600 MW機組引風(fēng)機葉片損壞原因分析以及改進措施

周 朋,劉 偉

(山西兆光發(fā)電有限責(zé)任公司，山西 霍州 031400)

山西兆光電廠2×600 MW燃煤汽輪發(fā)電機組的鍋爐為超臨界參數(shù)變壓直流爐，單爐膛、一次再熱、平衡通風(fēng)、露天布置、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架、全懸吊結(jié)構(gòu)Π型鍋爐。燃燒方式為四角切圓燃燒技術(shù)。鍋爐額定蒸發(fā)量為2 027 t/h，主蒸汽額定壓力為25.4 MPa，主、再熱蒸汽溫度為571 ℃，配備2臺成都電力機械廠生產(chǎn)的HA16248-8Z靜葉可調(diào)軸流式引風(fēng)機，風(fēng)機采用變頻調(diào)速。

2017年7月8日，3#爐B引風(fēng)機發(fā)生葉輪斷裂事故，經(jīng)分析主要原因是3#爐引風(fēng)機自2015年12月超低排放改造更換風(fēng)機以來，發(fā)生引風(fēng)機失速現(xiàn)象為18次，最長時間為17 h左右，導(dǎo)致了風(fēng)機長時間振動超標，葉片出現(xiàn)疲勞裂紋，最終使葉片斷裂。

1 設(shè)備概況

引風(fēng)機采用成都電力機械制造廠的型號為HA16248-8Z的靜葉可調(diào)軸流風(fēng)機，其設(shè)計參數(shù)如表1所示，性能參數(shù)如表2所示，配套電機綜合數(shù)據(jù)如表3所示。變頻器采用HIVERT系列通用變頻器，其設(shè)計參數(shù)如表4所示。

煙氣由爐膛出來，經(jīng)過過熱器、再熱器、省煤器、脫硝反應(yīng)器后進入空氣預(yù)熱器，再經(jīng)電袋除塵器通過2個出口煙道，分別進入2臺引風(fēng)機(在2臺引風(fēng)機入口間設(shè)有聯(lián)通管道)，最后煙道合并進入脫硫系統(tǒng)，通過煙囪排入大氣。

2 引風(fēng)機葉片斷裂事故

2017年7月8日，負荷為355 MW，采用AGC運行方式，4:26發(fā)現(xiàn)3#機組B引風(fēng)機振動逐漸增大，A、B引風(fēng)機以及變頻器電流持續(xù)擺動，瞬間B引風(fēng)機電流由406 A降至0 A，變頻器電流由450 A降至0 A，引風(fēng)機靜葉開度逐漸減小到0%，氧量由5%降至2%，爐膛負壓由-20 Pa增至700 Pa，就地檢查發(fā)現(xiàn)，3#機組B引風(fēng)機的一截葉輪葉片斷裂，如圖1所示。

表1 引風(fēng)機技術(shù)數(shù)據(jù)

表2 引風(fēng)機性能參數(shù)

表3 配套電動機綜合數(shù)據(jù)表(1臺風(fēng)機)

表4 變頻器設(shè)計參數(shù)

3 事故分析

機組超低排放改造完成后，引風(fēng)機多次發(fā)生失速現(xiàn)象，且失速時間比較長，經(jīng)統(tǒng)計為18次，最長時間為17 h左右，使得葉片本身受到較大的動應(yīng)力，造成疲勞損壞，減少了葉片的壽命，導(dǎo)致了風(fēng)機葉片出現(xiàn)疲勞裂紋。在長時間運行下，裂紋不斷產(chǎn)生和擴展，最終導(dǎo)致引風(fēng)機葉片斷裂。

3.1 風(fēng)機失速現(xiàn)象

單臺引風(fēng)機失速，2臺引風(fēng)機發(fā)生搶風(fēng)現(xiàn)象，搶風(fēng)過程中的主要參數(shù)變化曲線如圖2所示，搶風(fēng)始末相關(guān)參數(shù)比較如表5所示。B側(cè)引風(fēng)機變頻器電流和引風(fēng)機電流明顯高于A側(cè)，B側(cè)引風(fēng)機入口壓力高于A側(cè)，在進行兩側(cè)風(fēng)量調(diào)平時，A、B側(cè)發(fā)生往復(fù)的失速現(xiàn)象，需要運行人員配合送風(fēng)機調(diào)整風(fēng)量。

