電站軸流風(fēng)機失速綜述及對策

張勁劉俊偉肖先奎/成都電力機械廠

電站軸流風(fēng)機失速綜述及對策

張勁劉俊偉肖先奎/成都電力機械廠

對電站軸流風(fēng)機的失速機理進行了詳細介紹，總結(jié)出電站軸流風(fēng)機在實際使用中各類失速的表現(xiàn)形式、原因及預(yù)防應(yīng)對措施，為分析處理電站軸流風(fēng)機失速問題提供參考。

軸流風(fēng)機；空氣動力特性；失速；沖角；監(jiān)測；管網(wǎng)曲線

0 引言

隨著火電機組容量的不斷大型化及追求高效，軸流風(fēng)機因其低負荷區(qū)域效率較高、調(diào)節(jié)范圍寬廣、反應(yīng)速度快等優(yōu)點而成為引、送、一次風(fēng)機的首選。但軸流風(fēng)機存在不穩(wěn)定區(qū)的缺陷導(dǎo)致失速問題時有發(fā)生，給電廠的穩(wěn)定運行帶來諸多隱患。由于風(fēng)機失速的表現(xiàn)形式多樣，靜葉調(diào)節(jié)軸流風(fēng)機與動葉調(diào)節(jié)軸流風(fēng)機調(diào)節(jié)方式存在差異，再加上失速報警監(jiān)測系統(tǒng)可能出現(xiàn)誤報等情形，錯綜復(fù)雜的情況給電廠生產(chǎn)運行人員判斷和處理失速帶來諸多困惑，為此本文就風(fēng)機失速進行分析和總結(jié)，給生產(chǎn)運行人員及時采取正確的處理措施，避免設(shè)備損壞等事故的發(fā)生提供參考[1-2]。

1 葉片的空氣動力特性

電站軸流風(fēng)機葉片通常均為機翼型，實際流體在流過機翼時，由于附面層的影響，改變了葉型上下表面的速度分布，使葉型上表面速度增加，下表面速度減小，因而產(chǎn)生了一個向上的升力。在產(chǎn)生升力的同時，也產(chǎn)生了阻力，葉片升力和阻力的特性即是葉片的空氣動力特性[3]。

依據(jù)實驗，對于確定的葉柵，其葉型的升力系數(shù)Cy、阻力系數(shù)Cx與沖角α的相互關(guān)系見圖1，當(dāng)α＜αmax時，Cy隨α的增大而升高，在α達到最大值αmax時，Cy達到最大，此時風(fēng)機的風(fēng)壓亦達到性能曲線的最大值，α繼續(xù)增加，Cy將迅速降低而Cx將急劇上升，此時氣流離開葉片吸力面發(fā)生附面層分離，按儒考夫斯基理論，風(fēng)機的升壓py=ρCybWm2/2。

圖1 葉片空氣動力特性圖

式中：ρ為介質(zhì)密度；Cy為升力系數(shù)，決定于動葉葉型及氣流沖角；b為葉片弦長；Wm為相對于動葉的平均氣流速度，它與翼弦形成的夾角稱為沖角。

2 失速定義、產(chǎn)生機理、過程及現(xiàn)象[4-5]

2.1 失速的定義

風(fēng)機在運行時產(chǎn)生的全壓升高到其特性曲線的頂點后，若管網(wǎng)阻力再增大，風(fēng)機的全壓將會突然下降，這種現(xiàn)象稱為風(fēng)機失速。

2.2 失速產(chǎn)生機理

風(fēng)機運行時，動葉葉型固定不變，即葉片弦長b是確定不變的，且特定工況下介質(zhì)密度不變，升力系數(shù)Cy與沖角α的關(guān)系曲線也是確定的，在轉(zhuǎn)速和安裝角一定時，風(fēng)機的壓力僅與Cy、Wm相關(guān)。

在系統(tǒng)阻力增大時，風(fēng)機的風(fēng)量減小，氣流速度由c減小為c'，葉輪的周向速度不變，u等于u'，則沖角α相應(yīng)增大為α'，變化的速度三角形見圖2。當(dāng)沖角達到最大值αmax時，若風(fēng)量繼續(xù)減小，則葉片背面流動工況開始惡化，邊界層受到破壞，葉片背面尾端出現(xiàn)渦流區(qū)，升力系數(shù)下降而阻力系數(shù)上升，出力急劇降低，風(fēng)機即出現(xiàn)失速。沖角大于臨界值越多，失速現(xiàn)象越嚴重。

