雙級(jí)動(dòng)葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能不達(dá)標(biāo)故障 診斷及治理

李昊燃，鄭 金，杜繼臻

（1.西安熱工研究院有限公司，西安 710049；2.神皖能源有限責(zé)任公司，合肥 230051）

0 引言

燃煤電廠電站風(fēng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行性能偏差較大的問題廣泛存在。目前，國內(nèi)外研究人員針對(duì)風(fēng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行性能達(dá)不到其設(shè)計(jì)性能的問題進(jìn)行了大量研究［1-6］。李昊燃等［7］通過數(shù)值模擬計(jì)算分析得到風(fēng)機(jī)進(jìn)口速度分布不均對(duì)風(fēng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行性能產(chǎn)生負(fù)面影響。張俊林［8］通過試驗(yàn)實(shí)測(cè)和數(shù)值計(jì)算，分析得到不同的進(jìn)口彎管型式對(duì)風(fēng)機(jī)性能影響不同。聶波［9］通過試驗(yàn)實(shí)測(cè)和數(shù)值計(jì)算，分析不同的出口彎管型式對(duì)風(fēng)機(jī)性能的影響，結(jié)果表明風(fēng)機(jī)出口連接正轉(zhuǎn)彎頭或反轉(zhuǎn)彎頭后，均會(huì)造成風(fēng)機(jī)性能的明顯下降，這類情況主要存在對(duì)于離心式風(fēng)機(jī)中。對(duì)于軸流式風(fēng)機(jī)，雖然有研究人員也進(jìn)行過類似研究，如鄭金等［10］根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)華能銅川電廠600 MW 機(jī)組引風(fēng)機(jī)性能進(jìn)行診斷并提出風(fēng)機(jī)優(yōu)化改造方案，改善了風(fēng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行性能并提高機(jī)組運(yùn)行安全性。不過，這些分析討論主要集中在風(fēng)機(jī)選型與管網(wǎng)系統(tǒng)匹配性上。但對(duì)于動(dòng)葉可調(diào)軸流式風(fēng)機(jī)氣動(dòng)效率偏低的研究相對(duì)較少。

某火電機(jī)組1，2 號(hào)機(jī)組為2×660 MW 超超臨界機(jī)組，每個(gè)機(jī)組均配備兩臺(tái)新型動(dòng)葉可調(diào)軸流式送風(fēng)機(jī)。4 臺(tái)風(fēng)機(jī)自投運(yùn)以來均存在出力不足、耗電量高的問題，特別是夏季送風(fēng)機(jī)電機(jī)功率基本達(dá)到額定功率，機(jī)組出力受限。

本文采用多種方法及思路對(duì)該電廠雙級(jí)動(dòng)葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)存在的實(shí)際問題，進(jìn)行試驗(yàn)、分析、討論，找到原因。首先，通過送風(fēng)機(jī)進(jìn)行多次熱態(tài)試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)排查及煙風(fēng)管道模擬計(jì)算后發(fā)現(xiàn)，風(fēng)機(jī)進(jìn)出口管道、安裝精度等條件均滿足相關(guān)要求，初步分析是動(dòng)調(diào)風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能設(shè)計(jì)存在問題。其次，按原設(shè)計(jì)圖紙等比例加工模型風(fēng)機(jī)，在實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)模型風(fēng)機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)采用標(biāo)準(zhǔn)化試驗(yàn)方法對(duì)模型風(fēng)機(jī)進(jìn)行了風(fēng)機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)性能驗(yàn)證。通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、數(shù)值計(jì)算、模型風(fēng)機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證等相關(guān)數(shù)據(jù)綜合分析，認(rèn)為：風(fēng)機(jī)葉型與風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、風(fēng)機(jī)進(jìn)氣箱尺寸結(jié)構(gòu)匹配性不佳，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)內(nèi)流損失過大，從而使得風(fēng)機(jī)無法達(dá)到其設(shè)計(jì)性能。最終通過優(yōu)化進(jìn)氣箱尺寸、更換成熟葉型（含后導(dǎo)葉）的方式，成功解決了問題。

1 設(shè)備概況及研究背景

1.1 設(shè)備概況

該機(jī)組為2×660 MW 超超臨界機(jī)組，鍋爐為高效超超臨界參數(shù)變壓運(yùn)行直流、全懸吊結(jié)構(gòu)П型鍋爐，設(shè)計(jì)給水流量為541.7 kg/s。機(jī)組主要性能參數(shù)見表1。

