動葉可調(diào)式軸流一次風(fēng)機(jī)失速和喘振分析

李偉軍

(大唐景泰發(fā)電廠，甘肅 白銀 730408)

動葉可調(diào)式軸流一次風(fēng)機(jī)失速和喘振分析

李偉軍

(大唐景泰發(fā)電廠，甘肅 白銀 730408)

介紹了動葉可調(diào)式軸流一次風(fēng)機(jī)失速與喘振現(xiàn)象發(fā)生的機(jī)理，指出了失速和喘振的相互聯(lián)系，分析了2臺一次風(fēng)機(jī)發(fā)生搶風(fēng)現(xiàn)象的實(shí)際過程，提出了一次風(fēng)機(jī)失速與喘振的預(yù)控和事故處理措施，提高了機(jī)組的安全穩(wěn)定性。

動葉可調(diào)；一次風(fēng)機(jī)；失速；喘振

0 引言

隨著大型火力發(fā)電機(jī)組的迅速發(fā)展，高效、大容量的軸流式風(fēng)機(jī)被普遍選用。動葉可調(diào)式軸流風(fēng)機(jī)具有體積小、重量輕、低負(fù)荷區(qū)域效率較高、調(diào)節(jié)范圍廣、反應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。但因軸流風(fēng)機(jī)具有駝峰形性能曲線的特性，決定其并不是在任何工況點(diǎn)都能穩(wěn)定地工作，一旦風(fēng)機(jī)的工作點(diǎn)移至不穩(wěn)定工作區(qū)就可能引發(fā)風(fēng)機(jī)失速及喘振。失速和喘振對于風(fēng)機(jī)的安全運(yùn)行危害很大，若處理不正確，會損壞設(shè)備并危及機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。景泰發(fā)電廠1，2號爐的一次風(fēng)機(jī)為上海鼓風(fēng)機(jī)廠生產(chǎn)的雙級動葉可調(diào)式軸流風(fēng)機(jī)，型號為PAF19-14.4-2，呈臥式布置。該廠在調(diào)試和生產(chǎn)過程中，一次風(fēng)機(jī)曾多次發(fā)生失速和喘振，影響風(fēng)機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，甚至危及到鍋爐燃燒的穩(wěn)定性，對機(jī)組的安全運(yùn)行危害很大。

1 失速和喘振機(jī)理

1.1 失速

軸流式風(fēng)機(jī)的葉片通常呈機(jī)翼流線型，當(dāng)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(dāng)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(jìn)而使葉道阻塞，導(dǎo)致風(fēng)壓急劇降低，這種現(xiàn)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(dāng)風(fēng)機(jī)處于正常工況時，沖角α很小，接近于0°，氣流繞過機(jī)翼型葉片而保持流線狀態(tài)，如圖1(a)所示。當(dāng)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(xiàn)渦流區(qū)，形成失速，如圖1(b)所示。沖角大于臨界值越多，失速越嚴(yán)重，流體流動阻力就越大，風(fēng)機(jī)風(fēng)壓也隨之迅速降低。

圖1 風(fēng)機(jī)葉片附近的流場

1.2 喘振

喘振是指泵與風(fēng)機(jī)的流量和能頭在瞬間發(fā)生不穩(wěn)定的周期性反復(fù)變化的現(xiàn)象。動葉可調(diào)式軸流風(fēng)機(jī)全壓相對較低，其性能曲線呈駝峰型(見圖2)，存在峰值點(diǎn)K，易發(fā)生喘振。通常稱K點(diǎn)右側(cè)區(qū)域?yàn)轱L(fēng)機(jī)的穩(wěn)定工作區(qū)，左側(cè)為喘振區(qū)。當(dāng)風(fēng)機(jī)的工作點(diǎn)落入喘振區(qū)發(fā)生喘振時，風(fēng)機(jī)和大容量管路系統(tǒng)耦合為一個具有周期彈性的空氣動力系統(tǒng)。

圖2 工況變化與失速過程(定流量運(yùn)行)

1.3 失速與喘振的區(qū)別與聯(lián)系

(1) 失速發(fā)生時，只是葉片附近的工況有波動，整臺風(fēng)機(jī)的流量、壓頭和電流基本保持穩(wěn)定，仍可以連續(xù)運(yùn)行；而喘振發(fā)生時，各項指示數(shù)據(jù)均大幅脈動，風(fēng)機(jī)無法繼續(xù)工作。

(2) 失速剛產(chǎn)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(fēng)機(jī)的特性曲線仍然可以測得；而喘振產(chǎn)生的現(xiàn)象則非常激烈，無法測量到當(dāng)時的工況。

