軸流風(fēng)機(jī)失速與喘振的應(yīng)對(duì)措施

申 強(qiáng)

（山西興能發(fā)電有限責(zé)任公司，山西 太原 030206）

0 引言

伴隨著電力事業(yè)的快速發(fā)展，大容量高參數(shù)發(fā)電機(jī)組不斷投入運(yùn)行。由于軸流風(fēng)機(jī)在大風(fēng)量調(diào)節(jié)上的優(yōu)勢(shì)，以及具有的效率高、系統(tǒng)風(fēng)量適應(yīng)性強(qiáng)、尺寸小、重量輕等明顯優(yōu)點(diǎn)，使其逐漸成為鍋爐風(fēng)機(jī)的主流選擇，但受到軸流風(fēng)機(jī)所具有的駝峰形狀性能曲線和運(yùn)行環(huán)境惡劣的影響，客觀上決定了風(fēng)機(jī)失速和喘振發(fā)生的可能性。

1 失速和喘振的成因機(jī)理分析

軸流風(fēng)機(jī)最常見以及影響風(fēng)機(jī)安全運(yùn)行最重要的問題就是失速和喘振。

1.1 風(fēng)機(jī)的失速

軸流風(fēng)機(jī)葉片通常是機(jī)翼流線型的，當(dāng)風(fēng)機(jī)處于正常工況工作時(shí)，其空氣流向與機(jī)翼葉片進(jìn)口端的夾角（也稱沖角）為零或小于臨界沖角，此時(shí)氣流在葉片上就產(chǎn)生兩種力，一是垂直于葉面的升力，另一種平行于葉片的阻力，且升力≥阻力。這時(shí)的受力主要是因氣流與葉片表面的摩擦而產(chǎn)生的阻力。隨著沖角的增大，氣流開始在葉片的上表面分離，葉片的后緣點(diǎn)附近出現(xiàn)了渦流現(xiàn)象，在超過臨界沖角時(shí)，氣流在葉片背部的流動(dòng)遭到破壞，此時(shí)尾部渦流加劇，升力減少，阻力增加。如果脫流現(xiàn)象發(fā)生在風(fēng)機(jī)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，造成風(fēng)壓的急劇降低，這種現(xiàn)象就叫做失速。由于各風(fēng)機(jī)葉片在形狀和安裝角度上的差異，使產(chǎn)生脫流的現(xiàn)象在各葉道內(nèi)交替進(jìn)行，所造成的堵塞區(qū)也沿著葉輪旋轉(zhuǎn)相反的方向移動(dòng)。因?yàn)槿~片依次經(jīng)過脫流區(qū)要受到交變應(yīng)力的作用，所以應(yīng)盡量避免風(fēng)機(jī)在不穩(wěn)定工況區(qū)運(yùn)行。

1.2 風(fēng)機(jī)的喘振

喘振是軸流風(fēng)機(jī)運(yùn)行中的特殊現(xiàn)象，是指風(fēng)機(jī)的流量和壓頭在瞬間內(nèi)發(fā)生不穩(wěn)定的同期性反復(fù)變化的現(xiàn)象。因?yàn)檩S流風(fēng)機(jī)具有駝峰形狀的性能曲線，則必然存在其峰值點(diǎn)，即全壓性能曲線的最高點(diǎn)，當(dāng)風(fēng)機(jī)的工作點(diǎn)落在峰值點(diǎn)的左側(cè)，風(fēng)機(jī)即進(jìn)入了駝峰型流量、壓力Q—p性能曲線的不穩(wěn)定區(qū)域。風(fēng)機(jī)的喘振主要表現(xiàn)為出口風(fēng)量、風(fēng)壓、電機(jī)電流的大幅度擺動(dòng)，風(fēng)道內(nèi)有劇烈的振動(dòng)和異常的噪音等。此時(shí)風(fēng)機(jī)與整個(gè)管道系統(tǒng)耦合為一個(gè)具有周期性變化的彈性的空氣動(dòng)力系統(tǒng)，整個(gè)循環(huán)的頻率與系統(tǒng)的氣流振蕩頻率合拍，產(chǎn)生了共振。

