靜葉可調(diào)引風(fēng)機(jī)低負(fù)荷失速原因分析及防治措施

謝富友，崔文利，陳清亮，任衍輝，李貴鵬

（1.大唐黃島發(fā)電有限責(zé)任公司，山東 青島 266500；2.大唐東北電力試驗(yàn)研究院有限公司，吉林 長春 130000）

0 引言

以風(fēng)電、光伏為代表的清潔能源進(jìn)入快速發(fā)展期，為滿足日益增加的可再生能源消納需求，我國提出構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)?？稍偕茉窗l(fā)電具有間歇性和波動(dòng)性，提升系統(tǒng)的靈活性將是電力行業(yè)未來發(fā)展必須要解決的問題?；痣姍C(jī)組深度調(diào)峰、燃?xì)獍l(fā)電、抽水蓄能，以及其他新型儲(chǔ)能方式都是提高電力系統(tǒng)調(diào)峰能力的有效手段。但是受建設(shè)條件、建設(shè)運(yùn)行成本、建設(shè)周期、技術(shù)成熟度等多方面因素的制約，燃?xì)獍l(fā)電、抽水蓄能以及其他新型儲(chǔ)能的比例合計(jì)不超過5%，而且在未來一定時(shí)間內(nèi)很難提升。鑒于我國電力結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，主力電源燃煤機(jī)組進(jìn)行深度調(diào)峰，將是目前提升電網(wǎng)靈活性的重要選擇。

受煤電機(jī)組產(chǎn)能過剩和可再生能源消納政策影響，火電機(jī)組參與深度調(diào)峰日益頻繁，對(duì)鍋爐及輔機(jī)設(shè)備的可靠性提出了更高要求。靜葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)因結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)量少、初投資成本低、對(duì)含塵氣流適應(yīng)性好、調(diào)節(jié)性能好等優(yōu)點(diǎn)在我國大型電站鍋爐上普遍應(yīng)用。在機(jī)組深度調(diào)峰過程中，靜葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)極易出現(xiàn)低負(fù)荷的失速和喘振現(xiàn)象［1-2］，伴隨著風(fēng)機(jī)本體的劇烈振動(dòng)和爐膛壓力的大幅波動(dòng)，嚴(yán)重威脅機(jī)組的安全運(yùn)行。以680 MW 燃煤發(fā)電機(jī)組為例，結(jié)合靜葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)的失速機(jī)理，分析風(fēng)機(jī)低負(fù)荷失速的原因，并結(jié)合運(yùn)行實(shí)際制定防治措施。

1 設(shè)備介紹

某電廠三期2×680 MW 燃煤機(jī)組采用上海鍋爐廠制造的SG-2102/25.4-M953 型超臨界參數(shù)直流鍋爐，尾部配備兩臺(tái)三分倉回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器。鍋爐采用平衡通風(fēng)方式，風(fēng)煙系統(tǒng)采用兩臺(tái)動(dòng)葉可調(diào)軸流式一次風(fēng)機(jī)、兩臺(tái)動(dòng)葉可調(diào)軸流式送風(fēng)機(jī)和兩臺(tái)靜葉可調(diào)軸流式引風(fēng)機(jī)。

工程所用引風(fēng)機(jī)為成都電力機(jī)械廠生產(chǎn)的HA46236-8Z型靜葉可調(diào)軸流式風(fēng)機(jī)，設(shè)計(jì)參數(shù)詳見表1，風(fēng)機(jī)選型點(diǎn)（Test Block，TB）參數(shù)是鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量（Boiler Maximum Continue Rate，BMCR）工況參數(shù)點(diǎn)的基礎(chǔ)上考慮10%的風(fēng)量裕度、20%的風(fēng)壓裕度和10 ℃的風(fēng)溫裕度確定的。

表1 靜葉可調(diào)引風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)

2 靜葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)失速機(jī)理

2.1 靜葉可調(diào)風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)

靜葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1 所示，風(fēng)機(jī)本體由進(jìn)汽箱、D1 集流器、可調(diào)節(jié)前導(dǎo)葉、D2 集流器、葉輪、后導(dǎo)葉、擴(kuò)壓器、冷卻風(fēng)系統(tǒng)等組成。這里的“靜葉”指的是葉輪靜止不可調(diào)，“可調(diào)”指的是前導(dǎo)葉可調(diào)。其中，前導(dǎo)葉的主要作用是使氣流在進(jìn)入葉輪前產(chǎn)生負(fù)預(yù)旋，可調(diào)節(jié)風(fēng)量、風(fēng)壓、改善風(fēng)機(jī)性能和提高風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)效率。