(3) 失速是葉片結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的一種空氣動力工況，有其自身的規(guī)律，其影響因素包括葉片結(jié)構(gòu)、葉輪本身、進(jìn)入葉輪的氣流情況等；而喘振的發(fā)生及現(xiàn)象特征則取決于外界條件，例如風(fēng)機(jī)在某系統(tǒng)中能正常工作，但安裝至其他系統(tǒng)則可能發(fā)生喘振。

(4) 喘振僅發(fā)生于風(fēng)機(jī)特性曲線中的喘振區(qū)，而失速現(xiàn)象則存在于峰值K點(diǎn)以左的整個區(qū)段。兩者關(guān)系密切，可以說失速是誘發(fā)喘振的原因。

2 一次風(fēng)機(jī)搶風(fēng)過程分析

景泰發(fā)電廠1號機(jī)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(jī)。該機(jī)組采用2臺一次風(fēng)機(jī)并列的運(yùn)行方式。在實(shí)際運(yùn)行中，軸流式風(fēng)機(jī)失速多發(fā)生在增加風(fēng)機(jī)出力的過程中，且并列運(yùn)行的風(fēng)機(jī)只有單臺風(fēng)機(jī)發(fā)生失速， 一般不會2臺風(fēng)機(jī)同時失速。風(fēng)機(jī)失速時電動機(jī)電流下降，并有擺動現(xiàn)象，最明顯的特征是失速風(fēng)機(jī)的風(fēng)量，急劇下降，甚至風(fēng)煙系統(tǒng)的空氣會倒流入失速風(fēng)機(jī)。結(jié)合圖1進(jìn)行分析，可得出以下結(jié)論。

(1) 軸流式風(fēng)機(jī)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(fēng)機(jī)動葉處在每一角度下都有一條與之對應(yīng)的曲線，每一條曲線都具有一個最高風(fēng)壓點(diǎn)，通常稱為臨界點(diǎn)。不同動葉角度下的曲線臨界點(diǎn)左半段有重合的部分；臨界點(diǎn)右半段則為動葉角度與曲線相對應(yīng)。

(2) 以A，B 2臺并列運(yùn)行的一次風(fēng)機(jī)為例。假設(shè)2臺風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)存在微小差別(實(shí)際運(yùn)行中2臺風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)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(fēng)系統(tǒng)正常狀態(tài)下，A，B 2臺風(fēng)機(jī)的風(fēng)量為QA和QB，對應(yīng)風(fēng)機(jī)出口全風(fēng)壓為p1，風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)分別在圖2中a，b位置上。此時的工作點(diǎn)都處在各自動葉角度下p-Q性能曲線臨界點(diǎn)的右半段，風(fēng)機(jī)處在穩(wěn)定狀態(tài)運(yùn)行；即使2臺風(fēng)機(jī)動葉角度不一致或風(fēng)量有較大偏差，風(fēng)機(jī)也能穩(wěn)定運(yùn)行。

若由于某種因素(如跳磨、跳給煤機(jī)、風(fēng)機(jī)擋板誤關(guān)等)導(dǎo)致通風(fēng)系統(tǒng)阻力增加。假設(shè)這時2臺風(fēng)機(jī)仍需要保持風(fēng)量QA和QB，由于通風(fēng)系統(tǒng)阻力增加，則需要開大風(fēng)機(jī)的動葉角度，提高出口全風(fēng)壓來維持QA和QB不變，相應(yīng)工作點(diǎn)要上移。當(dāng)通風(fēng)系統(tǒng)阻力增大到一定數(shù)值時，A，B風(fēng)機(jī)的工作點(diǎn)將上移至a'和b'位置。a'已是A風(fēng)機(jī)此時動葉角度下p-Q性能曲線上的臨界點(diǎn)。B風(fēng)機(jī)的工作點(diǎn)b'則以微小差值仍處在相應(yīng)動葉角度下p-Q性能曲線上的臨界點(diǎn)的右端。此時系統(tǒng)壓力為p2，當(dāng)A風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)上移至a'時，即到達(dá)了失速的邊緣值。此狀態(tài)下系統(tǒng)壓力一旦出現(xiàn)波動，系統(tǒng)壓力與A風(fēng)機(jī)的全風(fēng)壓之間就會產(chǎn)生一個微壓差，在這個壓差的作用下，A風(fēng)機(jī)風(fēng)量受阻，風(fēng)機(jī)出口的流速、總壓頭隨之下降，系統(tǒng)壓力與A風(fēng)機(jī)全風(fēng)壓之間的壓差進(jìn)一步增大，A風(fēng)機(jī)風(fēng)量、壓頭繼續(xù)下降，直至A風(fēng)機(jī)全風(fēng)壓崩潰，風(fēng)量倒流入A風(fēng)機(jī)，A風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)沿p-Q性能曲線滑向左端，即軸流通風(fēng)機(jī)在實(shí)際運(yùn)行中發(fā)生失速的過程。受A風(fēng)機(jī)失速影響，系統(tǒng)壓力下降，B風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)對應(yīng)的系統(tǒng)壓力沿p-Q性能曲線迅速移向右下方，風(fēng)量急劇增加，系統(tǒng)壓力僅由B風(fēng)機(jī)維持。此時，如不及時進(jìn)行有效處理，極易導(dǎo)致鍋爐滅火。

