一次風機失速原因分析及預防措施

焦傳寶

（大唐陽城發(fā)電有限責任公司，山西 陽城 048102）

0 引言

動葉可調(diào)軸流式風機因其徑向尺寸小、質(zhì)量輕、流量大且調(diào)節(jié)范圍廣、高效率工作區(qū)寬、啟動力矩小、變工況運行經(jīng)濟性好、適應性強、調(diào)節(jié)性能好等諸多優(yōu)點，逐漸成為大型火電機組送、引、一次風機的主流風機形式，特別是近幾十年來得到了廣泛的應用。但由于軸流式風機具有駝峰型性能曲線，加上機組調(diào)峰運行、工況變化頻繁、運行條件惡劣等因素，時常發(fā)生失速現(xiàn)象，特別是一次風機。這對機組運行的安全性和經(jīng)濟性都產(chǎn)生了較大的影響[1-2]。

1 某電廠設備概況

某電廠裝機容量為2×600 MW燃煤機組，采用雙進雙出鋼球磨煤機、一次風正壓直吹式制粉系統(tǒng)，配置2臺雙級動葉可調(diào)、軸流式一次風機，2臺一次風機分別命名為7A、7B。風機技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 某電廠一次風機設備技術(shù)規(guī)范

2017年，2臺機組進行了大修，在大修結(jié)束 投入運行的7—8月份，出現(xiàn)了2次7B一次風機失速現(xiàn)象，而失速均發(fā)生在機組降負荷至65%額定負荷時。通過分析失速時相關(guān)參數(shù)、歷史數(shù)據(jù)曲線和相關(guān)設備運行方式，找到了風機失速的原因，并制定了相應的措施，徹底解決了風機失速的問題。本文對一次風機失速原因的分析和處置，將對同類型機組防止一次風機失速提供參考。

2 軸流式風機失速的機理

軸流風機的葉片通常是機翼型的，葉片前后壓力差的大小決定于動葉沖角（α）的大小，在臨界值以內(nèi)，上述壓力差大致與葉片的沖角成正比，不同的葉片葉型有不同的臨界沖角值。當動葉片的沖角超過臨界值時，氣流會離開葉片凸面發(fā)生邊界層分離現(xiàn)象，產(chǎn)生大面積的渦流，此時風機的全壓下降，這種情況稱為“失速現(xiàn)象”。軸流式風機正常及失速時氣體的流動如圖1所示

圖1 軸流式風機正常及失速時氣體的流動

當沖角繼續(xù)增大時，氣流離開葉片背部的區(qū)域變大，氣流渦流區(qū)進一步增大，甚至會堵塞葉片之間的氣流通道，造成軸流風機壓升大幅下降，流量突然減少。

軸流風機的失速特性和葉片的形式有關(guān)，同時受到風道阻力特性的影響，對于動葉可調(diào)軸流一次風機而言，同一動葉開度時，風道阻力特性越陡（相同流量下壓力較高），越容易失速，相同的風道阻力特性，動葉開度越大，風機越容易失速。因此，分析和處理風機失速應該從風道阻力和動葉開度兩方面入手[3-5]。

3 一次軸流風機失速的現(xiàn)象及危害

根據(jù)運行經(jīng)驗，一般來說，風機失速乃至喘振時常常伴隨出現(xiàn)以下現(xiàn)象：失速風機流量大幅下降甚至降到0；失速風機電流下降，振動增加，噪聲增大；失速風機動葉自動開大（機組投入全自動狀態(tài)時）；并聯(lián)運行的另1臺風機動葉開度增大，出力增大；并聯(lián)運行的2臺一次風機壓力偏差增大；機組負荷下滑。

風機失速后，如果不及時處理，可能造成機組負荷大幅波動，鍋爐燃燒不穩(wěn)，甚至引發(fā)風機發(fā)生喘振，進而導致葉片斷裂及軸承損壞事故。

4 一次風機失速分析

4.1 風機失速過程分析

2017年7月31日，某電廠7B一次風機發(fā)生失速。當時機組正在進行降負荷操作，當機組負荷由550 MW降至390 MW時7B一次風機發(fā)生失速。風機失速前后參數(shù)對比如表2所示。

從表2可以看出，7B一次風機失速前和并列運行的7A一次風機出現(xiàn)較大偏差，出口壓力、風機流量和電機電流均有較大的差值。17點53分，風機失速后，7B一次風機流量銳減至0.56 m3/s，出口壓力降至7.0 kPa，同時動葉開度自動開大至80%。由于7B一次風機出力銳減，7A一次風機動葉開度自動開大至60.7%，流量增至78.46 m3/s，但總風量仍低于失速前一次風流量，導致機組負荷快速下滑。17點58分，操作人員通過解除7B一次風機動葉自動，迅速關(guān)小7B一次風機動葉至56.09%，同時相應關(guān)小7A一次風機動葉至48.24%，7B一次風機失速現(xiàn)象消失，出力恢復正常。至此，因一次風量波動，導致機組負荷下滑超過30 MW。

