軸流風(fēng)機(jī)失速與喘振

王明星

湛江中粵能源有限公司調(diào)順電廠

概述

火力發(fā)電廠軸流風(fēng)機(jī)具有駝峰形曲線這一特點，決定了風(fēng)機(jī)存在不穩(wěn)定區(qū)。風(fēng)機(jī)并不是在任何工作點都能穩(wěn)定運行，當(dāng)風(fēng)機(jī)工作點移至不穩(wěn)定區(qū)時就可能引發(fā)失速及喘振。

圖1 葉片失速原理圖

1 軸流風(fēng)機(jī)的失速與喘振現(xiàn)象

1.1 失速現(xiàn)象和原理

當(dāng)風(fēng)機(jī)動葉開度在某個位置不變時，在工作區(qū)域內(nèi)，出口壓力隨流量的減小而增加，當(dāng)流量減小到某一值時壓力達(dá)到最大、當(dāng)流量進(jìn)一步減小時，風(fēng)機(jī)壓力和運行電流突然降低，振動和噪音增大這一現(xiàn)象稱為風(fēng)機(jī)失速。風(fēng)機(jī)失速后有兩種表現(xiàn)，一是風(fēng)機(jī)仍能穩(wěn)定運行，即壓力、風(fēng)量、電流參數(shù)平穩(wěn)，但噪音增加，風(fēng)機(jī)全壓稍下降并承小幅度脈動，風(fēng)機(jī)振動比正常運行高，這種現(xiàn)象稱為旋轉(zhuǎn)失速。一是風(fēng)機(jī)壓力、風(fēng)量、電流大幅度波動，噪音異常增大，風(fēng)機(jī)不能穩(wěn)定運行，風(fēng)道設(shè)備可能很快遭受損壞，這種現(xiàn)象稱為喘振。

1.1.1 軸流風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)失速

風(fēng)機(jī)葉片不可能有完全相同的形狀和安裝角。因此失速現(xiàn)象并不是所有葉片同時發(fā)生，而是首先在一個或幾個葉片出現(xiàn)。若在葉道2中出現(xiàn)脫流，葉道由于受脫流區(qū)的排擠變窄，流量減小，氣流分別進(jìn)入相鄰的1、3葉道，使1、3葉道的氣流方向改變。使流入葉道1的氣流沖角減小，葉道1保持正常流動；葉道3的沖角增大，加劇了脫流和阻塞。葉道3的阻塞同理又影響相鄰葉道2和4的氣流，使葉道2消除脫流，同時引發(fā)葉道4出現(xiàn)脫流。因此脫流區(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。

1.1.2 影響沖角a 大小的因素

風(fēng)機(jī)定速運行，即葉片周向線速度u可以看作是一定值，影響葉片沖角大小的因素就是氣流速度c與葉片的安裝角b。當(dāng)葉片安裝角b一定，如果氣流速度c越小，則沖角a就越大，產(chǎn)生失速的可能性越大。當(dāng)氣流速度c一定時，如果葉片安裝角b減小，則沖角a也減小，因此，當(dāng)風(fēng)機(jī)低負(fù)荷運行時，失速可能性將會減小。對于動葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)，當(dāng)風(fēng)機(jī)發(fā)生失速時，關(guān)小失速風(fēng)機(jī)的動葉角度，可以減小氣流的沖角，從而使風(fēng)機(jī)逐步擺脫失速狀態(tài)。對于葉片高度方向，線速度u沿葉片高度方向逐漸增大，在氣流速度c一定的情況下，沖角a會隨著葉片高度方向逐漸增大，在葉頂區(qū)域形成旋轉(zhuǎn)失速。故葉片安裝角b隨著葉片高度的方向逐漸減小，可以避免因葉高引起的旋轉(zhuǎn)失速，風(fēng)機(jī)扭曲葉片即基于這個道理。

1.2 失速的危害

失速導(dǎo)致風(fēng)機(jī)損壞，由于旋轉(zhuǎn)失速使風(fēng)機(jī)各葉片受到周期性力作用，若風(fēng)機(jī)在失速區(qū)內(nèi)運行相當(dāng)長時間，會造成葉片斷裂，葉輪的其它部件也會受到損害。