表1 機(jī)組主要設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.1 Design parameters of the power unit

每臺(tái)機(jī)組風(fēng)煙系統(tǒng)原配置2 臺(tái)GU14230-012 型動(dòng)調(diào)軸流送風(fēng)機(jī)，主要設(shè)計(jì)參數(shù)見表2。

表2 送風(fēng)機(jī)主要設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.2 Design parameters of the forced draft fan

1.2 研究背景及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

該超超臨界機(jī)組自投運(yùn)以來一直存在高負(fù)荷下送風(fēng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行功率基本達(dá)到電機(jī)額定功率，導(dǎo)致機(jī)組發(fā)電負(fù)荷受限的問題。

首先，對(duì)1，2 號(hào)機(jī)組進(jìn)行多次現(xiàn)場(chǎng)摸底性能試驗(yàn)，由于篇幅所限，本文選取1 號(hào)機(jī)組試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。送風(fēng)機(jī)試驗(yàn)實(shí)測(cè)結(jié)果見表3。

表3 送風(fēng)機(jī)試驗(yàn)實(shí)測(cè)結(jié)果Tab.3 Experimental result of the forced draft fan

由表中數(shù)據(jù)可知，實(shí)測(cè)高負(fù)荷工況下兩側(cè)送風(fēng)機(jī)效率僅為68.9%/72.5%，比性能曲線上對(duì)應(yīng)效率值偏低達(dá)到18.1%/14.5%，與性能曲線上葉片角度偏差最高可達(dá)13.0°，進(jìn)一步可得如下結(jié)論：

（1）高負(fù)荷下送風(fēng)機(jī)出現(xiàn)帶負(fù)荷吃力的主要原因是：風(fēng)機(jī)高負(fù)荷工況實(shí)際運(yùn)行效率嚴(yán)重偏離設(shè)計(jì)值，導(dǎo)致送風(fēng)機(jī)電機(jī)實(shí)際所需電流超過額定電流。

（2）送風(fēng)機(jī)實(shí)測(cè)運(yùn)行效率、動(dòng)葉開度與性能曲線上對(duì)應(yīng)值偏差很大。

綜上可知，送風(fēng)機(jī)運(yùn)行效率低導(dǎo)致運(yùn)行電流偏高是限制機(jī)組負(fù)荷的直接原因。

2 風(fēng)機(jī)實(shí)際性能偏差較大原因分析

根據(jù)熱態(tài)試驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)行初步分析，認(rèn)為是動(dòng)調(diào)送風(fēng)機(jī)性能未能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。但是由于動(dòng)葉可調(diào)軸流式風(fēng)機(jī)具有調(diào)節(jié)特性好、高效區(qū)域?qū)挼忍攸c(diǎn)，其風(fēng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行效率與設(shè)計(jì)性能偏差較大的情況極為少見。鑒于此種情況，需要查找風(fēng)機(jī)實(shí)際性能偏低的原因。

2.1 風(fēng)機(jī)進(jìn)出口條件的影響分析

該機(jī)組送風(fēng)機(jī)進(jìn)口風(fēng)道為直管段，屬于常規(guī)設(shè)計(jì)，但是出口風(fēng)道存在擴(kuò)張段和暖風(fēng)器，具有其設(shè)計(jì)特殊性。首先，建立數(shù)值模擬，計(jì)算探究風(fēng)機(jī)出口風(fēng)道氣流是否存在明顯渦流或者回流，進(jìn)而影響風(fēng)機(jī)性能［11-20］。

送風(fēng)機(jī)出口風(fēng)道內(nèi)流線如圖1 所示。從圖可見，送風(fēng)機(jī)出口流場(chǎng)流線分布較為均勻，無明顯較大區(qū)域的渦流或者回流。從計(jì)算結(jié)果來看，雖然有局部渦流但不至于引起送風(fēng)機(jī)性能出現(xiàn)較大的偏差，因此排除風(fēng)機(jī)出口風(fēng)道對(duì)風(fēng)機(jī)性能的影響。

2.2 風(fēng)機(jī)現(xiàn)場(chǎng)安裝精度的影響

試驗(yàn)人員在熱態(tài)情況下，進(jìn)入風(fēng)機(jī)內(nèi)部對(duì)風(fēng)機(jī)動(dòng)葉、前后導(dǎo)葉、進(jìn)氣箱等結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢查，未發(fā)現(xiàn)異常。

