火電廠軸流增壓風(fēng)機(jī)葉片斷裂原因及其解決方案探究

沈德興

（福海創(chuàng)石油化工有限公司，福建 漳州 363216）

0 引言

大型軸流增壓風(fēng)機(jī)是火電廠脫硫煙風(fēng)系統(tǒng)的重要輔助設(shè)備之一，其運(yùn)行狀況對(duì)火電廠的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行至關(guān)重要，如增壓風(fēng)機(jī)發(fā)生安全故障，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致整臺(tái)機(jī)組跳停。增壓風(fēng)機(jī)和引風(fēng)機(jī)葉片承受離心力和高溫?zé)煔庵泄腆w顆粒的沖蝕，工作環(huán)境比較惡劣。如果風(fēng)機(jī)本身性能達(dá)不到設(shè)計(jì)要求、葉片加工質(zhì)量存在問(wèn)題或者風(fēng)機(jī)運(yùn)行在失速區(qū)域，葉片就極易發(fā)生斷裂現(xiàn)象[1-4]。

某670 t/h鍋爐機(jī)組煙風(fēng)系統(tǒng)配備兩臺(tái)離心式引風(fēng)機(jī)，脫硫系統(tǒng)配置一臺(tái)靜調(diào)軸流增壓風(fēng)機(jī)。超凈排放改造后，增壓風(fēng)機(jī)頻繁出現(xiàn)葉片斷裂的現(xiàn)象。

本文在試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，分析增壓風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)、煙風(fēng)系統(tǒng)阻力情況、葉片斷裂原因，并給出改造方案及選型參數(shù)，以解決風(fēng)機(jī)葉片斷裂問(wèn)題。

1 設(shè)備概況及事故過(guò)程

1.1 設(shè)備概況

鍋爐型號(hào)為SG-670/13.7-M3001。鍋爐額定工況蒸汽壓力為13.7 MPa，鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量不小于670 t/h。

脫硫系統(tǒng)增壓風(fēng)機(jī)是型號(hào)為RTF28-15-1的靜調(diào)軸流風(fēng)機(jī)（由動(dòng)調(diào)軸流風(fēng)機(jī)改進(jìn)而來(lái)），風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速為990 r/min。

1.2 事故過(guò)程

機(jī)組進(jìn)行超低排放改造前，增壓風(fēng)機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定，未出現(xiàn)葉片斷裂的事故。超低排放改造后，增壓風(fēng)機(jī)葉片開(kāi)始出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，每次斷裂前表盤(pán)振動(dòng)數(shù)據(jù)均無(wú)明顯異常。風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行過(guò)程中振動(dòng)突然增大，振速超過(guò)7 mm/s，立即停機(jī)檢查，發(fā)現(xiàn)葉片斷裂。初步判斷振動(dòng)增大時(shí)葉片已經(jīng)發(fā)生斷裂，且通過(guò)檢查推測(cè)斷裂首先發(fā)生在一個(gè)葉片上，隨后將其他葉片掃射損壞，同時(shí)對(duì)機(jī)殼、調(diào)節(jié)門(mén)撐筋產(chǎn)生不同程度的損壞，葉片斷口在距離葉盤(pán)200 mm左右位置，如圖1所示。

2 風(fēng)機(jī)與管網(wǎng)系統(tǒng)匹配性分析

根據(jù)上文葉片斷裂現(xiàn)象和相關(guān)經(jīng)驗(yàn)可初步得出以下判斷：超低排放改造后，煙風(fēng)管網(wǎng)系統(tǒng)和脫硫系統(tǒng)阻力增加，增壓風(fēng)機(jī)出力增加，風(fēng)機(jī)與煙風(fēng)管網(wǎng)系統(tǒng)的匹配性發(fā)生變化。