圖2 風(fēng)量變化時的速度三角形圖

2.3 失速過程及現(xiàn)象

實際運行中的風(fēng)機，由于各種原因使葉片不可能具有完全相同的形狀和安裝角，因此各個葉片進口的沖角不可能完全相同。如果某一葉片進口處的沖角達到臨界值，則首先在該葉片上發(fā)生失速，而不會所有葉片都同時發(fā)生失速。如圖3所示，假設(shè)葉片2，3，4間的葉道由于失速出現(xiàn)氣流阻塞現(xiàn)象，通過的流量減少，在該葉道前形成低速停滯區(qū)，于是氣流分流進入兩側(cè)通道12和45，從而改變了原來的氣流方向，使流入葉道12的氣流沖角減小，而流入葉道45的沖角增大。其結(jié)果使葉道12繞流情況有所改善，失速的可能性減小，甚至消失；葉道45內(nèi)部卻因沖角增大而促使發(fā)生失速。這種現(xiàn)象繼續(xù)進行下去，使堵塞區(qū)沿著與葉輪旋轉(zhuǎn)相反的方向推進，即產(chǎn)生所謂的“旋轉(zhuǎn)失速”現(xiàn)象。風(fēng)機進入到不穩(wěn)定工況區(qū)運行，葉輪內(nèi)將產(chǎn)生一個到數(shù)個旋轉(zhuǎn)失速區(qū)。葉片每經(jīng)過一次失速區(qū)就會受到一次激振力的作用，從而可能與葉片產(chǎn)生共振，而氣流分離產(chǎn)生的旋渦，將導(dǎo)致風(fēng)機噪聲變化，風(fēng)量、風(fēng)壓及配套電機電流降低，風(fēng)機振動值增加。

圖3 風(fēng)機失速過程及現(xiàn)象圖

3 影響沖角大小的因素

在定轉(zhuǎn)速運行時，葉片周向速度u為一定值，則影響葉片沖角大小的因素就是氣流速度與葉片開度角。

由圖2可以看出：當(dāng)葉片開度一定時，如果流速c越小，沖角α就越大，產(chǎn)生失速的可能性也就越大。

由圖4可以看出：當(dāng)風(fēng)量一定時，則流速c不變，如果葉片角度越小，則沖角α也越??；當(dāng)流速c很小時，只要葉片角度很小，則沖角α也很小。因此，當(dāng)風(fēng)機剛啟動或低負荷運行時，風(fēng)機失速的可能性大大減小甚至消失。

圖4 動調(diào)風(fēng)機開度變化時的速度三角形圖

對于靜調(diào)風(fēng)機，葉輪葉片的角度固定不變，進口氣流角的改變是通過調(diào)節(jié)進口靜葉開度以改變進口氣流的方向，如圖5所示，在軸向速度不發(fā)生變化的情況下，減小進口靜葉開度，沖角將減小，這與動調(diào)風(fēng)機開度變化時的規(guī)律一致。

圖5 靜調(diào)風(fēng)機開度變化時的速度三角形圖

4 風(fēng)機在管網(wǎng)中的運行

4.1 運行工況點的確定

風(fēng)機在管網(wǎng)中運行時，風(fēng)機風(fēng)量等于管網(wǎng)通過的風(fēng)量，產(chǎn)生的壓力與管網(wǎng)阻力損失相等，則風(fēng)機能穩(wěn)定的工作[6]。圖6中，R為系統(tǒng)阻力線，在負荷點沿阻力線R由1→2→3過程中，逐漸增大風(fēng)機的開度，風(fēng)機的流量、壓力增加，與管網(wǎng)風(fēng)量、壓力達到平衡，如此形成每一個負荷下對應(yīng)的風(fēng)機工作點。

圖6 風(fēng)機運行工況點的確定圖

4.2 風(fēng)機并聯(lián)[7-8]

圖7、圖8中，b-c線為風(fēng)機某一開度的正常運行區(qū)，a-b線為該開度下的失速線，0-1-6-7線為系統(tǒng)阻力線，0-2線為風(fēng)機運行曲線。