機(jī)組停機(jī)后對(duì)送風(fēng)機(jī)進(jìn)行了冷態(tài)揭蓋檢查，檢查結(jié)果如下：

（1）送風(fēng)機(jī)有20 片動(dòng)葉，動(dòng)葉后導(dǎo)葉共31片，經(jīng)檢查后導(dǎo)葉安裝正確，無安裝誤差。

（2）檢查葉片型線：從葉根到葉頂沿高度方向用制造廠提供的葉片檢查樣板校核若干位置的葉片型線與樣板的吻合情況，吻合良好，無加工誤差。

（3）用角度儀檢查葉片根部、葉片中間位置、葉片頂部的扭曲角，與設(shè)計(jì)完全吻合，無設(shè)計(jì)誤差。

（4）對(duì)比風(fēng)機(jī)基準(zhǔn)葉片后發(fā)現(xiàn)，葉片全開角度20°、全關(guān)角度-36°，與風(fēng)機(jī)性能曲線全開角度20°、全關(guān)角度-28°略有差別。

根據(jù)風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸、裝配檢查、葉型尺寸校核等一系列排查，未發(fā)現(xiàn)由于安裝、裝配及設(shè)計(jì)帶來的，可能引起風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能偏差的原因。

通過從以上幾方面進(jìn)行檢查，以排除送風(fēng)機(jī)在風(fēng)道系統(tǒng)設(shè)計(jì)、設(shè)備制造裝配、安裝精度等各方面的原因。這就使得問題較為復(fù)雜，通過充分了解，該送風(fēng)機(jī)為設(shè)備廠家為數(shù)不多的高轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)速達(dá)1 490 r/min）送風(fēng)機(jī)，同時(shí)配套的風(fēng)機(jī)動(dòng)葉也是在高轉(zhuǎn)速上為數(shù)不多的應(yīng)用。鑒于此種情況，提出根據(jù)現(xiàn)有實(shí)際送風(fēng)機(jī)尺寸、風(fēng)機(jī)葉型加工模型風(fēng)機(jī)，進(jìn)行模型風(fēng)機(jī)試驗(yàn)。

2.3 模型風(fēng)機(jī)試驗(yàn)

采用帶有進(jìn)口側(cè)試驗(yàn)風(fēng)室的標(biāo)準(zhǔn)化試驗(yàn)方法（C 型裝置），對(duì)配套低壓葉型的模型風(fēng)機(jī)在-8°、+4°兩個(gè)開度下分別進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化風(fēng)道性能試驗(yàn)，試驗(yàn)測(cè)試方法符合《GB/T 1236-2017 工業(yè)通風(fēng)機(jī)用標(biāo)準(zhǔn)化風(fēng)道性能試驗(yàn)》的要求。

根據(jù)《GB/T 1236-2017 工業(yè)通風(fēng)機(jī)用標(biāo)準(zhǔn)化風(fēng)道性能試驗(yàn)》，對(duì)模型風(fēng)機(jī)在-8°、+4°兩個(gè)開度下試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行計(jì)算，將模型風(fēng)機(jī)試驗(yàn)狀態(tài)結(jié)果換算到設(shè)計(jì)狀態(tài)（效率并未進(jìn)行換算），并將計(jì)算結(jié)果與送風(fēng)機(jī)性能曲線進(jìn)行對(duì)比，如圖2 所示。由圖可知，在-8°和+4°兩個(gè)開度線下，模型風(fēng)機(jī)測(cè)試結(jié)果與原型送風(fēng)機(jī)的性能曲線明顯不符，具體情況如下：

在-8°開度下，模型風(fēng)機(jī)的最高效率為80.1%，在4°開度下，模型風(fēng)機(jī)的最高效率為78.4%，遠(yuǎn)低于原送風(fēng)機(jī)在對(duì)應(yīng)開度下的設(shè)計(jì)效率89.0%。此外，風(fēng)機(jī)在-8°和+4°兩個(gè)開度線下，試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果與原型風(fēng)機(jī)對(duì)應(yīng)開度線的出力和走向存在明顯的偏差，尤其在+4°開度下，試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果明顯低于原型風(fēng)機(jī)對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)出力。

通過上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，原始送風(fēng)機(jī)的實(shí)際氣動(dòng)性能與其提供性能曲線保證性能嚴(yán)重不符。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)及模型風(fēng)機(jī)數(shù)據(jù)，基本可以判斷：送風(fēng)機(jī)效率偏低、電機(jī)超流及風(fēng)機(jī)帶負(fù)荷吃力的主要原因是送風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能設(shè)計(jì)存在問題。

