鍋爐一次風(fēng)機(jī)葉輪損壞事故分析

王展池

(韶關(guān)發(fā)電廠，廣東 韶關(guān) 512029)

鍋爐一次風(fēng)機(jī)葉輪損壞事故分析

王展池

(韶關(guān)發(fā)電廠，廣東 韶關(guān) 512029)

針對(duì)某廠10號(hào)爐一次風(fēng)機(jī)嚴(yán)重?fù)p壞引起的跳機(jī)事故進(jìn)行了分析。在風(fēng)機(jī)失速機(jī)理基礎(chǔ)上，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際檢查及對(duì)A修的改造情況分析，認(rèn)為風(fēng)機(jī)進(jìn)口風(fēng)門的改造是導(dǎo)致風(fēng)機(jī)失速引發(fā)事故的原因。

一次風(fēng)機(jī)；改造；失速；葉片斷裂

韶關(guān)發(fā)電廠10號(hào)爐是東方鍋爐廠設(shè)計(jì)制造、燃用粵北紅土無煙煤的“W”型火焰鍋爐，其設(shè)計(jì)制造技術(shù)從美國(guó)福斯特?惠勒能源公司引進(jìn)，鍋爐型號(hào)為DG1025/18.2-Ⅱ10，是亞臨界壓力、一次中間再熱的自然循環(huán)鍋爐。鍋爐配有2臺(tái)進(jìn)口風(fēng)門動(dòng)葉可調(diào)式一次風(fēng)機(jī)，A修中進(jìn)行了部分改造，機(jī)組于2009-06-13 A修結(jié)束后啟動(dòng)，2009-06-29發(fā)生了一次風(fēng)機(jī)嚴(yán)重?fù)p壞引起跳機(jī)的事故。

1 事故概況

2009-06-29T07:29，10號(hào)機(jī)組負(fù)荷197 MW，主汽壓力12.33 MPa，主汽溫度542℃，一次風(fēng)壓8.82 kPa。突然爐底一聲巨響，鍋爐MFT動(dòng)作，首出“爐膛壓力低三值”，聯(lián)跳A，B一次風(fēng)機(jī)，OFT動(dòng)作，聯(lián)跳汽輪機(jī)、發(fā)變組程跳逆功率動(dòng)作，廠用電切換正常。

就地檢查A一次風(fēng)機(jī)葉輪，所有葉片斷裂，風(fēng)機(jī)機(jī)殼被斷裂的葉片擊穿。機(jī)組按照鍋爐滅火處理程序進(jìn)行處理。

07:57，10號(hào)爐重新點(diǎn)火。

08:20，10號(hào)機(jī)沖轉(zhuǎn)。

08:37，10號(hào)機(jī)重新并網(wǎng)。

由于擴(kuò)大對(duì)B一次風(fēng)機(jī)檢查及更換入口風(fēng)門和處理葉片裂紋，至29日21:40，B一次風(fēng)機(jī)檢修結(jié)束后啟動(dòng)運(yùn)行，機(jī)組負(fù)荷逐步由15 MW加至170MW，維持單一次風(fēng)機(jī)運(yùn)行。

1.1 設(shè)備簡(jiǎn)介及A修情況

1.1.1 設(shè)備簡(jiǎn)介

該一次風(fēng)機(jī)型號(hào)為G5-48-11NO20.5D，轉(zhuǎn)速為1 480r/min，流量150.85～301.7 km3/h，全壓16 676～12 288 Pa，軸功率896～1 330kW。該風(fēng)機(jī)為單級(jí)懸臂支承聯(lián)軸器傳動(dòng)離心風(fēng)機(jī)，主要由葉輪、轉(zhuǎn)軸、機(jī)殼、集流器、調(diào)節(jié)門及傳動(dòng)部分組成。葉輪由12片后傾機(jī)翼斜切的葉片焊接于弧錐形的前盤與平板形的后盤中間位置，并經(jīng)過靜、動(dòng)平衡校正，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)。轉(zhuǎn)子由二開式的筒形軸承箱支承，軸承箱采用滾動(dòng)軸承；風(fēng)機(jī)采用入口擋板門進(jìn)行風(fēng)量調(diào)節(jié)。通過連續(xù)不斷旋轉(zhuǎn)的葉輪產(chǎn)生的離心力使空氣連續(xù)不斷地被輸送出去，再經(jīng)過空氣預(yù)熱器后進(jìn)入制粉系統(tǒng)。每爐配2臺(tái)該型號(hào)風(fēng)機(jī)，并列運(yùn)行。