表2 某電廠7B一次風機失速時與7A一次風機參數(shù)對比

4.2 風機失速原因分析

a）并列運行的2臺一次風機出力偏差大，導致出力較小的7B一次風機受到7A一次風機的影響，其出口風道阻力增加，葉片氣流沖角增大至臨界值而發(fā)生“脫流”，致使風機出力減小。機組為了滿足一次風量需求，自動開大其動葉角度，進而葉片氣流沖角繼續(xù)增大，風機失速加劇，直至出力減小至0。

b）7B一次風機動葉調(diào)節(jié)性能不良，動葉開度和風機流量及出口壓力不匹配，導致降負荷過程中出現(xiàn)失速現(xiàn)象。從失速前風機動葉開度及流量可以看出，在機組降負荷過程中，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)通過持續(xù)減小一次風機動葉開度來減小一次風量，從而減小磨煤機的制粉出力，以達到減小鍋爐燃燒、降低機組負荷的目的。在這一過程中，因調(diào)節(jié)機構(gòu)功能異常，2臺一次風機實際出力變化并不完全同步，導致2臺風機出力出現(xiàn)較大偏差，從而引發(fā)出力小的7B一次風機失速。

c）由于制粉系統(tǒng)本身運行方式的原故，導致2臺一次風機產(chǎn)生互相干擾工況。通過分析一次風系統(tǒng)流程圖（如圖2所示）可知，正常運行時，2臺一次風機出口聯(lián)絡擋板關(guān)閉，分別通過帶隔離擋板的冷風母管供應制粉系統(tǒng)所需的冷一次風和密封風。只要冷一次風和密封風保持一定用量，2臺一次風機均能通過冷風母管供風，運行中就不會出現(xiàn)互相干擾的工況。但是，當一次冷風及磨煤機密封風用量較小時，圖2中壓力測點CP503壓力就會升高。當CP503的壓力值接近2臺一次風機出口壓力CP501和CP502的任一點時，該一次風機不能再供應制粉系統(tǒng)的冷一次風和密封風了。此時，另1臺出力較大的一次風機通過冷風母管影響該一次風機的出力，當工況變動時就有可能產(chǎn)生失速現(xiàn)象。表3為該風機失速前各負荷工況下制粉系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)。

圖2 某電廠一次風設備工藝流程圖

表3 某電廠不同負荷下制粉系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)對比表

通過表3可以看出，高負荷時，7B一次風機出口壓力均高于冷風母管壓力，說明風機能夠正常供應冷一次風。當風機失速時，7B一次風機出口壓力甚至低于冷風母管壓力，說明7A一次風機已經(jīng)通過冷風母管向7B一次風機出口風道方向供風，導致7B一次風機出力減小，進而發(fā)生失速。失速臨時處理完畢后，及時調(diào)整了密封風擋板和冷一次風擋板開度，維持了一次風機對磨煤機冷風和密封風的正常供風。

4.3 風機失速后的處置

由于風機失速時，風量迅速降低，所以自動控制系統(tǒng)調(diào)大其動葉開度，反而導致失速加劇。正確的做法是，解除對失速風機動葉的自動控制，切換為手動控制，然后通過手動迅速關(guān)小動葉，以減小氣流沖角，促使葉片脫離失速區(qū)。

適當關(guān)小并列運行的另1臺風機動葉，避免其出力過大電機電流超限，并降低系統(tǒng)壓力。但必須持續(xù)監(jiān)視一次風母管壓力，保證其大于6 kPa，防止觸發(fā)一次風壓力低保護，導致磨煤機跳閘。

失速風機恢復正常后，逐漸開大其動葉開度，同時減小另1臺風機動葉開度，直至2臺風機出力平衡，并達到負荷要求為止。

調(diào)整制粉系統(tǒng)磨煤機密封風擋板、冷風擋板開度，增加其用風量。

5 防止風機失速的措施

根據(jù)以上風機失速過程及其原因分析，防止風機失速的關(guān)鍵在于保證并聯(lián)運行的2臺風機在各種工況下出力平衡，其次是保持低負荷工況下的一次冷風及密封風的用量，以防進入不穩(wěn)定的小流量喘振區(qū)，為此我們采取了以下措施。

a）修改熱工邏輯，保持7B一次風機動葉開度大于7A一次風機5%，以保證各種工況下2臺一次風機實際出力平衡。

通過2臺一次風機各工況運行參數(shù)曲線分析發(fā)現(xiàn)，儀表顯示動葉開度相同時，實測的7B一次風機出口壓力和流量始終小于7A一次風機。分析其主要原因為風機動葉片初始角度調(diào)整不一樣，并與風道、磨煤機阻力特性之和有偏差有關(guān)。

b）調(diào)整磨煤機旁路風開度，在低負荷下最小不得低于15%，以保證磨煤機筒體壓力在4 kPa以上，從而確保磨煤機密封風開度在80%以上。

c）低負荷時及時調(diào)整磨煤機出口溫度，確保一次冷風擋板在20%開度以上。

d）機組降負荷時持續(xù)監(jiān)視2臺一次風機出力情況，出力偏差過大時立即進行人為干預，確保出力平衡，以避免失速現(xiàn)象發(fā)生。

e）利用停機機會，檢查調(diào)整一次風機動葉初始角度，確保2臺一次風機調(diào)節(jié)過程中所有葉片角度相一致，還要保證動葉實際角度和儀表顯示角度相一致。

f）每次機組啟動前進行風機動葉調(diào)整試驗，驗證動葉的動作靈活性、可靠性及遠傳與就地指示的一致性。

6 結(jié)束語

軸流式風機特別是軸流式電站一次風機的失速問題，在電力工業(yè)的生產(chǎn)實踐中是比較常見的問題，盡管導致風機失速的原因千差萬別，但風機失速的機理是一致的[6]。從風機失速的機理入手，不難分析出失速的原因，然后根據(jù)具體的原因，采取相應的措施，就能較好地解決風機失速的問題。某電廠通過采取上述運行調(diào)整及改造措施后，徹底解決了一次風機低負荷運行時的失速問題，可供同類機組借鑒。