圖1 引風(fēng)機葉片斷裂前后主要參數(shù)曲線

圖2 引風(fēng)機搶風(fēng)發(fā)生過程中主要參數(shù)變化曲線

項目變頻器頻率/Hz變頻器電流/A引風(fēng)機電流/A靜葉開度/%引風(fēng)機入口壓力/kPa前A側(cè)39.237628581-3.1B側(cè)38.638029678-3.2后A側(cè)36.530519576-2.7B側(cè)36.741028675-3.3

3.2 風(fēng)機失速原因

引風(fēng)機失速是由于機組低負荷工況下，煙氣量偏低，煙道阻力偏高，偏離了原先風(fēng)機設(shè)計選型工況。在小流量、大阻力情況下，風(fēng)機運行曲線達到或接近風(fēng)機性能曲線中失速曲線附近，風(fēng)機的運行工況進入不穩(wěn)定工況區(qū)造成的，從圖3可以看出工況點在時速線左側(cè)即進入失速區(qū)間。

風(fēng)機失速的主要原因如下：

1)煙道阻力的變化：①空氣預(yù)熱器阻力增大；②布袋除塵器阻力增大；③脫硫系統(tǒng)啟動漿液循環(huán)泵；④A、B引風(fēng)機才非對稱布置；⑤左右煙氣量偏差大。

2)引風(fēng)機風(fēng)量?。孩僮冾l器頻率低、風(fēng)量小，落入失速區(qū)間；②自動調(diào)節(jié)模式下引風(fēng)機變頻器在運行中存在頻率反饋跳零的現(xiàn)象；③變頻器具有輕載時防止過電壓保護，在負載電流低于264 A時，變頻器需降電壓運行，此時風(fēng)機轉(zhuǎn)入失速區(qū)；④2臺變頻器響應(yīng)不同步；⑤變頻器自身產(chǎn)生電壓、電流諧波畸變。

3)機組負荷波動大時，給煤量、風(fēng)量變化大。

圖3 引風(fēng)機性能曲線及運行工況點

3.2.1 空氣預(yù)熱器阻力變化引起的失速

超低排放的改造增加了煙道的阻力，同時由于使用含灰量、含硫量比較高的煤種，脫硝時氨逃逸生成的硫酸銨鹽，以及空氣預(yù)熱器吹灰疏水不暢等多種原因，隨著運行時間的增加，造成空氣預(yù)熱器阻力升高，導(dǎo)致爐膛內(nèi)部A、B側(cè)煙氣分布不均，在兩側(cè)空氣預(yù)熱器旋轉(zhuǎn)到阻力偏差很大的時候，遇到外部的干擾，使得A、B側(cè)煙道阻力嚴重不均導(dǎo)致?lián)岋L(fēng)，空氣預(yù)熱器阻力變化曲線如圖4所示，阻力統(tǒng)計如表6所示。

圖4 空氣預(yù)熱器阻力(一次風(fēng)側(cè)、送風(fēng)側(cè)、煙氣側(cè))變化曲線

阻力單位一次風(fēng)側(cè)送風(fēng)側(cè)煙氣側(cè)A側(cè)最大值kPa3.80.91.9最小值kPa0.70.21.3B側(cè)最大值kPa2.21.21.1最小值kPa0.80.50.6

3.2.2 煙氣量的偏差引起的失速

不同負荷下屏過后汽溫B側(cè)汽溫比A側(cè)偏大不小于10 ℃，在350 MW時汽溫偏差為30 ℃，同時一級減溫水B側(cè)比A側(cè)多40 t/h左右，如圖5所示。

由于A側(cè)煙道阻力大于B側(cè)，導(dǎo)致了B側(cè)煙氣量偏大，從300 MW到600 MW負荷下，B側(cè)煙氣量比A側(cè)偏大16%～23%，如表7、表8和圖6所示。