為了分析風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能及其與所在管網(wǎng)系統(tǒng)的匹配性，對(duì)增壓風(fēng)機(jī)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)熱態(tài)試驗(yàn)。在鍋爐蒸發(fā)量為405 t/h、496 t/h、593 t/h的三個(gè)工況下進(jìn)行試驗(yàn)，給煤量分別為54.8 t/h（3臺(tái)磨）、66.8 t/h（3臺(tái)磨）、80.3 t/h（4臺(tái)磨），鍋爐運(yùn)行狀態(tài)良好，引風(fēng)機(jī)開(kāi)度最大為35%左右，增壓風(fēng)機(jī)開(kāi)度最大為100%。試驗(yàn)主要數(shù)據(jù)如表1所示，實(shí)際運(yùn)行工作點(diǎn)在性能曲線上的位置如圖2所示。

表1 增壓風(fēng)機(jī)試驗(yàn)主要數(shù)據(jù)

由以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)際運(yùn)行點(diǎn)在性能曲線上的位置分布可知，400 t/h工況的運(yùn)行點(diǎn)已經(jīng)位于失速區(qū)域，500 t/h工況的運(yùn)行點(diǎn)位于失速線上，600 t/h工況的運(yùn)行點(diǎn)距離失速線較近。為了便于定量分析風(fēng)機(jī)運(yùn)行安全性，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算三個(gè)試驗(yàn)工況下距離失速線的失速裕度、風(fēng)量裕度和壓力裕度，結(jié)果表明：

（1）三個(gè)工況點(diǎn)的失速裕度均小于相關(guān)規(guī)范規(guī)定至少1.3的要求。

（2）風(fēng)量和風(fēng)壓失速裕度均小于1.1，數(shù)值較小。

由此可知，現(xiàn)有增壓風(fēng)機(jī)失速裕度已經(jīng)不符合相關(guān)規(guī)范的要求，低負(fù)荷工況點(diǎn)已經(jīng)位于風(fēng)機(jī)失速區(qū)域。三個(gè)試驗(yàn)工況的風(fēng)量和壓力失速裕度較低，當(dāng)系統(tǒng)風(fēng)量或壓力突然波動(dòng)時(shí)，風(fēng)機(jī)開(kāi)度來(lái)不及調(diào)整，進(jìn)入失速區(qū)域運(yùn)行。

綜上所述，現(xiàn)有增壓風(fēng)機(jī)與其所在管網(wǎng)系統(tǒng)匹配性較差，風(fēng)機(jī)極易進(jìn)入失速區(qū)域運(yùn)行，使風(fēng)機(jī)葉片頻繁受到紊亂的交變應(yīng)力作用，進(jìn)而發(fā)生葉片斷裂。

3 葉片材質(zhì)及進(jìn)出口煙道流場(chǎng)分析

3.1 增壓風(fēng)機(jī)葉片材質(zhì)分析

為檢查葉片本身材質(zhì)、強(qiáng)度等方面是否存在問(wèn)題，將斷裂葉片送檢。

3.1.1 外觀檢查

葉片與法蘭連接葉片呈褐色，寬約340 mm，高約150 mm，最大厚度約20 mm，最小厚度約8 mm，葉片存在變形。法蘭底部呈黑色，無(wú)明顯氧化、腐蝕等痕跡存在。

3.1.2 化學(xué)成分分析

葉片材質(zhì)為Q390。根據(jù)《鋼鐵及合金化學(xué)分析方法》對(duì)該送檢試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果表明樣品化學(xué)成分符合《低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼》（GB/T 1591—2008）中Q390E的要求。

3.1.3 金相檢驗(yàn)

取樣對(duì)葉片金相組織進(jìn)行分析，葉片金相組織為鐵素體+珠光體，組織正常。距斷口15～25 mm處存在焊縫，焊縫金相組織為鐵素體+珠光體+貝氏體，組織正常。葉片表面存在金屬涂層，涂層最大厚度約1 mm。

