1000 MW機組引風機高負荷失速分析及措施

萬立明，張 軍

（1.廣東粵電靖海發電有限公司，廣東揭陽 515223；2.成都電力機械廠，四川成都 610000）

0 引言

為滿足國家三部委《煤電節能減排升級與改造行動計劃（2014—2020年）》《全面實施燃煤電廠超低排放和節能改造工作方案》和廣東省發改委《廣東省煤電節能減排升級與改造行動計劃（2015—2020年）》的要求，廣東某電廠機組開展超低排放改造項目工作，其中3#，4#1000 MW機組的煙氣NOX、SO2、煙塵的排放濃度分別控制在50 mg/Nm3，35 mg/Nm3和 5 mg/Nm3以內。改造方案包括脫硝改造，除塵改造，脫硫改造，GGH（煙氣—煙氣換熱器）改造，引風機、脫硫增壓風機改造。引風機、脫硫增壓風機改造項目將各機組原來2臺靜葉可調軸流式引風機和2臺動葉可調軸流式增壓風機拆除，新裝2臺雙級動葉可調軸流式引風機，進行增引合引改造；GGH改造工程則將原回轉式GGH改造為無煙氣泄漏的管式MGGH（中間熱媒體煙氣換熱器），在空預器出口與電除塵入口之間6個煙道均設置一級MGGH換熱器，煙氣冷卻后進入靜電除塵器實現低溫除塵，至引風機入口設計煙氣溫度可降到90℃，系統示意見圖1。超低排放改造后機組于2017年4月投入運行。

機組為東方鍋爐股份有限公司制造的超超臨界本生直流爐，采用前后墻對沖燃燒、爐膛平衡通風系統，超排改造新安裝的兩臺雙級動葉可調式軸流風機型號為HU27448-222G，低高壓葉型（第一級為低壓葉型，第二級為高壓葉型），其變工況運行時經濟性好、調節特性好，是超超臨界機組超排改造引風機的主流選型。

圖1 超低排放改造一級MGGH至引風機煙氣系統

由于該引風機受軸流風機具有駝峰形狀的性能曲線、運行環境惡劣以及系統阻力變化的影響，特別是在機組高負荷期間，客觀上有失速發生的可能性[1]。即風機在運行時產生的全壓（比壓能）升高到其特性曲線的頂點后，若風煙系統阻力再增大，運行工況點落入理論失速線，此時風機出力將會突然下降，從而發生失速[2]。引風機失速時由于壓力和流量劇烈下降和波動，直接影響爐膛負壓、機組出力和運行安全；由于葉片激振、振動突升則影響風機轉子有關部件的安全[3]，因此機組高負荷期間應避免引風機發生失速。

1 引風機失速情況和問題

經統計，#3機組超低排放改造完成后，在2017年底之前引風機均未出現失速現象，但2018年以來#3A引風機發生4次高負荷失速，另#4機組A，B引風機也各發生1次失速。失速時典型歷史曲線見圖2，2018年3月13日，10:28，#3A引風機在近滿負荷工況，電流逐漸升高后突降、出口壓力突降、入口導葉快速全開，風機失速，經及時調整后恢復正常運行。

圖2 #3A引風機失速歷史趨勢曲線截圖

某試驗單位在《引風機運行情況分析》中，根據引風機運行參數和引風機特性曲線，并參考系統的煙氣流量，認為當前引風機運行效率在高、中、低負荷工況下均處于正常水平；而在高負荷工況時其取煙氣密度約為0.83 kg/m3的條件下，計算壓頭裕量僅約為800 Pa，低于設計的10%，不滿足《火力發電廠設計技術規程》的要求；若煤質波動較大，或者氧量波動較大，引風機中、高負荷失速風險極大。并且該試驗單位認為這一分析適用于2臺機組。

針對上述關于引風機設計壓頭裕量偏小的初步結論，筆者組織對引風機失速前的工況、性能試驗情況、煙氣系統參數以及系統阻力變化等因素進行全面分析，找到失速的準確原因并提出有效的解決措施。

2 引風機選型參數與性能試驗對比分析

1000 MW機組超低排放改造引風機選型主要參數及2017年9月初，#3爐A引風機性能試驗（某電科院《#3機組超低排放改造引風機性能試驗報告》）數據對比見表1。

根據表1試驗及計算數據表明，2017年9月，#3A引風機1000 MW工況、最大出力工況風機全壓升均小于B-MCR設計參數，且有一定的裕量，如按TB工況與實際最大出力工況比較計算，此時實際壓頭裕量達20.7%，符合20%的設計要求[4]；滿負荷試驗數據中，風機入口溫度偏高，其余與BMCR設計參數基本吻合，風機運行效率高。因此，風機的選型合理。

3 引風機高負荷失速分析

3.1 失速前工況

風機失速前工況參數匯總見表2。2018年6月14日，8:33:26，#4A引風機失速起因為爐膛掉大渣，引起風煙系統波動。從失速前工況看，#4機組A，B引風機運行比較平衡，各發生1次失速具有隨機性；#3機組B引風機未發生失速，而A引風機發生4次失速，具有典型性。分析應以#3A引風機為主。從數據看出，#3爐高負荷期間A，B空預器煙氣側壓差較大，系長期運行逐漸增大，超排改造后高負荷期間空預器壓差變化情況如表3所示。空預器壓差增大的原因包括:蓄熱元件存在損壞情況，受煤質、脫硝噴氨及環境溫度等因素影響發生堵塞。