若兩臺風(fēng)機同時啟動，則兩臺風(fēng)機工作點沿著0-2線同步到達點2，兩臺風(fēng)機順利并聯(lián)。

若第一臺風(fēng)機（簡稱A風(fēng)機）先啟動，b-c線為此時風(fēng)機的運行開度，其工作點為點1，此時啟動第二臺風(fēng)機（簡稱B風(fēng)機），在風(fēng)機達到全速后系統(tǒng)擋板稍微開啟一點，點4將是B風(fēng)機的工作點。

若此時進一步開啟B風(fēng)機的擋板，其運行點沿著4-3-2線移動，A風(fēng)機運行點沿著1-5-2線移動。在B風(fēng)機運行點到達點3時，A運行點同步到達點5，進一步增大B風(fēng)機的擋板，A風(fēng)機運行點沿著5-2線移動，由于兩臺風(fēng)機必須在相同壓力下運行，則B風(fēng)機工作點將沿3-8-a線移動。在A風(fēng)機運行點到達點2時，B風(fēng)機工作點同步到達點8。很明顯，這種方式并聯(lián)的兩臺風(fēng)機，其總風(fēng)量不能滿足系統(tǒng)在點7時的風(fēng)量需求，B風(fēng)機處于失速狀態(tài)，如圖7所示。

圖7 兩臺風(fēng)機并聯(lián)不當(dāng)圖

為滿足系統(tǒng)在點7的風(fēng)量需求，則需盡量減小先運行風(fēng)機的開度,使B風(fēng)機起始工作點4變?yōu)?'，并沿4'-2'線移動，而A風(fēng)機工作點沿1'-2'線移動，在兩臺風(fēng)機運行點均到達點2'時，再同步調(diào)整兩臺風(fēng)機工作點到點2，滿足系統(tǒng)在點7的風(fēng)量需求,如圖8所示。

圖8 兩臺風(fēng)機順利并聯(lián)圖

動葉可調(diào)軸流風(fēng)機雖然并聯(lián)相對容易，但圖7和圖8所述情況同樣適用。

4.3 風(fēng)機的失速裕度

為保證在管網(wǎng)阻力稍有波動或變化時風(fēng)機仍能穩(wěn)定運行，風(fēng)機選型時應(yīng)留有足夠的失速裕度，其值k由設(shè)計工況點和該開度下的失速點的風(fēng)量、風(fēng)壓按公式k=pk/p·(q/qk)2求出，并要求k＞1.3。各參數(shù)的定義如圖9所示。

圖9 失速裕度參數(shù)定義圖

5 風(fēng)機的失速監(jiān)測

失速監(jiān)測裝置如圖10所示（以德國KKK技術(shù)為例），裝置包括兩個探針和一個差壓開關(guān)，探針沿葉片旋轉(zhuǎn)方向靠背布置在葉片進口前端，一個探針正對葉輪旋轉(zhuǎn)方向，測得的壓力高，接至差壓開關(guān)的高壓端，另一個探針背對葉輪旋轉(zhuǎn)方向，測得的壓力低，接至差壓開關(guān)的低壓端。正常運行時，氣流沿軸向流動，兩個探針測得的壓差信號很小，進入失速區(qū)后，由于失速區(qū)沿葉輪旋轉(zhuǎn)方向的推進，使得氣流沿旋轉(zhuǎn)方向存在速度分量，正對葉輪旋轉(zhuǎn)方向的探針測得的壓力信號將急劇上升，背對葉輪旋轉(zhuǎn)方向的探針測得的壓力信號將減小，兩個探針的壓差增大，超過差壓開關(guān)的設(shè)定值后即輸出信號,從而實現(xiàn)報警，達到監(jiān)測的目的。

圖10 失速報警監(jiān)測示意圖

6 風(fēng)機失速甄別和失速的預(yù)防處理

6.1 失速甄別

在系統(tǒng)相對穩(wěn)定的情況下，若出現(xiàn)以下一些特征，則風(fēng)機出現(xiàn)失速：

1）風(fēng)機正常調(diào)整過程中，電流和壓力大幅度變化；

2）并聯(lián)運行的風(fēng)機，未進行開度調(diào)節(jié)，其中一臺風(fēng)機的電流、壓力大幅度降低；

3）并聯(lián)運行的風(fēng)機，未進行開度調(diào)節(jié)，電流出現(xiàn)較大差異的變化，且調(diào)整電流小的風(fēng)機開度，其出力改變很小。