喘振現(xiàn)象的形成包含有兩方面的因素，從內(nèi)部來說，取決于葉柵內(nèi)出現(xiàn)強(qiáng)烈的突變性旋轉(zhuǎn)失速；從外部條件來說，又與管網(wǎng)容量和阻力特性有關(guān)。

1.3 失速與喘振的區(qū)別與聯(lián)系

a)失速是葉片結(jié)構(gòu)特性造成的一種空氣動(dòng)力工況。失速的表現(xiàn)特性有其自身的規(guī)律，其不受系統(tǒng)容積形狀的影響，而喘振是風(fēng)機(jī)與系統(tǒng)耦合后的振蕩特性的表現(xiàn)形式，其振幅、頻率等受風(fēng)道容積的節(jié)制。

b)失速是軸流式風(fēng)機(jī)的基本屬性，是不可避免的，它是隱形的，剛產(chǎn)生時(shí)，人無法感覺到，只有用精密儀器才能探測(cè)到。而喘振是顯形的，其表現(xiàn)是明顯的，甚至非常激烈。喘振的發(fā)生要具備一定的條件，不是必然發(fā)生的。

c)失速發(fā)生時(shí)，風(fēng)機(jī)的流量、壓力和功率是基本穩(wěn)定的，可以保證正常運(yùn)行。而喘振發(fā)生時(shí)，因流量、壓力和功率的大幅度脈動(dòng)，無法維持正常運(yùn)行。

d)失速發(fā)生時(shí)，其風(fēng)機(jī)特性曲線可以測(cè)得。但喘振時(shí)，因工況脈動(dòng)，無法進(jìn)行正常的測(cè)量。

e)喘振僅僅發(fā)生在風(fēng)機(jī)特性曲線中峰值點(diǎn)以左的坡度區(qū)段，其壓力降低是失速造成的。而失速現(xiàn)象存在于峰值點(diǎn)以左的整個(gè)區(qū)段。

失速和喘振是密切相關(guān)的，但又有著本質(zhì)的區(qū)別。沒有失速必然沒有喘振，有失速不一定有喘振，有喘振則必然有失速。

2 失速與喘振的發(fā)生原因

失速與喘振的發(fā)生是風(fēng)機(jī)運(yùn)行中的常見問題，對(duì)它產(chǎn)生原因的總結(jié)和分析具有現(xiàn)實(shí)意義。某電廠所發(fā)生的案例具有代表性，在此基礎(chǔ)上，對(duì)易引起失速與喘振的原因進(jìn)行了分類比較。風(fēng)機(jī)失速與喘振的原因分析及處理過程見表1。

表1 風(fēng)機(jī)失速與喘振的原因分析及處理過程

從表1可以看出，引起失速與喘振的原因多集中在擋板誤動(dòng)、控制系統(tǒng)故障、事故情況下的處理等方面，其根本原因還是系統(tǒng)中風(fēng)道阻力增大，風(fēng)機(jī)出口壓力突增，使風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況點(diǎn)進(jìn)入失速區(qū)。保持風(fēng)機(jī)出口風(fēng)壓的穩(wěn)定，避免出口壓力的偏高或劇增，是防止風(fēng)機(jī)失速及喘振發(fā)生的有效措施。

3 事故實(shí)例分析

某電廠現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際所發(fā)生的失速與喘振，多集中在2臺(tái)風(fēng)機(jī)并列運(yùn)行中，表現(xiàn)為1臺(tái)風(fēng)機(jī)電流或流量上升，另1臺(tái)風(fēng)機(jī)電流或流量下降，這也就是“搶風(fēng)”現(xiàn)象。

3.1 運(yùn)行狀態(tài)

事故前運(yùn)行參數(shù)為鍋爐負(fù)荷495 MW，A、B一次風(fēng)機(jī)電流108A，動(dòng)葉開度58%，一次風(fēng)壓8.65kPa，總一次風(fēng)量400 t/h，煤量245 t/h。