3 一次風(fēng)機(jī)預(yù)控和處理措施

3.1 一次風(fēng)機(jī)失速的預(yù)控措施

(1) 正常運(yùn)行中嚴(yán)格控制2臺一次風(fēng)機(jī)出口壓力≤11 kPa，風(fēng)機(jī)動葉開度一般情況下不得大于93 %，防止風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)進(jìn)入不穩(wěn)定工作區(qū)。

(2) 在磨煤機(jī)啟停操作過程中，應(yīng)適當(dāng)控制開關(guān)冷、熱風(fēng)調(diào)節(jié)擋板的速率。當(dāng)冷、熱風(fēng)調(diào)節(jié)擋板全關(guān)后方允許關(guān)閉隔絕擋板，避免一次風(fēng)壓大幅波動。特別是在操作多臺磨煤機(jī)時，如果關(guān)冷、熱風(fēng)速斷門太快，易導(dǎo)致一次風(fēng)壓突升。在磨煤機(jī)事故跳閘時，應(yīng)及時對一次風(fēng)壓進(jìn)行調(diào)整∶開備用磨冷、熱一次風(fēng)門加大一次風(fēng)量，卸掉因跳磨而積起來的風(fēng)壓，同時對一次風(fēng)壓力進(jìn)行調(diào)整。

(3) 在入爐煤煤質(zhì)較差期間，應(yīng)盡可能地維持較多套數(shù)的制粉系統(tǒng)運(yùn)行，防止因運(yùn)行磨煤機(jī)煤量過大、出口溫度過低，導(dǎo)致磨煤機(jī)發(fā)生堵煤、滿煤現(xiàn)象。同時要防止因制粉系統(tǒng)運(yùn)行套數(shù)偏低引起一次風(fēng)壓偏高。一般情況下，單臺制粉系統(tǒng)出力不得大于58 t/h，磨煤機(jī)出口溫度不得低于65 ℃。

(4) 加強(qiáng)對空預(yù)器，特別是水平煙道、尾部煙道的吹灰，減少風(fēng)煙系統(tǒng)阻力。

(5) 利用停機(jī)消缺機(jī)會，更換嚴(yán)密性高的磨煤機(jī)冷、熱風(fēng)速斷門，更換嚴(yán)密性高的一次風(fēng)機(jī)、送風(fēng)機(jī)的出口擋板，調(diào)整空預(yù)器的密封裝置，減少系統(tǒng)漏風(fēng)。

(6) 運(yùn)行人員應(yīng)加強(qiáng)對一次風(fēng)機(jī)電流、動葉開度、風(fēng)量、風(fēng)機(jī)入口溫度等參數(shù)的監(jiān)視，發(fā)現(xiàn)兩側(cè)風(fēng)機(jī)運(yùn)行偏差異常增加時，應(yīng)做好一次風(fēng)機(jī)發(fā)生失速的事故預(yù)想，及時向上級部門管理人員匯報并通知檢修部門進(jìn)行維護(hù)處理。

3.2 一次風(fēng)機(jī)失速、喘振事故的處理措施

(1) 當(dāng)判斷一次風(fēng)機(jī)發(fā)生失速時，應(yīng)立即手動關(guān)小失速風(fēng)機(jī)動葉開度，同時關(guān)小未發(fā)生失速風(fēng)機(jī)的動葉開度。

(2) 緊急手動停運(yùn)上層制粉系統(tǒng)，并關(guān)閉停運(yùn)磨煤機(jī)的入口冷、熱風(fēng)速斷門及磨煤機(jī)出口門，投入AB/CD層油槍助燃，保留底層2或3套制粉系統(tǒng)運(yùn)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(jù)汽溫下降趨勢和一次風(fēng)壓情況，以30 MW/min以上的速度快速降低機(jī)組負(fù)荷至300 MW以下。