失速導(dǎo)致喘振，若管道系統(tǒng)容積與阻力適當(dāng)，在風(fēng)機(jī)發(fā)生失速壓力降低時，出口管道內(nèi)的壓力會高于風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的壓力而使氣流發(fā)生倒流，管道內(nèi)壓力迅速降低，風(fēng)機(jī)又向管道輸送氣體，但因流量小風(fēng)機(jī)又失速，氣流又倒流。這種現(xiàn)象循環(huán)發(fā)生，稱為喘振。伴隨喘振的發(fā)生，風(fēng)機(jī)參數(shù)也大幅度波動，振動劇烈?？稍诤芏虝r間內(nèi)損壞風(fēng)機(jī)，必須立即停止風(fēng)機(jī)運行。

失速造成并列運行風(fēng)機(jī)間相互“搶風(fēng)”，兩臺并列運行的風(fēng)機(jī)中的一臺發(fā)生失速后，兩臺風(fēng)機(jī)間可能出現(xiàn)相互“搶風(fēng)”現(xiàn)象而無法并列運行；或雖兩臺風(fēng)機(jī)能并列運行，但兩臺風(fēng)機(jī)的總出力可能達(dá)不到需要而影響其帶負(fù)荷能力。

1.3 軸流風(fēng)機(jī)喘振概述

軸流風(fēng)機(jī)性能曲線左半部，存在一個馬鞍形區(qū)域，在此區(qū)域運行時有時會出現(xiàn)風(fēng)機(jī)參數(shù)大幅波動，風(fēng)機(jī)及通道產(chǎn)生強(qiáng)烈振動、噪聲顯著增大等不正常工況，這一不穩(wěn)定工作區(qū)稱為喘振區(qū)。喘振是不穩(wěn)定工作區(qū)內(nèi)可能遇到的現(xiàn)象，而旋轉(zhuǎn)失速在該區(qū)域內(nèi)是必然出現(xiàn)的。

1.3.1 軸流風(fēng)機(jī)喘振原理

風(fēng)機(jī)在曲線右側(cè)下降部分工作穩(wěn)定，一直到工作點K。但當(dāng)風(fēng)機(jī)負(fù)荷降到低于Qk時，進(jìn)入不穩(wěn)定區(qū)。只要有擾動使管路壓力升高，則由于風(fēng)機(jī)流量大于管路流量（Qk＞QG），管路工作點向右移動至A點，當(dāng)管路壓力PA超過風(fēng)機(jī)正向輸送的最大壓力Pk時，風(fēng)機(jī)工作點立即變到B點（A、B點等壓），風(fēng)機(jī)抵抗管路壓力產(chǎn)生的倒流而做功。此時，管路中的氣體向兩個方向輸送，一是供給負(fù)荷需要，一是倒送給風(fēng)機(jī)，故管路壓力迅速降低。至D點（C、D點等壓）時停止倒流。但由于風(fēng)機(jī)的流量仍小于管路流量，QC＜QD，所以管路壓力仍下降至E點，風(fēng)機(jī)的工作點將瞬間跳到F點（E、F點等壓），此時風(fēng)機(jī)輸出流量為QF。由于QF大于管路的輸出流量，此時管路風(fēng)壓轉(zhuǎn)而升高，風(fēng)機(jī)的工作點又移到K點。上述過程重復(fù)進(jìn)行，就形成了風(fēng)機(jī)喘振，風(fēng)機(jī)流量在QB～QF范圍內(nèi)變化，而管路輸出流量只在少得多的QE～ QA間變動。