3.2 事故經(jīng)過

機(jī)組在自動(dòng)發(fā)電控制AGC(Automatic Generation Control)自動(dòng)協(xié)調(diào)投入模式下，負(fù)荷升降速率12 MW/min，根據(jù)中調(diào)指令，負(fù)荷大幅度擺動(dòng)調(diào)整，在5 min內(nèi)負(fù)荷指令由495 MW↘450 MW→475 MW↗495 MW，在負(fù)荷反復(fù)的升降過程中，因?yàn)閰f(xié)調(diào)對(duì)煤量的過調(diào)影響。煤量大幅變化由245t/h↘208 t/h↗244 t/h。在負(fù)荷的變化過程中，2臺(tái)一次風(fēng)機(jī)動(dòng)葉開度隨之變化，一次風(fēng)機(jī)出力相應(yīng)改變，A一次風(fēng)機(jī)出力由197 t/h↘171 t/h，B一次風(fēng)機(jī)由214 t/h↗257 t/h，風(fēng)機(jī)出口壓力分別為9.10 kPa和9.35 kPa。A一次風(fēng)機(jī)出口壓力波動(dòng)后突然電流減小至92 A，B一次風(fēng)機(jī)出口壓力波動(dòng)后突然電流增加到139 A，此時(shí)判斷A一次風(fēng)機(jī)發(fā)生失速，并列運(yùn)行的一次風(fēng)機(jī)發(fā)生搶風(fēng)，表現(xiàn)為一次風(fēng)母管壓力降低，在自動(dòng)模式下，2臺(tái)一次風(fēng)機(jī)的動(dòng)葉開大直至全開。運(yùn)行人員迅速將動(dòng)葉自動(dòng)解為手動(dòng)，降鍋爐負(fù)荷，減小動(dòng)葉開度，將失速風(fēng)機(jī)恢復(fù)到穩(wěn)定參數(shù)后重新投入一次風(fēng)機(jī)動(dòng)葉自動(dòng)控制。

3.3 原因分析

主要原因是因?yàn)樨?fù)荷的大幅調(diào)整波動(dòng)造成各臺(tái)磨的運(yùn)行煤量相應(yīng)大幅擺動(dòng)。在煤量的增減變化中，一次風(fēng)機(jī)動(dòng)葉的調(diào)節(jié)相對(duì)滯后，通風(fēng)量沒有及時(shí)跟上，風(fēng)煙管道中的系統(tǒng)阻力增大，造成通流受阻，引起喘振搶風(fēng)現(xiàn)象。

圖1為2臺(tái)性能相同的軸流風(fēng)機(jī)并聯(lián)運(yùn)行的性能曲線。從圖1中可以看出有一∞字型區(qū)域，正常狀態(tài)下，管路系統(tǒng)阻力曲線為系統(tǒng)1，則壓力p1為系統(tǒng)的工作點(diǎn)，此時(shí)每臺(tái)風(fēng)機(jī)都在E1點(diǎn)穩(wěn)定運(yùn)行。當(dāng)風(fēng)煙管道中的系統(tǒng)阻力增大時(shí)，管路系統(tǒng)阻力曲線變成系統(tǒng)2，風(fēng)機(jī)進(jìn)入∞字型工作區(qū)域內(nèi)運(yùn)行，此時(shí)壓力p2為系統(tǒng)的工作點(diǎn)，2臺(tái)風(fēng)機(jī)分別位于E2a和E2點(diǎn)工作。這時(shí)，大流量的風(fēng)機(jī)在穩(wěn)定區(qū)工作，小流量的風(fēng)機(jī)則在不穩(wěn)定區(qū)運(yùn)行，2臺(tái)風(fēng)機(jī)的平衡狀態(tài)被破壞掉，就出現(xiàn)了搶風(fēng)現(xiàn)象。

圖1 Q—p曲線

4 結(jié)束語

軸流風(fēng)機(jī)在運(yùn)行中所發(fā)生的失速及喘振，通過相應(yīng)的技術(shù)改進(jìn)措施如加強(qiáng)空氣預(yù)熱器吹灰、保持風(fēng)機(jī)出力平衡等，是能夠有效避免的。一旦發(fā)生風(fēng)機(jī)失速，應(yīng)迅速關(guān)小失速風(fēng)機(jī)的動(dòng)葉，相應(yīng)關(guān)小未失速風(fēng)機(jī)的動(dòng)葉，使并聯(lián)運(yùn)行的2臺(tái)風(fēng)機(jī)動(dòng)葉開度、電流相接近，這是使風(fēng)機(jī)快速脫離失速工況的解決辦法。隨著軸流風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)制造技術(shù)的不斷提高，它必將在電廠運(yùn)行中發(fā)揮更大的作用。

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