1.1.2 A修中的改造情況

修前因?yàn)檫M(jìn)口風(fēng)門調(diào)節(jié)不穩(wěn)定，跟不上AGC調(diào)節(jié)要求，且出口風(fēng)道振動(dòng)大，其他方面正常。A修前邀請(qǐng)上海鼓風(fēng)機(jī)廠進(jìn)行設(shè)計(jì)，改造進(jìn)口風(fēng)門和出口風(fēng)道。在A修中將進(jìn)口風(fēng)門葉片由13片改為11片，出口風(fēng)道(風(fēng)機(jī)出口至空氣預(yù)熱器入口段)錐口放大，增加部分容積及內(nèi)外部支撐裝置。

1.1.3 A修后出現(xiàn)的異常

在一次風(fēng)母管壓力相同時(shí)，2臺(tái)一次風(fēng)機(jī)電流比A修前增大30～40A，入口風(fēng)門擋板開度為A修前開度的一半，運(yùn)行時(shí)有很大的沉悶響聲，風(fēng)機(jī)軸承振動(dòng)有逐漸增大的趨勢(shì)。

1.2 現(xiàn)場(chǎng)檢查情況

(1) A一次風(fēng)機(jī)飛車，葉輪葉片及進(jìn)口盤全部分散斷裂(圖1)；機(jī)殼前后部被飛車葉片打穿；軸承箱前部地腳螺栓及軸承箱中分面緊固螺栓被拉松脫；進(jìn)口風(fēng)門有一個(gè)葉片外部定位塊脫落，其他定位銷磨損嚴(yán)重；檢查葉片裂口呈齊口型，有交變應(yīng)力疲勞過載特征。

(2) B一次風(fēng)機(jī)檢查發(fā)現(xiàn)，進(jìn)口風(fēng)門處有一個(gè)葉片斷裂，進(jìn)入葉輪打傷其他葉片。進(jìn)口風(fēng)門處另有一個(gè)葉片外部定位塊脫落，其他定位銷磨損嚴(yán)重。在另外5片葉片進(jìn)口靠輪轂盤部位發(fā)現(xiàn)100～150mm穿透性裂紋(圖2)。因?yàn)榱鸭y發(fā)生在非打傷葉片上，初步分析為葉片交變應(yīng)力過載疲勞所致。對(duì)進(jìn)口風(fēng)門解體檢查，發(fā)現(xiàn)另一件固定銷焊接部位母材有疲勞裂紋。

(3) A，B一次風(fēng)機(jī)出口風(fēng)門均為全開狀態(tài)，無節(jié)流現(xiàn)象。

(4) B一次風(fēng)機(jī)更換進(jìn)口風(fēng)門(換回A修前安裝的原設(shè)計(jì)風(fēng)門)，開出后檢查，風(fēng)門開度相同時(shí)，電流減少42 A；風(fēng)門開度增大1倍且風(fēng)機(jī)出口風(fēng)壓相同時(shí)，電流與事故前基本持平；運(yùn)行聲音恢復(fù)至A修前狀態(tài)，各振動(dòng)值正常。

2 原因分析

本次事故發(fā)生在機(jī)組A修后啟動(dòng)僅15天。A修中僅對(duì)A，B一次風(fēng)機(jī)的進(jìn)口風(fēng)門及出口風(fēng)道進(jìn)行了改造，其余部分均無改動(dòng)，可以判斷此次改造正是事故的直接原因。

2.1 出口風(fēng)道改造對(duì)事故發(fā)生的影響

事故發(fā)生后，B一次風(fēng)機(jī)更換回原進(jìn)口風(fēng)門后啟動(dòng)，單風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)聲音、振動(dòng)值均正常，風(fēng)機(jī)電流與進(jìn)口風(fēng)門開度對(duì)應(yīng)情況恢復(fù)A修前狀態(tài)。

7月28日A一次風(fēng)機(jī)檢修結(jié)束后(使用原進(jìn)口風(fēng)門和新制造的原設(shè)計(jì)風(fēng)機(jī))啟動(dòng)，2臺(tái)風(fēng)機(jī)并列運(yùn)行時(shí)聲音、振動(dòng)值正常，出力平衡，風(fēng)機(jī)電流與進(jìn)口風(fēng)門開度對(duì)應(yīng)情況也恢復(fù)A修前狀態(tài)。由此可以看出，對(duì)出口風(fēng)道的改造對(duì)此次事故無直接影響。

2.2 進(jìn)口風(fēng)門改造對(duì)事故發(fā)生的影響

失速、喘振、搶風(fēng)都是風(fēng)機(jī)的典型故障。從此次事故的現(xiàn)象可以排除喘振和搶風(fēng)的可能，初步分析判斷為失速。在其他條件都不變的情況下，風(fēng)機(jī)葉片前后壓差的大小決定于動(dòng)葉沖角(即進(jìn)口氣流相對(duì)速度w的方向與葉片安裝角之差)的大小。在臨界沖角值以內(nèi)，上述壓差大致與葉片的沖角成比例，不同的葉片葉型有不同的臨界沖角值。當(dāng)翼型的沖角超過臨界值時(shí)，氣流會(huì)離開葉片凸面，發(fā)生邊界層分離，產(chǎn)生大面積的渦流，此時(shí)風(fēng)機(jī)的全壓下降，這種情況稱為“失速現(xiàn)象”。

