖角大于臨界值越多，失速越嚴重，流體流動阻力就越大，風機風壓也隨之迅速降低。

圖1 風機葉片附近的流場

1.2 喘振

喘振是指泵與風機的流量和能頭在瞬間發生不穩定的周期性反復變化的現象。動葉可調式軸流風機全壓相對較低，其性能曲線呈駝峰型(見圖2)，存在峰值點K，易發生喘振。通常稱K點右側區域為風機的穩定工作區，左側為喘振區。當風機的工作點落入喘振區發生喘振時，風機和大容量管路系統耦合為一個具有周期彈性的空氣動力系統。

圖2 工況變化與失速過程(定流量運行)

1.3 失速與喘振的區別與聯系

(1) 失速發生時，只是葉片附近的工況有波動，整臺風機的流量、壓頭和電流基本保持穩定，仍可以連續運行；而喘振發生時，各項指示數據均大幅脈動，風機無法繼續工作。

(2) 失速剛產生時，工作人員不易察覺，只有利用精密的儀器才能夠探測到，此時風機的特性曲線仍然可以測得；而喘振產生的現象則非常激烈，無法測量到當時的工況。

(3) 失速是葉片結構導致的一種空氣動力工況，有其自身的規律，其影響因素包括葉片結構、葉輪本身、進入葉輪的氣流情況等；而喘振的發生及現象特征則取決于外界條件，例如風機在某系統中能正常工作，但安裝至其他系統則可能發生喘振。

(4) 喘振僅發生于風機特性曲線中的喘振區，而失速現象則存在于峰值K點以左的整個區段。兩者關系密切，可以說失速是誘發喘振的原因。

2 一次風機搶風過程分析

景泰發電廠1號機組的型號為CLNZK-24.2-566/566，是超臨界、一次中間再熱、單軸、三缸、四排隊汽、直接空冷凝汽式汽輪機。該機組采用2臺一次風機并列的運行方式。在實際運行中，軸流式風機失速多發生在增加風機出力的過程中，且并列運行的風機只有單臺風機發生失速， 一般不會2臺風機同時失速。風機失速時電動機電流下降，并有擺動現象，最明顯的特征是失速風機的風量，急劇下降，甚至風煙系統的空氣會倒流入失速風機。結合圖1進行分析，可得出以下結論。

(1) 軸流式風機的p-Q性能曲線是一組帶有駝峰形狀的曲線，如圖2所示。風機動葉處在每一角度下都有一條與之對應的曲線，每一條曲線都具有一個最高風壓點，通常稱為臨界點。不同動葉角度下的曲線臨界點左半段有重合的部分；臨界點右半段則為動葉角度與曲線相對應。

(2) 以A，B 2臺并列運行的一次風機為例。假設2臺風機工作點存在微小差別(實際運行中2臺風機工作點也不會完全相同，可能交替變化或者保持一定的差值)，在通風系統正常狀態下，A，B 2臺風機的風量為QA和QB，對應風機出口全風壓為p1，風機工作點分別在圖2中a，b位置上。此時的工作點都處在各自動葉角度下p-Q性能曲線臨界點的右半段，風機處在穩定狀態運行；即使2臺風機動葉角度不一致或風量有較大偏差，風機也能穩定運行。

若由于某種因素(如跳磨、跳給煤機、風機擋板誤關等)導致通風系統阻力增加。假設這時2臺風機仍需要保持風量QA和QB，由于通風系統阻力增加，則需要開大風機的動葉角度，提高出口全風壓來維持QA和QB不變，相應工作點要上移。當通風系統阻力增大到一定數值時，A，B風機的工作點將上移至a'和b'位置。a'已是A風機此時動葉角度下p-Q性能曲線上的臨界點。B風機的工作點b'則以微小差值仍處在相應動葉角度下p-Q性能曲線上的臨界點的右端。此時系統壓力為p2，當A風機工作點上移至a'時，即到達了失速的邊緣值。此狀態下系統壓力一旦出現波動，系統壓力與A風機的全風壓之間就會產生一個微壓差，在這個壓差的作用下，A風機風量受阻，風機出口的流速、總壓頭隨之下降，系統壓力與A風機全風壓之間的壓差進一步增大，A風機風量、壓頭繼續下降，直至A風機全風壓崩潰，風量倒流入A風機，A風機工作點沿p-Q性能曲線滑向左端，即軸流通風機在實際運行中發生失速的過程。受A風機失速影響，系統壓力下降，B風機工作點對應的系統壓力沿p-Q性能曲線迅速移向右下方，風量急劇增加，系統壓力僅由B風機維持。此時，如不及時進行有效處理，極易導致鍋爐滅火。

3 一次風機預控和處理措施

3.1 一次風機失速的預控措施

(1) 正常運行中嚴格控制2臺一次風機出口壓力≤11 kPa，風機動葉開度一般情況下不得大于93 %，防止風機工作點進入不穩定工作區。

(2) 在磨煤機啟停操作過程中，應適當控制開關冷、熱風調節擋板的速率。當冷、熱風調節擋板全關后方允許關閉隔絕擋板，避免一次風壓大幅波動。特別是在操作多臺磨煤機時，如果關冷、熱風速斷門太快，易導致一次風壓突升。在磨煤機事故跳閘時，應及時對一次風壓進行調整∶開備用磨冷、熱一次風門加大一次風量，卸掉因跳磨而積起來的風壓，同時對一次風壓力進行調整。