圖2 軸流風(fēng)機(jī)喘振P-Q圖

1.3.2 失速與喘振的區(qū)別及聯(lián)系

風(fēng)機(jī)失速與喘振都發(fā)生在P-Q曲線左側(cè)不穩(wěn)定區(qū)。失速發(fā)生在P-Q曲線峰值K以左的整個不穩(wěn)定區(qū)，喘振只發(fā)生在P-Q曲線向右上方傾斜部分,其壓力降低是失速造成的。失速的發(fā)生取決于葉片內(nèi)部，包括葉輪、葉片結(jié)構(gòu)、進(jìn)入葉輪的氣流等，與風(fēng)道系統(tǒng)容量、形狀等無關(guān)。失速發(fā)生時，盡管葉輪附近的工況有波動，但風(fēng)機(jī)流量、壓力和功率基本平穩(wěn)，風(fēng)機(jī)可以繼續(xù)運行。但發(fā)生喘振時，風(fēng)機(jī)流量、壓力和電流產(chǎn)生大幅度波動，同時伴有明顯噪聲，振動很劇烈，損壞風(fēng)機(jī)與管道系統(tǒng)，風(fēng)機(jī)無法正常運行。

2 失速報警裝置

圖3 調(diào)順電廠送風(fēng)機(jī)失速報警布置

我廠失速探頭由兩根相隔約3mm的測壓管組成，位于葉片進(jìn)口前。測壓管中間用隔片分開，風(fēng)機(jī)運行時，葉輪進(jìn)口氣流均勻地從進(jìn)氣室沿軸向流入，探頭間的壓力差微負(fù)。當(dāng)風(fēng)機(jī)工作點進(jìn)入旋轉(zhuǎn)失速區(qū)，葉輪前的氣流除軸向流動之外，還有失速區(qū)流道阻塞氣流所形成的圓周方向分量。葉輪旋轉(zhuǎn)時先遇到的測壓孔，即隔片前的測壓孔壓力高，而隔片后的測壓孔壓力低，產(chǎn)生失速壓差，我廠一次風(fēng)機(jī)失速探針為通徑6mm，失速保護(hù)差壓定值為200Pa。送引風(fēng)機(jī)、增壓風(fēng)機(jī)失速探針為通徑10mm，失速保護(hù)差壓定值為500Pa。

3 調(diào)順電廠一次風(fēng)機(jī)失速案例

3.1 失速過程

2013年3月23日，#1機(jī)組運行中，一次風(fēng)機(jī)B發(fā)失速信號，經(jīng)快速減負(fù)荷，降低風(fēng)機(jī)出力后，報警消失，報警最長持續(xù)時間為50s（設(shè)計為延時100s跳閘），過程如下：

圖4 #1機(jī)一次風(fēng)機(jī)B失速曲線

10:45:00機(jī)組負(fù)荷增至550MW，一次風(fēng)機(jī)出口10.93kpa

10:58:15一次風(fēng)機(jī)B發(fā)失速信號，一次風(fēng)機(jī)B失速壓力信號跳增至539pa。一次風(fēng)機(jī)動葉由69.35%自動減至55.45%，一次風(fēng)機(jī)B電流由120A降至72A。一次風(fēng)壓由10.95kpa快降至6.19kpa。一次風(fēng)壓低報警發(fā)出，多臺磨入口風(fēng)量低報警信號發(fā)出。E磨入口總風(fēng)量由135km3/h降至24km3/h，B磨入口總風(fēng)量由136km3/h降至45km3/h，爐膛壓力降至-1014pa，增壓風(fēng)機(jī)入口負(fù)壓降至-1352pa。