圖1 靜葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)

2.2 風(fēng)機(jī)失速機(jī)理

風(fēng)機(jī)失速是風(fēng)機(jī)的一種不穩(wěn)定的運(yùn)行工況，對(duì)風(fēng)機(jī)的危害較大［3-4］。軸流風(fēng)機(jī)的失速性能與風(fēng)機(jī)的葉片型式密切相關(guān)。軸流風(fēng)機(jī)葉片通常是采用機(jī)翼理論設(shè)計(jì)的流線型結(jié)構(gòu)，氣流分上下兩股貼著翼面流過，翼型的升力與翼型的形狀有關(guān)，主要取決于沖角α。設(shè)計(jì)工況下，氣流沖角約為0，如圖2（a）所示，此時(shí)氣流阻力小，風(fēng)機(jī)效率高。當(dāng)氣流沖角增大至超過臨界值后，葉背的流動(dòng)邊界層受到破壞，尾部會(huì)出現(xiàn)渦流區(qū)，產(chǎn)生所謂的“失速”現(xiàn)象，此時(shí)作用于葉片的壓力大幅降低，阻力大幅度增加，如圖2（b）所示。

圖2 軸流式風(fēng)機(jī)葉片氣流方向示意

軸流風(fēng)機(jī)的壓力特性曲線為馬鞍形，與動(dòng)葉可調(diào)風(fēng)機(jī)相比，靜葉可調(diào)風(fēng)機(jī)失速區(qū)范圍更寬。靜葉可調(diào)風(fēng)機(jī)依靠可調(diào)前導(dǎo)葉使煙氣在進(jìn)入葉輪前產(chǎn)生負(fù)預(yù)旋，流量越低氣流沖角就越大，其在低負(fù)荷也更產(chǎn)生失速問題。

本例涉及的軸流風(fēng)機(jī)特性曲線如圖3 所示，曲線上的紅線為風(fēng)機(jī)的失速線，風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)超出該線范圍，即進(jìn)入失速區(qū)。由圖3 可知，風(fēng)機(jī)的失速區(qū)基本處于風(fēng)機(jī)流量較低的區(qū)域。

圖3 靜葉可調(diào)風(fēng)機(jī)特性曲線

3 靜葉可調(diào)引風(fēng)機(jī)運(yùn)行特性分析

風(fēng)機(jī)實(shí)際工況點(diǎn)由煙風(fēng)系統(tǒng)管網(wǎng)阻力特性和風(fēng)機(jī)出力特性共同決定。為摸底引風(fēng)機(jī)低負(fù)荷失速原因，結(jié)合鍋爐低負(fù)荷穩(wěn)燃試驗(yàn)過程中的引風(fēng)機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行風(fēng)機(jī)特性分析，相關(guān)數(shù)據(jù)見表2，各負(fù)荷下風(fēng)機(jī)工況點(diǎn)分布見圖4。

圖4 低負(fù)荷運(yùn)行工況點(diǎn)分布

表2 引風(fēng)機(jī)特性試驗(yàn)數(shù)據(jù)

結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)風(fēng)機(jī)的工作點(diǎn)進(jìn)行分析：50%THA 工況時(shí)，風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)距離失速線的安全裕量較大，工作狀態(tài)比較穩(wěn)定；降至30%THA 工況時(shí)，風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)則基本上處于失速線的邊緣，稍有波動(dòng)就有可能進(jìn)入失速區(qū)。進(jìn)一步對(duì)比發(fā)現(xiàn)，50%THA 和30%THA 工況之間的風(fēng)機(jī)比壓能幾乎無差別，風(fēng)機(jī)出力也相差不大，分析認(rèn)為造成此現(xiàn)象的主要原因是：1）相比負(fù)荷降低速率，鍋爐煙氣量降速緩慢，負(fù)荷越低，煙氣氧量越大；2）鍋爐尾部金屬有蓄熱，降負(fù)荷過程中鍋爐尾部煙溫會(huì)緩慢降低，引風(fēng)機(jī)煙氣量只有待煙溫降低后才會(huì)有明顯降低。