3.3 風(fēng)機失速解決方案

3.3.1 煙道阻力的變化

1)空氣預(yù)熱器阻力增大

①合理控制SCR系統(tǒng)的噴氨量，減少氨逃逸率。

圖5 負荷350 MW時A、B側(cè)過熱器屏過后汽溫偏差以及一級減溫水偏差

圖6 420 MW負荷下脫硝入口A、B側(cè)煙氣流速對比

項目單位300 MW350 MW400 MW450 MW500 MW550 MW600 MWA側(cè)萬Nm3/h57596467768187B側(cè)萬Nm3/h727479839297102偏差率%%23 23 21 21 19 18 16

表8 420 MW負荷下脫硝入口截面煙氣流速 m/s

調(diào)整以前兩側(cè)均勻噴氨，由于A、B兩側(cè)煙氣量偏差量在15%～26%，造成了煙氣量較大一側(cè)噴氨量不夠用，而煙氣量較少一側(cè)噴氨量富余，造成氨逃逸增加。通過試驗與計算，進行調(diào)整，把B側(cè)的噴氨量提高，即保持B側(cè)電動總門開度為100%，單側(cè)共24根噴氨管道，平均分配；把A側(cè)電動總門開度調(diào)整為51%，單側(cè)24根噴氨管道從第1根至第12根開度為100%，第13根至第24根開度為60%。

②空氣預(yù)熱器蓄熱片減少

更換中溫段蓄熱包，同時調(diào)整蓄熱包元件盒內(nèi)的蓄熱片數(shù)量，一部分從72片調(diào)整為71片，一部分從71片調(diào)整為70片。更換后，一、二次風(fēng)溫度沒有降低，同時煙氣側(cè)阻力減少15%。

③吹灰器疏水改造

空氣預(yù)熱器疏水母管標高與大氣擴容器疏水相差不大，空氣預(yù)熱器器吹灰疏水時間長，蒸汽帶水，與灰結(jié)合的幾率增加，因此增加一路無壓疏水，直接排地溝。

2)布袋除塵器阻力增大

若發(fā)現(xiàn)電袋除塵差壓大于1.5 kPa，應(yīng)立即加強電袋除塵吹灰，保持A、B兩側(cè)同時吹灰。

3)脫硫系統(tǒng)啟動漿液循環(huán)泵

啟動脫硫漿液循環(huán)泵時，密切監(jiān)視2臺引風(fēng)機的出力，如發(fā)現(xiàn)兩側(cè)電流偏差持續(xù)超過40 A時，應(yīng)及時通過調(diào)整引風(fēng)機靜葉擋板調(diào)整出力，盡量達到平衡。如果效果不明顯時，可以適當調(diào)整2臺引風(fēng)機變頻指令偏置。

3.3.2 引風(fēng)機風(fēng)量小

1)變頻器頻率低、風(fēng)量小

控制變頻器最低頻率，不低于38 Hz，變頻器出力在300 A以上，同時在2臺引風(fēng)機靜葉調(diào)整過程中要保證2臺變頻器電流偏差小于15 A，利用靜葉開度調(diào)整風(fēng)量，如表9所示。

表9 不同負荷下引風(fēng)機靜葉開度參考范圍

2)自動調(diào)節(jié)模式下，引風(fēng)機變頻器在運行中存在頻率反饋跳零的現(xiàn)象，這屬于變頻器控制板固有問題，可在機組停運時更換控制板。

3)變頻器具有輕載時防止過電壓保護，在負載電流低于264 A時，變頻器需降電壓運行，此時風(fēng)機轉(zhuǎn)入失速區(qū)。經(jīng)過與廠家論證，適當降低該保護定值，由264 A改至216 A。

4)2臺變頻器響應(yīng)不同步

以前變頻器采用自動調(diào)節(jié)，現(xiàn)在變頻器維持在失速區(qū)最大頻率，解除自動調(diào)節(jié)，改為手動調(diào)節(jié)，引風(fēng)機靜葉采用自動調(diào)節(jié)。