同時，風(fēng)機的振動和噪聲均較正常運行時偏高,且噪聲音調(diào)偏低，顯得沉悶。

6.2 常見表現(xiàn)形式及排除方法

風(fēng)機失速時表現(xiàn)形式較多，按處理措施由易到難的大致順序見表1[9]。

表1 失速常見表現(xiàn)形式、誘因及排除方法表

6.3 運行中失速的處理[10-12]

處理失速的方法本質(zhì)是使氣流相對葉片的氣流沖角減小，消除葉片尾部渦流，恢復(fù)繞流，運行中出現(xiàn)失速時，應(yīng)進行如下處理：

1）檢查和確認系統(tǒng)設(shè)備是否存在局部阻力異常情況，如各擋板的開度是否全部打開，暖風(fēng)器、空預(yù)器等是否堵塞等；檢查系統(tǒng)控制參數(shù)是否異常，如過高的氧量，增壓風(fēng)機進口過高的負壓等；

2）快速降低機組負荷，減小風(fēng)機的運行開度（條件允許時可將風(fēng)機自動控制解除，進行手動調(diào)節(jié)，以避免兩臺風(fēng)機的頻繁搶風(fēng)），直至風(fēng)機恢復(fù)正常；

3）若較長時間內(nèi)仍不能消除風(fēng)機失速狀態(tài)，則需停機檢查。

6.4 失速預(yù)防[13-16]

為防患于未然，需做好以下相關(guān)措施：

1）足夠的失速裕度

選型設(shè)計時，嚴格按照標準進行失速裕度計算，確保每一工況點的失速裕度達到大于1.3的要求。

2）精確的制造質(zhì)量

對葉片型線、葉片頂部與機殼間的間隙等的制造精確控制，避免個別葉片因型線差異、過大間隙導(dǎo)致風(fēng)機出力降低等誘導(dǎo)失速。

3）良好的安裝狀態(tài)

確保風(fēng)機各定位機構(gòu)、動葉片角度、調(diào)節(jié)機構(gòu)等的一致性、同步性，避免風(fēng)機出力差異導(dǎo)致失速。

4）可靠的監(jiān)測措施

確保失速報警監(jiān)測裝置的設(shè)備、壓力信號檢測、傳輸通道、電信號輸出通道、整定值等均處于可靠狀態(tài)，為失速的判斷和處理提供依據(jù)。

5）合理的運行調(diào)控措施

鍋爐系統(tǒng)應(yīng)盡量維持在設(shè)計狀態(tài)下運行，避免風(fēng)量、風(fēng)壓及排煙溫度等大幅偏離設(shè)計參數(shù)；并聯(lián)運行的風(fēng)機開度、電流盡量一致，避免過快調(diào)節(jié)風(fēng)機開度。

6）完善的維護措施

在日常維護時，對系統(tǒng)內(nèi)如送風(fēng)機、一次風(fēng)機的進口消聲器，出口暖風(fēng)器以及空預(yù)器等易于堵塞的設(shè)備進行重點維護，北方地區(qū)還應(yīng)注意結(jié)冰、低溫腐蝕，大風(fēng)后則應(yīng)注意楊絮、柳絮和塑料膜等堵塞設(shè)備。

7 結(jié)論

電站軸流風(fēng)機失速特征多種多樣，原因錯綜復(fù)雜，有時一個失速問題可能存在多個原因，在處理完其中一項之后仍然存在失速的問題，因此以上總結(jié)的一些失速特征、處理措施不能涵蓋所有失速現(xiàn)象，但只要弄清失速機理、監(jiān)測方法、風(fēng)機運行調(diào)節(jié)機制，并對風(fēng)機性能、系統(tǒng)特性認真分析，那么失速問題將不再會是困擾電廠的一大難題，如此亦達到本文的目的。

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Overview and Solution for the Sta ll o f AxialFlow Fan in PowerUnit

Zhang Jin,Liu Junwei,Xiao Xiankui/ Chengdu PowerMachineryWorks

The mechanism of stall of axial flow fan for power unit is introduced in detail.The reason,the expressions and precautions for the stall occurred in the actual operation of axial flow fan for power unit are summarized in this paper.It has provided reference for analyzing and treating the stallproblem in axial flow fan.

axial flow fan;air dynamic characteristics;stall;inlet flow angle; monitoring；network curve

TM315；TK05

A

1006-8155（2015）04-0084-06

10.16492/j.fjjs.2015.04.152

2014-12-09四川成都610045