(1) 當(dāng)正沖角超過某一臨界值時(shí)，氣流在葉片背部的流動(dòng)遭到破壞，升力減小，阻力卻急劇增加，這種現(xiàn)象稱為“脫流”或“失速”。如果脫流現(xiàn)象發(fā)生在風(fēng)機(jī)的葉道內(nèi)，則脫流將對(duì)葉道造成堵塞，使葉道內(nèi)的阻力增大，同時(shí)風(fēng)壓也隨之而迅速降低。從事故前的運(yùn)行工況和鍋爐燃燒風(fēng)量平衡原則看，為維持同等母管風(fēng)壓，2臺(tái)風(fēng)機(jī)電流升高了30～40A，但產(chǎn)生的能量沒有轉(zhuǎn)為風(fēng)量進(jìn)入鍋爐內(nèi)，而是損耗在風(fēng)機(jī)及出口風(fēng)道內(nèi)，損耗的最大可能就是產(chǎn)生大面積渦流，振動(dòng)及響聲的異常沉悶正是其表現(xiàn)。

(2) 由于風(fēng)機(jī)各葉片存在安裝誤差，安裝角不完全一致，氣流流場(chǎng)不均勻相等。因此，失速現(xiàn)象并不是所有葉片同時(shí)發(fā)生的，而是首先在一個(gè)或幾個(gè)葉片上出現(xiàn)。若在葉道2中出現(xiàn)脫流，該葉道由于受脫流區(qū)的排擠而變窄，流量減小，則氣流分別進(jìn)入相鄰的1，3葉道中，使1，3葉道的氣流方向發(fā)生改變。結(jié)果使流入葉道1的氣流沖角減小，葉道1保持正常流動(dòng)；葉道3的沖角增大，加劇了脫流和阻塞。同理葉道3的阻塞又影響相鄰葉道2和4的氣流，使葉道2消除脫流，同時(shí)引發(fā)葉道4出現(xiàn)脫流。也就是說，脫流區(qū)是旋轉(zhuǎn)的，其旋轉(zhuǎn)方向與葉輪旋轉(zhuǎn)方向相反，這種現(xiàn)象稱為旋轉(zhuǎn)失速，如圖3。

風(fēng)機(jī)進(jìn)入不穩(wěn)定工況區(qū)運(yùn)行時(shí)，葉輪內(nèi)將產(chǎn)生一個(gè)到數(shù)個(gè)旋轉(zhuǎn)脫流區(qū)，葉片依次經(jīng)過脫流區(qū)要受到交變應(yīng)力的作用，這種交變應(yīng)力會(huì)使葉片產(chǎn)生疲勞。葉片每經(jīng)過一次脫流區(qū)將受到一次激振力的作用，此激振力的作用頻率與旋轉(zhuǎn)脫流的速度成正比，當(dāng)脫流區(qū)的數(shù)目為2個(gè)、3個(gè)……時(shí)，則作用于每個(gè)葉片的激振力頻率也作2倍、3倍……的變化。如果這一激振力的作用頻率與葉片的固有頻率成整數(shù)倍關(guān)系，或者等于、接近于葉片的固有頻率時(shí)，葉片將與其發(fā)生共振。此時(shí)，葉片的動(dòng)應(yīng)力會(huì)突然增加，甚至可達(dá)數(shù)10倍以上，最終使葉片產(chǎn)生斷裂。一旦有一個(gè)葉片疲勞斷裂，將會(huì)把其他葉片全部打斷。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢查，新風(fēng)門葉片內(nèi)外固定部位比較松動(dòng)，外部定位銷有脫落，銷釘磨損嚴(yán)重存在較大間隙；A風(fēng)機(jī)飛車，葉輪、葉片及進(jìn)口盤全部斷裂分散；在B風(fēng)機(jī)葉片母材較薄弱部位發(fā)生疲勞裂紋，且均發(fā)生在葉片后盤焊縫熱影響區(qū)；B風(fēng)機(jī)進(jìn)口風(fēng)門有一個(gè)葉片斷裂，進(jìn)入葉輪打傷葉片等都是有力的證據(jù)。

3 結(jié)束語

風(fēng)機(jī)進(jìn)口風(fēng)門改造后與原設(shè)計(jì)的葉輪葉片不相配，較大地改變了動(dòng)葉沖角并使其超過臨界值，出現(xiàn)失速現(xiàn)象。葉片在交變應(yīng)力的作用下最終發(fā)生斷裂，導(dǎo)致了此次事故的發(fā)生。

2011-03-11)