進(jìn)一步分析氧量對(duì)風(fēng)機(jī)運(yùn)行特性的影響，計(jì)算并在風(fēng)機(jī)特性曲線上繪制40%、30%THA 工況不同氧量下引風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)的位置，詳見圖5、圖6。40%THA 工況下，風(fēng)機(jī)比壓能隨氧量的降低趨勢與對(duì)應(yīng)的失速線變化趨勢基本一致，在此負(fù)荷點(diǎn)，隨氧量降低，風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)位置在改變，但比壓能距離失速線的安全裕量基本維持不變。30%THA 工況下，風(fēng)機(jī)比壓能的安全裕量則隨氧量降低明顯上升。據(jù)此也得出，引風(fēng)機(jī)失速風(fēng)險(xiǎn)最大區(qū)域基本處于30%THA附近。

圖5 40%THA工況下不同氧量對(duì)應(yīng)工作點(diǎn)

圖6 30%THA工況下不同氧量對(duì)應(yīng)工作點(diǎn)

綜前所述：為避免引風(fēng)機(jī)在鍋爐低負(fù)荷落入失速區(qū)，鍋爐負(fù)荷從40%THA 繼續(xù)下降過程中，應(yīng)盡量維持相對(duì)較低的鍋爐氧量運(yùn)行，負(fù)荷降至30%THA以下，風(fēng)機(jī)失速風(fēng)險(xiǎn)就基本消除。

4 防止引風(fēng)機(jī)低負(fù)荷失速改造措施

上述優(yōu)化措施是建立在空預(yù)器阻力正常的基礎(chǔ)上，考慮空預(yù)器堵塞、漏風(fēng)等造成的煙風(fēng)系統(tǒng)阻力增加，風(fēng)機(jī)失速的風(fēng)險(xiǎn)仍存在，除考慮失速預(yù)警、風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)視外，仍需考慮進(jìn)一步的改造措施。針對(duì)靜葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)，可采取的改造方案有變頻改造、加裝煙氣再循環(huán)管道和動(dòng)葉可調(diào)風(fēng)機(jī)改造［5-8］。

4.1 變頻改造

靜葉可調(diào)風(fēng)機(jī)可調(diào)前導(dǎo)葉的調(diào)節(jié)范圍為-75°～+30°。加裝變頻器后，風(fēng)機(jī)可實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)，依靠可調(diào)前導(dǎo)葉和風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行出力調(diào)節(jié)［9-11］。低流量下，風(fēng)機(jī)可調(diào)前導(dǎo)葉角度保持在0°，依靠電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)出力；轉(zhuǎn)速調(diào)至最大后，則依靠可調(diào)前導(dǎo)葉開度繼續(xù)提升風(fēng)機(jī)出力，變頻改造前后風(fēng)機(jī)的特性曲線對(duì)比見圖7。因?qū)~角度的增加，風(fēng)機(jī)低負(fù)荷下的失速線會(huì)有所提高。以引風(fēng)機(jī)煙氣流量200 m3/s 為例，工頻工況下，風(fēng)機(jī)的失速比壓能為2 693 Nm/kg，變頻工況下，風(fēng)機(jī)的失速比壓能為3 261 Nm/kg，增加了568 Nm/kg，可見變頻改造對(duì)改變靜葉調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)低負(fù)荷的失速特性有明顯效果。

圖7 引風(fēng)機(jī)變頻改造前后特性曲線對(duì)比

根據(jù)調(diào)研情況，靜調(diào)風(fēng)機(jī)變頻改造后，在進(jìn)口葉片與輪轂的焊接處可能會(huì)產(chǎn)生疲勞裂紋，這是由于隨風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速不斷變化的交變應(yīng)力和旋轉(zhuǎn)振動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)應(yīng)力共同作用結(jié)果。故而在進(jìn)行變頻改造時(shí)，應(yīng)由風(fēng)機(jī)生產(chǎn)廠家進(jìn)行軸系和葉輪強(qiáng)度校核，確認(rèn)風(fēng)機(jī)的強(qiáng)度裕量是否能夠滿足要求；同時(shí)校核轉(zhuǎn)動(dòng)部件的固有頻率，以最大限度地避開共振區(qū)。該方案改造的總投資預(yù)算約550萬元。