3 解決方案及改后效果

通過采用各種試驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)果分析，找到了送風(fēng)機(jī)效率低導(dǎo)致風(fēng)機(jī)運(yùn)行電流超過電機(jī)額定電流的原因。最終，經(jīng)過與設(shè)備廠家溝通，最終確定采用以下整改方案：

（1）將現(xiàn)有低壓型葉片更換為高壓型葉片（配套更換動(dòng)葉后導(dǎo)葉），主要是高壓型葉片在高轉(zhuǎn)速風(fēng)機(jī)上有著廣泛的應(yīng)用。

（2）通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)：現(xiàn)有送風(fēng)機(jī)進(jìn)氣箱尺寸偏小導(dǎo)致內(nèi)部損失太大，在滿負(fù)荷工況下，進(jìn)氣箱動(dòng)壓損失達(dá)到700 Pa。在更換葉片的同時(shí)更換風(fēng)機(jī)進(jìn)氣箱。

在改造前，對(duì)高壓型動(dòng)葉模型風(fēng)機(jī)進(jìn)行氣動(dòng)性能試驗(yàn)，以驗(yàn)證改造效果。

3.1 高壓葉型模型風(fēng)機(jī)試驗(yàn)

將原始低壓葉型更換為高壓葉型并進(jìn)行模型風(fēng)機(jī)試驗(yàn)。

對(duì)高壓葉型模型風(fēng)機(jī)在0°、+4°兩個(gè)開度下試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行計(jì)算，將模型風(fēng)機(jī)試驗(yàn)狀態(tài)結(jié)果換算到原型風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)狀態(tài)（效率并未進(jìn)行換算），并將計(jì)算結(jié)果標(biāo)識(shí)于原型風(fēng)機(jī)的性能曲線上，如圖4 所示。

圖3 送風(fēng)機(jī)性能曲線數(shù)據(jù)對(duì)比Fig.3 Comparison of performance curves and test data of the forced draft fan

從圖可知，在0°開度下，模型風(fēng)機(jī)的最高軸效率為85.2%（對(duì)應(yīng)葉輪效率為87.0%），在+4°開度下，模型風(fēng)機(jī)的最高軸效率為83.7%（對(duì)應(yīng)葉輪效率為85.4%）。此外，風(fēng)機(jī)在0°和+4°兩個(gè)開度線下，試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果與原型風(fēng)機(jī)對(duì)應(yīng)開度線的出力和走向基本一致。模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：采用高壓葉型改造后的送風(fēng)機(jī)性能可以得到 保證。

3.2 試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

本節(jié)通過模型風(fēng)機(jī)試驗(yàn)結(jié)果可知，將低壓葉型更換為高壓葉型以后，試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果基本達(dá)到了原型風(fēng)機(jī)性能要求。在模型風(fēng)機(jī)試驗(yàn)結(jié)果的指導(dǎo)下，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)送風(fēng)機(jī)葉片更換，改造后運(yùn)行數(shù)據(jù)表明送風(fēng)機(jī)性能得到明顯改善，解決了機(jī)組負(fù)荷受限問題。

4 結(jié)語

針對(duì)某機(jī)組動(dòng)葉可調(diào)軸流式送風(fēng)機(jī)性能不達(dá)標(biāo)導(dǎo)致運(yùn)行電流接近額定電流，限制機(jī)組帶負(fù)荷能力的問題，本文通過現(xiàn)場(chǎng)性能試驗(yàn)、熱態(tài)風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)檢查、冷態(tài)揭蓋檢查、數(shù)值模擬計(jì)算多種方法，排除了現(xiàn)場(chǎng)安裝精度、進(jìn)出口風(fēng)道等影響因素。通過模型風(fēng)機(jī)試驗(yàn)，確定了主要原因，并據(jù)此提出了整改方案。通過改造成功解決了風(fēng)機(jī)性能不達(dá)標(biāo)和機(jī)組負(fù)荷受限的問題。

由于動(dòng)葉可調(diào)軸流式風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)性能好、自身效率高，在火電機(jī)組運(yùn)行中，其運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性不佳主要是選型參數(shù)偏大，導(dǎo)致與管網(wǎng)系統(tǒng)匹配性不佳，而由于其本身氣動(dòng)性能原因引起的風(fēng)機(jī)效率偏低問題比較少見。本文解決送風(fēng)機(jī)性能不達(dá)標(biāo)問題的思路和方法對(duì)以后相關(guān)問題的處理具有明顯的借鑒和指導(dǎo)意義。