10:59:05一次風(fēng)機(jī)動葉減至50%，風(fēng)壓恢復(fù)至9.8kpa。一次風(fēng)機(jī)B失速信號消失。

10:59:25煤量由230t/h增至240t/h，機(jī)組負(fù)荷降至538MW。

10:59:31調(diào)整一次風(fēng)機(jī)壓力正常，觀察爐膛壓力振蕩回復(fù)中。

3.2 失速原因分析

年后#1爐空預(yù)器B壓差持續(xù)增大，滿負(fù)荷時達(dá)到2800pa（#2爐壓差約為1600pa），對各風(fēng)機(jī)都存在堵風(fēng)現(xiàn)象，均具有失速危險性，3月23日運行中，機(jī)組接近滿負(fù)荷運行，熱一次風(fēng)母管壓力偏低，故一次風(fēng)機(jī)動葉開大，出口風(fēng)壓比正常稍高，由于E磨折算后一次風(fēng)量不準(zhǔn)，冷熱風(fēng)門逐漸關(guān)小，最低均關(guān)至50%以下，一次風(fēng)機(jī)出口壓力進(jìn)一步升高，導(dǎo)致一次風(fēng)機(jī)B首先失速，失速瞬間差壓報警，一次風(fēng)壓突降，此時燃燒惡化，鍋爐各參數(shù)擺動，而本廠針對一次風(fēng)機(jī)特別設(shè)置了失速自動關(guān)動葉的邏輯，故兩臺一次風(fēng)機(jī)開始自動關(guān)小動葉，從上面曲線看出連續(xù)動作四次，另外由于各臺磨機(jī)風(fēng)量下降，冷熱風(fēng)門均同時開大，使系統(tǒng)阻力減小，最終失速現(xiàn)象消失，風(fēng)壓恢復(fù)。

4 運行中如何判斷風(fēng)機(jī)失速

通過以上分析可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)發(fā)生失速時系統(tǒng)幾個顯著現(xiàn)象：

失速風(fēng)機(jī)出口風(fēng)壓下降，出口風(fēng)煙溫度上升；

失速風(fēng)機(jī)軸承振動上升；

失速風(fēng)機(jī)電流下降，并伴隨波動；

就地檢查風(fēng)機(jī)有異聲，外殼溫度上升，振動加??；

CRT畫面風(fēng)機(jī)失速差壓表顯示增大，達(dá)到報警值。

5 失速的預(yù)防和處理

a、運行人員應(yīng)了解風(fēng)機(jī)所在系統(tǒng)的阻力構(gòu)成，特別是阻力較大又易于堵塞的設(shè)備，如空預(yù)器、脫銷裝置的阻力范圍。若這些設(shè)備阻力超出了范圍可能導(dǎo)致風(fēng)機(jī)失速時，應(yīng)限制負(fù)荷，控制風(fēng)機(jī)的出力，并及時加強(qiáng)吹灰減小堵塞程度；

b、運行人員應(yīng)了解風(fēng)機(jī)動葉對應(yīng)開度的風(fēng)機(jī)流量范圍，即從正常流量到該角度下失速流量之間允許變化。操作其它設(shè)備時，避免瞬時流量減小過大，引起風(fēng)機(jī)失速；

c、對失速差壓報警裝置應(yīng)足夠重視，其差壓波動開始增大時應(yīng)及時調(diào)整；

d、高負(fù)荷時對風(fēng)煙系統(tǒng)操作，包括磨煤機(jī)啟停應(yīng)平緩進(jìn)行，防止突變；

e、發(fā)出失速報警信號后，首先核對失速差壓報警和風(fēng)機(jī)參數(shù)變化，判斷哪臺風(fēng)機(jī)失速；

f、由理論分析得知，風(fēng)機(jī)失速時其動葉開度是足夠支撐其正常出口壓力的，所以應(yīng)堅決快速的關(guān)小風(fēng)機(jī)動葉，切不可因為出口壓力降低而繼續(xù)開大動葉，導(dǎo)致喘振加??；

g、發(fā)生失速時，應(yīng)同時減小系統(tǒng)阻力，如一次風(fēng)機(jī)失速應(yīng)開大磨冷熱風(fēng)門，送風(fēng)機(jī)失速應(yīng)開大二次風(fēng)門、風(fēng)煙擋板，引風(fēng)機(jī)失速應(yīng)適當(dāng)增加增壓風(fēng)機(jī)入口負(fù)壓等；

h、適當(dāng)降低負(fù)荷，保證爐膛燃燒穩(wěn)定，調(diào)整水位、氣溫平穩(wěn)；

i、一旦報警發(fā)出，操作應(yīng)快速準(zhǔn)確，防止風(fēng)機(jī)跳閘，擴(kuò)大事故范圍。