同時，#3，4機組引風機入口煙氣溫度均高于設計參數90℃，特別是#3機組長期高于110℃，其主要原因是空預器因元件損壞、堵塞等，導致排煙溫度高于130℃設計值，一級MGGH換熱器前排管組受煙氣沖刷泄漏后隔離了部分管組，同時考慮到電除塵煙氣溫度低容易發生灰斗堵灰以及內部腐蝕等問題而提高了入口煙氣溫度。

3.2 失速工況點標定

根據表1工況數據，經計算，對#3A引風機在2018年3月13日（971 MW），2018.6.21（931 MW）兩次失速前實際運行工況點，在風機的流量—比壓能性能曲線上進行標定位置，如（圖3）。從圖中可以看出#3A引風機兩次失速前實際運行工況點在性能曲線的位置已經偏離B-MCR設計工況點（◆2），更加靠近失速線，本身已存在一定的失速風險，此時如果風煙系統壓力波動或設備系統故障就容易導致風機失速。

表1 #3爐A引風機性能試驗數據與選型參數對比

表2 #3，#4機組引風機失速前工況參數匯總

表3 #3機組高負荷期間A、B空預器壓差變化數據 Pa

圖3 #3A引風機失速典型工況點在性能曲線上的標定位置

3.3 失速原因分析

根據上述失速前工況參數和運行情況，引風機高負荷失速主要原因如下。

（1）空預器在長期運行中堵塞逐漸嚴重、壓差高。#3爐A空預器壓差高值達2600 Pa，導致單側風煙系統阻力嚴重偏離設計，A，B引風機出力（電流）不平衡，#3A引風機實際運行工況點往上偏離設計工況點，更接近失速邊界線，因此更容易發生失速。

（2）引風機入口煙氣溫度偏高。#3機組風煙系統MGGH一級換熱器出口平均煙溫超過110℃（設計值90℃），煙溫偏高致使煙氣密度偏小，按2018年1月7日工況入口煙氣溫度111.3℃計算，密度約0.89 kg/m3（設計值為0.94 kg/m3）；由于煙氣密度偏小，在相同的全壓下風機比壓能升高，引風機實際運行工況點往上偏離設計工況點，更接近失速邊界線。

計算式:入口煙氣密度=1.33×入口絕對壓力×273/101325（273+入口煙氣溫度）。入口絕對壓力=當地大氣壓+風機入口靜壓。比壓能=風機全壓/入口煙氣密度，其中，當地大氣壓取值101 180 Pa，風機入口靜壓-5250 Pa，壓縮性修正系數Kp取1，#4機組A，B空預器壓差正常，但引風機入口煙氣溫度約100℃，高于設計值90℃，也是引風機偶發性失速的影響因素之一。

（3）其他設備阻力影響，初步分析認為引風機出口直角彎頭和匯流段，以及脫硫系統阻力對風煙系統阻力及波動可能存在影響，其中脫硫塔阻力主要是由于噴淋層造成的，脫硫系統阻力跟噴淋層的投入數量有直接關系[5]。

3.4 試驗單位計算結論的糾正

根據上述分析，該試驗單位在《引風機運行情況分析》中計算得出引風機實際運行中壓頭裕量較小的結論，其計算過程所選取的煙氣密度約為0.83 kg/m3，經校核計算此時對應的煙氣溫度應達到141℃，而經查當時工況下引風機入口實際煙氣溫度約101℃，對應計算煙氣密度約為0.92 kg/m3。《分析》中密度選取值偏小（對應煙氣溫度高出實際煙溫40℃），導致計算得出比壓能偏高、壓頭裕量偏小，應予以糾正。

4 防范引風機失速的措施

（1）實施空預器蓄熱元件改造更換，針對空預器硫酸氫銨堵塞及酸腐蝕問題對蓄熱元件進行材料、板型等優化設計，解決因蓄熱元件損壞及堵塞問題；2018年12月，#3機組空預器實施改造后機組高負荷期間空預器壓差穩定在1500 Pa左右，排煙溫度降低約5℃，系統阻力和煙氣溫度降低顯著改善了風煙系統的運行工況。

（2）在空預器改造更換之前，運行機組高負荷期間，對A，B引風機的調平關注風機電流和進出口壓力，密切監視空預器壓差和風機入口負壓變化，避免兩臺風機運行不平衡發生搶風；在總結失速工況的基礎上，確定引風機入口負壓達-5500 Pa時應限制機組負荷觀察。

（3）降低引風機入口煙氣溫度，優化MGGH一級換熱器出口煙氣溫度控制，結合電除塵除灰輸灰對煙溫控制的要求逐步進行調整，最終將電除塵入口煙氣平均溫度調整至約95℃，基本滿足設計值要求；在相同全壓下，按#3A引風機原入口煙氣溫度111℃計算，比壓能降低約4.2%，安全裕量明顯增大。

（4）檢查兩臺引風機出口煙道匯合段，初步確認風機出口煙道直角彎阻力偏大，兩股煙氣匯流隔板太短、導流不足存在對沖擾流，計劃對直角彎進行導流板優化、加長匯流隔板，降低風機出口阻力。

（5）空預器堵塞防治需有長效措施并適應機組超低排放條件，筆者認為應進一步研究空預器前端脫硝優化調整和脫硝均勻性改造以有效控制氨逃逸。

5 結語

結合引風機失速前工況參數分析和運行、設備存在問題檢查，對引風機失速問題進行了比較全面的分析，糾正了某試驗單位關于風機設計壓頭裕量不足的初步結論，提出了下一步檢修和運行調整的具體措施，實施后能夠有效防范引風機失速問題。從中發現，系統阻力增加和煙氣溫度偏高是造成引風機失速的2個主要因素。超低排放改造后，低溫電除塵應按照設計要求運行，將引風機入口煙氣溫度降低至符合設計要求，有利于引風機高效率運行、防止引風機失速。