5)變頻器自身產(chǎn)生電壓、電流畸變

對3#機組A引風(fēng)機變頻器空載工況輸出諧波狀況測試，測試結(jié)論如下：3#機組A引風(fēng)機變頻器空載工況輸出側(cè)電流、電壓諧波合格，如表10、圖7、圖8、圖9和圖10所示。

表10 引風(fēng)機變頻器空載工況輸出諧波測試記錄表

圖7 高壓變頻器運行在20 Hz時

圖8 高壓變頻器運行在40 Hz時

圖9 高壓變頻器運行在30 Hz時

圖10 高壓變頻器運行在50 Hz時

3.3.3 機組負荷波動大時，給煤量、風(fēng)量變化大

當機組負荷波動大(ACE工況)時，運行人員應(yīng)加強對引風(fēng)機靜葉的調(diào)整，保證引風(fēng)機變頻器頻率不要低于38 Hz，兩側(cè)電流偏差小于15 A，必要時適當限負荷。不能因為負荷波動大，為防止頻繁調(diào)整，將引風(fēng)機靜葉開大，造成引風(fēng)機變頻器頻率降低,引起搶風(fēng)現(xiàn)象。

若送風(fēng)量變化大，應(yīng)適當通過送風(fēng)量偏置進行調(diào)整。但調(diào)整時應(yīng)注意調(diào)整方法:改變送風(fēng)量偏置時，應(yīng)一個一個地修改，待響應(yīng)結(jié)束后再修改，不能因為修改一個送風(fēng)量不動或變化慢，為了響應(yīng)速度或小指標大幅度修改送風(fēng)偏置，最終因為引風(fēng)機跟蹤不及時造成搶風(fēng)，送風(fēng)量降低較大時，應(yīng)及時增大送風(fēng)量，保證煙氣量。

3.3.4 加裝(KSE)防失速裝置

目前，軸流通風(fēng)機通常采用高效的扭曲機翼型葉片，當氣流沿葉片進口端流入時，氣流就沿著葉片兩端分成上、下兩股，處于正常工況時，沖角為零或很小(氣流方向與葉片葉弦的夾角α即為沖角)，氣流則繞過機翼型葉片而保持流線平穩(wěn)的狀態(tài)，如圖11所示。當氣流與葉片進口形成正沖角時，即α > 0，且此正沖角超過某一臨界值時，葉片背面流動工況則開始惡化，邊界層受到破壞，在葉片背面尾端出現(xiàn)渦流區(qū)，即所謂“失速”現(xiàn)象，如圖12所示。

為了解決引風(fēng)機的失速問題，與廠家溝通后對風(fēng)機進行改造，增加KSE裝置，如圖13所示。圖14為引風(fēng)機加裝防失速裝置(KSE) 后的性能曲線及各種運行工況點位置。

由圖14可知，引風(fēng)機加裝防失速裝置(KSE) 后，各種工況均遠離理論失速線，能很好地解決低負荷運行的安全穩(wěn)定問題，降低低負荷失速對風(fēng)機的影響。增加KSE裝置后，風(fēng)機出力下降約5%，效率損失約2%，風(fēng)機低負荷運行時需要提高轉(zhuǎn)速，配合靜葉進行調(diào)節(jié)。

圖11 正常工況下氣流沿葉片流向

圖12 失速工況下氣流在葉片背面尾端出現(xiàn)渦流區(qū)

1-錐型風(fēng)筒；2-帶KSE風(fēng)機機殼；3-葉輪；4-后導(dǎo)葉；5-擴散器圖13 引風(fēng)機KSE改造

4 結(jié) 語

經(jīng)過長時間的分析、試驗、計算，解決了風(fēng)機失速的情況，從而大大提高了引風(fēng)機的穩(wěn)定性和可靠性。2017年8月24日，機組啟動后已運行1個多月，KSE改造后的引風(fēng)機未發(fā)生風(fēng)機失速現(xiàn)象，保證了機組安全、經(jīng)濟、環(huán)保、穩(wěn)定運行，為同類型變頻調(diào)速靜葉軸流引風(fēng)機提供了可借鑒的經(jīng)驗。

圖14 帶KSE后的引風(fēng)機性能曲線及各種運行工況點