3.2 風(fēng)機(jī)進(jìn)出口煙道流場(chǎng)分析

為探究進(jìn)口煙道流場(chǎng)的情況以及進(jìn)口氣流是否對(duì)增壓風(fēng)機(jī)產(chǎn)生明顯的負(fù)面影響，對(duì)增壓風(fēng)機(jī)進(jìn)口煙道進(jìn)行三維幾何建模，對(duì)所建模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，為保證網(wǎng)格質(zhì)量，網(wǎng)格劃分采用六面體網(wǎng)格[5-9]。計(jì)算中認(rèn)為流體不可壓，旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的離散方程采用顯示耦合方法求解，湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型，同時(shí)使用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。邊界條件進(jìn)口給定速度，出口給定靜壓，計(jì)算工況為設(shè)計(jì)工況。幾何模型示意圖如圖3所示。

對(duì)所建煙道三維模型進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算，整體流場(chǎng)流線圖如圖4所示。由數(shù)值計(jì)算結(jié)果可知，煙氣從引風(fēng)機(jī)出來(lái)通過(guò)T型對(duì)沖段匯合后經(jīng)兩個(gè)連續(xù)彎頭進(jìn)入增壓風(fēng)機(jī)。在T型對(duì)沖段及其下游存在明顯的局部氣流紊亂區(qū)。其后經(jīng)過(guò)增壓風(fēng)機(jī)進(jìn)口下降直管段的整流后，進(jìn)入增壓風(fēng)機(jī)的氣流分布相對(duì)較為均勻。

4 風(fēng)機(jī)改造方案及改造效果

4.1 改造方案介紹

上文對(duì)風(fēng)機(jī)與系統(tǒng)匹配性、葉片本身材質(zhì)性能、煙道流場(chǎng)等方面進(jìn)行了檢驗(yàn)、計(jì)算和分析，認(rèn)為風(fēng)機(jī)葉片斷裂的主要原因是：風(fēng)機(jī)性能與其所在的煙風(fēng)系統(tǒng)不匹配，風(fēng)機(jī)長(zhǎng)期處于失速或接近失速狀態(tài)運(yùn)行，葉片容易受到不穩(wěn)定氣流的沖擊，存在較強(qiáng)的氣流激振力。同時(shí)風(fēng)機(jī)葉片的加工存在一定的質(zhì)量問(wèn)題，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間受到交變應(yīng)力的作用產(chǎn)生疲勞斷裂。

由于現(xiàn)有煙風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)是由其中的設(shè)備、鍋爐運(yùn)行工況等因素所決定的，很難進(jìn)行系統(tǒng)的優(yōu)化或改造，因此為了解決風(fēng)機(jī)與其所在煙風(fēng)系統(tǒng)不匹配的問(wèn)題，主要技術(shù)路線就是進(jìn)行增壓風(fēng)機(jī)本體改造，根據(jù)現(xiàn)有煙風(fēng)系統(tǒng)參數(shù)選擇合適的風(fēng)機(jī)。同時(shí)進(jìn)行煙道優(yōu)化，降低煙風(fēng)系統(tǒng)阻力，進(jìn)一步改善增壓風(fēng)機(jī)進(jìn)口氣流，提高風(fēng)機(jī)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和可靠性。

新增壓風(fēng)機(jī)主要性能參數(shù)確定如下：

4.1.1 風(fēng)量參數(shù)確定

本次試驗(yàn)期間，由于鍋爐自身問(wèn)題，鍋爐沒(méi)有達(dá)到BMCR最大出力工況，因此在風(fēng)機(jī)風(fēng)量參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)，需要依據(jù)試驗(yàn)最大工況負(fù)荷的實(shí)測(cè)增壓風(fēng)機(jī)風(fēng)量換算到鍋爐BMCR工況。得出試驗(yàn)期間BMCR工況增壓風(fēng)機(jī)的風(fēng)量為272.8 m3/s。