4.2 加裝煙氣再循環(huán)管道

加裝煙氣再循環(huán)管道與風(fēng)機(jī)廠提出的KSE 分流裝置［12］改造原理本質(zhì)相同，從引風(fēng)機(jī)出口引出部分煙氣回送至引風(fēng)機(jī)入口，在系統(tǒng)總阻力不變的情況下，通過增加引風(fēng)機(jī)煙氣流量，使風(fēng)機(jī)的工況點(diǎn)向右漂移，從而提高風(fēng)機(jī)運(yùn)行的安全性，系統(tǒng)改造示意見圖8。

圖8 引風(fēng)機(jī)出口煙氣再循環(huán)管路

結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際，以機(jī)組30%THA 工況為基準(zhǔn)進(jìn)行旁路煙道的設(shè)計(jì)。按引風(fēng)機(jī)進(jìn)出口壓差2 630 Pa進(jìn)行核算，當(dāng)管路為1 120 mm×5 mm 時(shí)，循環(huán)煙氣量可達(dá)74 m3/s，約占該工況下總煙氣量的31.25%，結(jié)合風(fēng)機(jī)的運(yùn)行特性曲線（圖3）進(jìn)一步分析，該方案可提高低負(fù)荷下失速裕量約3 000 Pa，基本可徹底解決引風(fēng)機(jī)低負(fù)荷的失速問題。

該方案改造范圍小，改造費(fèi)用僅約90 萬元，改造后，僅需在30%THA 負(fù)荷附近投入再循環(huán)旁路，遠(yuǎn)離該負(fù)荷，運(yùn)行中通過關(guān)閉再循環(huán)系統(tǒng)電動(dòng)門即可實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)隔離。

4.3 動(dòng)葉可調(diào)風(fēng)機(jī)改造

與靜葉可調(diào)風(fēng)機(jī)相比，動(dòng)葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)可在運(yùn)行中調(diào)節(jié)葉片的安裝角，其工況范圍不是一條直線而是一個(gè)面，風(fēng)機(jī)的等效曲線與系統(tǒng)阻力線接近平行，故可在相當(dāng)寬的范圍內(nèi)保持風(fēng)機(jī)高效運(yùn)行。當(dāng)風(fēng)機(jī)變負(fù)荷尤其是低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，其經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢就更明顯，且動(dòng)葉可調(diào)風(fēng)機(jī)基本不存在低負(fù)荷失速問題。風(fēng)機(jī)改造為動(dòng)葉調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)后的特性曲線見圖9，改造后，風(fēng)機(jī)30%THA區(qū)域附近的失速比壓能＞6 000 Nm/kg，遠(yuǎn)大于靜調(diào)風(fēng)機(jī)的失速值，基本可消除失速的可能［13］。該方案的總改造費(fèi)用約700萬元。

圖9 動(dòng)葉可調(diào)風(fēng)機(jī)改造后特性曲線

4.4 各種改造方案對(duì)比

對(duì)比三種改造方案：從改造后的效果看，動(dòng)葉調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)改造效果最好，加裝再循環(huán)管道改造方案次之；從投資預(yù)算看，加裝再循環(huán)煙道方案投資最少，而另兩種改造方案投資均較高?？紤]引風(fēng)機(jī)只是在特定負(fù)荷區(qū)間存在失速風(fēng)險(xiǎn)，故推薦采取加裝煙氣再循環(huán)管道方案。

5 結(jié)語

靜葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)的失速特性與葉片結(jié)構(gòu)特性相關(guān)。低負(fù)荷下，通過引風(fēng)機(jī)的流量小、葉片沖角大，風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)貼近失速線，故而風(fēng)機(jī)易失速。

機(jī)組負(fù)荷由40%THA 降至30%THA 時(shí)，風(fēng)機(jī)運(yùn)行的工況點(diǎn)基本處于失速線的邊緣。通過適當(dāng)控制運(yùn)行氧量的方法可一定程度緩解失速問題產(chǎn)生的可能。

針對(duì)引風(fēng)機(jī)低負(fù)荷失速問題，對(duì)比論證了三種改造措施。綜合比較，推薦采取加裝煙氣再循環(huán)管道改造措施，該方案投資低，實(shí)施后效果明顯，可基本消除低負(fù)荷引風(fēng)機(jī)的失速風(fēng)險(xiǎn)。