(4) 當(dāng)機(jī)組負(fù)荷降至300 MW仍無法維持主再熱汽溫或一次風(fēng)壓仍低于8.0 kPa時，繼續(xù)降低機(jī)組負(fù)荷，啟動電動給水泵運(yùn)行(防止低負(fù)荷階段小機(jī)汽源出力不足，引起給水流量低保護(hù)動作)，退出1臺汽泵。鍋爐轉(zhuǎn)入濕態(tài)運(yùn)行后維持機(jī)組負(fù)荷不小于150 MW。

(5) 在機(jī)組減負(fù)荷操作的同時進(jìn)行一次風(fēng)機(jī)出力調(diào)整。將2臺風(fēng)機(jī)動葉控制置于手動方式，適當(dāng)關(guān)小另一臺未失速風(fēng)機(jī)的動葉開度，待機(jī)組運(yùn)行參數(shù)趨于穩(wěn)定后，開始進(jìn)行風(fēng)機(jī)并列操作。

(6) 若風(fēng)機(jī)并列操作中繼續(xù)發(fā)生搶風(fēng)現(xiàn)象，應(yīng)立即停止并列，盡快關(guān)小失速風(fēng)機(jī)動葉開度，查明原因并消除后，再進(jìn)行并列操作。

(7) 若因一次風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)門、擋板被誤關(guān)而引起風(fēng)機(jī)失速，應(yīng)立即打開風(fēng)門、擋板，同時調(diào)整動葉開度。若風(fēng)門、擋板故障，應(yīng)立即降低鍋爐負(fù)荷，調(diào)整制粉系統(tǒng)運(yùn)行，聯(lián)系檢修處理。

(8) 經(jīng)上述處理搶風(fēng)消失后，則穩(wěn)定運(yùn)行工況。在進(jìn)一步查找原因并采取相應(yīng)措施后，方可逐步增加風(fēng)機(jī)的負(fù)荷。經(jīng)上述處理后無效或已嚴(yán)重威脅設(shè)備的安全時，應(yīng)立即停止該風(fēng)機(jī)運(yùn)行。

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

4 結(jié)論

軸流風(fēng)機(jī)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(fēng)機(jī)失速和喘振不僅與制造、安裝有關(guān)，還涉及到風(fēng)機(jī)的選型、風(fēng)道的設(shè)計、調(diào)試、運(yùn)行等各個方面，只有嚴(yán)格保證各個環(huán)節(jié)的工作質(zhì)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(shí)際驗(yàn)證，對于如何正確處理火電廠軸流一次風(fēng)機(jī)的失速問題，特提出以下建議。

(1) 在運(yùn)行中當(dāng)某臺風(fēng)機(jī)出現(xiàn)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(fēng)機(jī)已失速。此時應(yīng)立即將風(fēng)機(jī)自動控制轉(zhuǎn)為手動調(diào)節(jié)，逐漸減少風(fēng)機(jī)的動葉開度，降低p-Q曲線，降低臨界工作點(diǎn)(K點(diǎn))，使調(diào)節(jié)后的風(fēng)機(jī)處于風(fēng)機(jī)的高效率穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)工作，直至發(fā)生旋轉(zhuǎn)失速的風(fēng)機(jī)的電流回升至正常值。與此同時可以快速降低機(jī)組負(fù)荷，并減小另一側(cè)風(fēng)機(jī)出力，降低管道阻力和母管壓力，使旋轉(zhuǎn)失速的風(fēng)機(jī)盡快帶上負(fù)荷，平衡兩側(cè)出力。

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

(3) 如果失速現(xiàn)象發(fā)生較多，應(yīng)考慮對系統(tǒng)進(jìn)行改造，如變管路直角彎頭為圓弧角型，在風(fēng)機(jī)進(jìn)口處加裝導(dǎo)流板，加裝母管過壓保護(hù)快開門等。

(4) 經(jīng)過風(fēng)機(jī)的常規(guī)調(diào)試后，必須根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況對理論失速線進(jìn)行修正，進(jìn)而標(biāo)定真實(shí)的理論失速線及風(fēng)機(jī)的實(shí)際操控曲線。另外，系統(tǒng)計算誤差、控制邏輯設(shè)置不當(dāng)、系統(tǒng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)動作失靈以及啟動、并聯(lián)風(fēng)機(jī)的操作不當(dāng)?shù)戎T多原因，也可能導(dǎo)致風(fēng)機(jī)進(jìn)入失速區(qū)。因此，在風(fēng)機(jī)投運(yùn)前應(yīng)編制出具體的風(fēng)機(jī)運(yùn)行規(guī)程，作為風(fēng)機(jī)運(yùn)行、維護(hù)和檢修的依據(jù)。

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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(shè)備安全、經(jīng)濟(jì)情況分析及運(yùn)行規(guī)程、安全措施和管理標(biāo)準(zhǔn)編制等工作，email∶jylwj@163.com。