(3) 在入爐煤煤質較差期間，應盡可能地維持較多套數的制粉系統運行，防止因運行磨煤機煤量過大、出口溫度過低，導致磨煤機發生堵煤、滿煤現象。同時要防止因制粉系統運行套數偏低引起一次風壓偏高。一般情況下，單臺制粉系統出力不得大于58 t/h，磨煤機出口溫度不得低于65 ℃。

(4) 加強對空預器，特別是水平煙道、尾部煙道的吹灰，減少風煙系統阻力。

(5) 利用停機消缺機會，更換嚴密性高的磨煤機冷、熱風速斷門，更換嚴密性高的一次風機、送風機的出口擋板，調整空預器的密封裝置，減少系統漏風。

(6) 運行人員應加強對一次風機電流、動葉開度、風量、風機入口溫度等參數的監視，發現兩側風機運行偏差異常增加時，應做好一次風機發生失速的事故預想，及時向上級部門管理人員匯報并通知檢修部門進行維護處理。

3.2 一次風機失速、喘振事故的處理措施

(1) 當判斷一次風機發生失速時，應立即手動關小失速風機動葉開度，同時關小未發生失速風機的動葉開度。

(2) 緊急手動停運上層制粉系統，并關閉停運磨煤機的入口冷、熱風速斷門及磨煤機出口門，投入AB/CD層油槍助燃，保留底層2或3套制粉系統運行。

(3) 退出CCS，快速降低給水流量，緩解主再熱汽溫下降趨勢。根據汽溫下降趨勢和一次風壓情況，以30 MW/min以上的速度快速降低機組負荷至300 MW以下。

(4) 當機組負荷降至300 MW仍無法維持主再熱汽溫或一次風壓仍低于8.0 kPa時，繼續降低機組負荷，啟動電動給水泵運行(防止低負荷階段小機汽源出力不足，引起給水流量低保護動作)，退出1臺汽泵。鍋爐轉入濕態運行后維持機組負荷不小于150 MW。

(5) 在機組減負荷操作的同時進行一次風機出力調整。將2臺風機動葉控制置于手動方式，適當關小另一臺未失速風機的動葉開度，待機組運行參數趨于穩定后，開始進行風機并列操作。

(6) 若風機并列操作中繼續發生搶風現象，應立即停止并列，盡快關小失速風機動葉開度，查明原因并消除后，再進行并列操作。

(7) 若因一次風系統的風門、擋板被誤關而引起風機失速，應立即打開風門、擋板，同時調整動葉開度。若風門、擋板故障，應立即降低鍋爐負荷，調整制粉系統運行，聯系檢修處理。

(8) 經上述處理搶風消失后，則穩定運行工況。在進一步查找原因并采取相應措施后，方可逐步增加風機的負荷。經上述處理后無效或已嚴重威脅設備的安全時，應立即停止該風機運行。

(9) 應特別注意的是，在事故處理過程中若主汽溫在10 min之內下降幅度超過50 ℃時，必須立即手動打閘停機。

4 結論

軸流風機失速的問題，通過上述處理方法可以得到解決。但是一般來說，風機失速和喘振不僅與制造、安裝有關，還涉及到風機的選型、風道的設計、調試、運行等各個方面，只有嚴格保證各個環節的工作質量，才能有效防治和消除失速和喘振。

通過以上理論分析與實際驗證，對于如何正確處理火電廠軸流一次風機的失速問題，特提出以下建議。

(1) 在運行中當某臺風機出現動葉開度大、出力下降、電流顯著減小或波動大、就地振動大、噪聲高時，基本可以判定風機已失速。此時應立即將風機自動控制轉為手動調節，逐漸減少風機的動葉開度，降低p-Q曲線，降低臨界工作點(K點)，使調節后的風機處于風機的高效率穩定區域內工作，直至發生旋轉失速的風機的電流回升至正常值。與此同時可以快速降低機組負荷，并減小另一側風機出力，降低管道阻力和母管壓力，使旋轉失速的風機盡快帶上負荷，平衡兩側出力。

(2) 運行操作中，要注意盡量減少兩側動葉的開度偏差，使兩側出力平衡(電流值相近)，并且使電流不要過大，一次風壓不要過高，同時還要按規定及時吹灰，減小系統阻力。

(3) 如果失速現象發生較多，應考慮對系統進行改造，如變管路直角彎頭為圓弧角型，在風機進口處加裝導流板，加裝母管過壓保護快開門等。

(4) 經過風機的常規調試后，必須根據現場實際情況對理論失速線進行修正，進而標定真實的理論失速線及風機的實際操控曲線。另外，系統計算誤差、控制邏輯設置不當、系統調節機構動作失靈以及啟動、并聯風機的操作不當等諸多原因，也可能導致風機進入失速區。因此，在風機投運前應編制出具體的風機運行規程，作為風機運行、維護和檢修的依據。

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∶2013-11-15。

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李偉軍(1975-)，男，助理工程師，主要從事電廠設備安全、經濟情況分析及運行規程、安全措施和管理標準編制等工作，email∶jylwj@163.com。