風(fēng)機(jī)改造對(duì)煙溫沒(méi)有影響，考慮今后鍋爐運(yùn)行情況的變化，按選擇經(jīng)驗(yàn)在BMCR實(shí)測(cè)風(fēng)量基礎(chǔ)上選取10%的風(fēng)量裕度為宜，計(jì)算圓整后取300.0 m3/s。

4.1.2 風(fēng)壓參數(shù)確定

同理，換算得到試驗(yàn)期間BMCR工況增壓風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓為2 072 Pa?？紤]試驗(yàn)期間脫硫系統(tǒng)還有兩層噴淋層未開(kāi)，在換算全壓的基礎(chǔ)上另加800 Pa；進(jìn)行煙道優(yōu)化后引風(fēng)機(jī)出口至增壓風(fēng)機(jī)入口段煙道阻力可降低120 Pa左右，得到BMCR工況全壓為2 752 Pa。

考慮到夏季工況、煤質(zhì)變差、漏風(fēng)增大、空預(yù)器堵塞等情況，在實(shí)測(cè)煙氣系統(tǒng)阻力的基礎(chǔ)上選取15%的風(fēng)壓裕度，計(jì)算得到改造后增壓風(fēng)機(jī)TB工況設(shè)計(jì)壓力，圓整后取3 100.0 Pa。

4.1.3 電機(jī)功率參數(shù)確定

經(jīng)過(guò)校核，原有電機(jī)滿(mǎn)足運(yùn)行要求，無(wú)須改造。

4.1.4 風(fēng)機(jī)選型參數(shù)

根據(jù)試驗(yàn)實(shí)測(cè)參數(shù)和上文計(jì)算的設(shè)計(jì)點(diǎn)參數(shù)，可得到改后風(fēng)機(jī)各工況下的主要運(yùn)行參數(shù)如表2所示。

表2 新增壓風(fēng)機(jī)各工況運(yùn)行參數(shù)

4.2 改造效果

根據(jù)上文的分析結(jié)果及提出的改造方案進(jìn)行改造后，增壓風(fēng)機(jī)已安全穩(wěn)定運(yùn)行一年多，未發(fā)現(xiàn)葉片開(kāi)裂或者斷裂現(xiàn)象。全負(fù)荷工況下，風(fēng)機(jī)振動(dòng)振速均小于2.5 mm/s，改造取得良好效果。

5 結(jié)論

本文對(duì)增壓風(fēng)機(jī)葉片斷裂情況進(jìn)行了介紹，從斷裂現(xiàn)象總結(jié)、葉片材質(zhì)性能檢測(cè)、風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能分析、進(jìn)口煙道數(shù)值計(jì)算等方面探究葉片斷裂的原因。

通過(guò)分析，本文認(rèn)為風(fēng)機(jī)葉片斷裂的主要原因是風(fēng)機(jī)性能與其所在的煙風(fēng)系統(tǒng)不匹配。風(fēng)機(jī)長(zhǎng)期處于失速或接近失速狀態(tài)運(yùn)行，葉片容易受到不穩(wěn)定氣流的沖擊，存在較強(qiáng)的氣流激振力。同時(shí)風(fēng)機(jī)葉片的加工存在一定的質(zhì)量問(wèn)題，風(fēng)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間受到交變應(yīng)力的作用從而產(chǎn)生疲勞斷裂。

最后，根據(jù)實(shí)測(cè)的煙風(fēng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)給出增壓風(fēng)機(jī)新的選型設(shè)計(jì)參數(shù)并進(jìn)行改造，此后風(fēng)機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行一年多，未發(fā)生葉片斷裂現(xiàn)象，振動(dòng)振速小于2.5 mm/s，改造取得良好效果。本文為解決風(fēng)機(jī)葉片斷裂的問(wèn)題提供了典型案例，對(duì)相關(guān)問(wèn)題的解決具有較好的參考價(jià)值。