鍋爐一次風機葉輪損壞事故分析

王展池

(韶關發電廠，廣東 韶關 512029)

鍋爐一次風機葉輪損壞事故分析

王展池

(韶關發電廠，廣東 韶關 512029)

針對某廠10號爐一次風機嚴重損壞引起的跳機事故進行了分析。在風機失速機理基礎上，根據現場實際檢查及對A修的改造情況分析，認為風機進口風門的改造是導致風機失速引發事故的原因。

一次風機；改造；失速；葉片斷裂

韶關發電廠10號爐是東方鍋爐廠設計制造、燃用粵北紅土無煙煤的“W”型火焰鍋爐，其設計制造技術從美國福斯特?惠勒能源公司引進，鍋爐型號為DG1025/18.2-Ⅱ10，是亞臨界壓力、一次中間再熱的自然循環鍋爐。鍋爐配有2臺進口風門動葉可調式一次風機，A修中進行了部分改造，機組于2009-06-13 A修結束后啟動，2009-06-29發生了一次風機嚴重損壞引起跳機的事故。

1 事故概況

2009-06-29T07:29，10號機組負荷197 MW，主汽壓力12.33 MPa，主汽溫度542℃，一次風壓8.82 kPa。突然爐底一聲巨響，鍋爐MFT動作，首出“爐膛壓力低三值”，聯跳A，B一次風機，OFT動作，聯跳汽輪機、發變組程跳逆功率動作，廠用電切換正常。

就地檢查A一次風機葉輪，所有葉片斷裂，風機機殼被斷裂的葉片擊穿。機組按照鍋爐滅火處理程序進行處理。

07:57，10號爐重新點火。

08:20，10號機沖轉。

08:37，10號機重新并網。

由于擴大對B一次風機檢查及更換入口風門和處理葉片裂紋，至29日21:40，B一次風機檢修結束后啟動運行，機組負荷逐步由15 MW加至170MW，維持單一次風機運行。

1.1 設備簡介及A修情況

1.1.1 設備簡介

該一次風機型號為G5-48-11NO20.5D，轉速為1 480r/min，流量150.85～301.7 km3/h，全壓16 676～12 288 Pa，軸功率896～1 330kW。該風機為單級懸臂支承聯軸器傳動離心風機，主要由葉輪、轉軸、機殼、集流器、調節門及傳動部分組成。葉輪由12片后傾機翼斜切的葉片焊接于弧錐形的前盤與平板形的后盤中間位置，并經過靜、動平衡校正，運轉平穩。轉子由二開式的筒形軸承箱支承，軸承箱采用滾動軸承；風機采用入口擋板門進行風量調節。通過連續不斷旋轉的葉輪產生的離心力使空氣連續不斷地被輸送出去，再經過空氣預熱器后進入制粉系統。每爐配2臺該型號風機，并列運行。

1.1.2 A修中的改造情況

修前因為進口風門調節不穩定，跟不上AGC調節要求，且出口風道振動大，其他方面正常。A修前邀請上海鼓風機廠進行設計，改造進口風門和出口風道。在A修中將進口風門葉片由13片改為11片，出口風道(風機出口至空氣預熱器入口段)錐口放大，增加部分容積及內外部支撐裝置。

1.1.3 A修后出現的異常

在一次風母管壓力相同時，2臺一次風機電流比A修前增大30～40A，入口風門擋板開度為A修前開度的一半，運行時有很大的沉悶響聲，風機軸承振動有逐漸增大的趨勢。

1.2 現場檢查情況

(1) A一次風機飛車，葉輪葉片及進口盤全部分散斷裂(圖1)；機殼前后部被飛車葉片打穿；軸承箱前部地腳螺栓及軸承箱中分面緊固螺栓被拉松脫；進口風門有一個葉片外部定位塊脫落，其他定位銷磨損嚴重；檢查葉片裂口呈齊口型，有交變應力疲勞過載特征。

(2) B一次風機檢查發現，進口風門處有一個葉片斷裂，進入葉輪打傷其他葉片。進口風門處另有一個葉片外部定位塊脫落，其他定位銷磨損嚴重。在另外5片葉片進口靠輪轂盤部位發現100～150mm穿透性裂紋(圖2)。因為裂紋發生在非打傷葉片上，初步分析為葉片交變應力過載疲勞所致。對進口風門解體檢查，發現另一件固定銷焊接部位母材有疲勞裂紋。

(3) A，B一次風機出口風門均為全開狀態，無節流現象。

(4) B一次風機更換進口風門(換回A修前安裝的原設計風門)，開出后檢查，風門開度相同時，電流減少42 A；風門開度增大1倍且風機出口風壓相同時，電流與事故前基本持平；運行聲音恢復至A修前狀態，各振動值正常。

2 原因分析

本次事故發生在機組A修后啟動僅15天。A修中僅對A，B一次風機的進口風門及出口風道進行了改造，其余部分均無改動，可以判斷此次改造正是事故的直接原因。

2.1 出口風道改造對事故發生的影響

事故發生后，B一次風機更換回原進口風門后啟動，單風機運行時聲音、振動值均正常，風機電流與進口風門開度對應情況恢復A修前狀態。

7月28日A一次風機檢修結束后(使用原進口風門和新制造的原設計風機)啟動，2臺風機并列運行時聲音、振動值正常，出力平衡，風機電流與進口風門開度對應情況也恢復A修前狀態。由此可以看出，對出口風道的改造對此次事故無直接影響。

2.2 進口風門改造對事故發生的影響

失速、喘振、搶風都是風機的典型故障。從此次事故的現象可以排除喘振和搶風的可能，初步分析判斷為失速。在其他條件都不變的情況下，風機葉片前后壓差的大小決定于動葉沖角(即進口氣流相對速度w的方向與葉片安裝角之差)的大小。在臨界沖角值以內，上述壓差大致與葉片的沖角成比例，不同的葉片葉型有不同的臨界沖角值。當翼型的沖角超過臨界值時，氣流會離開葉片凸面，發生邊界層分離，產生大面積的渦流，此時風機的全壓下降，這種情況稱為“失速現象”。

(1) 當正沖角超過某一臨界值時，氣流在葉片背部的流動遭到破壞，升力減小，阻力卻急劇增加，這種現象稱為“脫流”或“失速”。如果脫流現象發生在風機的葉道內，則脫流將對葉道造成堵塞，使葉道內的阻力增大，同時風壓也隨之而迅速降低。從事故前的運行工況和鍋爐燃燒風量平衡原則看，為維持同等母管風壓，2臺風機電流升高了30～40A，但產生的能量沒有轉為風量進入鍋爐內，而是損耗在風機及出口風道內，損耗的最大可能就是產生大面積渦流，振動及響聲的異常沉悶正是其表現。

(2) 由于風機各葉片存在安裝誤差，安裝角不完全一致，氣流流場不均勻相等。因此，失速現象并不是所有葉片同時發生的，而是首先在一個或幾個葉片上出現。若在葉道2中出現脫流，該葉道由于受脫流區的排擠而變窄，流量減小，則氣流分別進入相鄰的1，3葉道中，使1，3葉道的氣流方向發生改變。結果使流入葉道1的氣流沖角減小，葉道1保持正常流動；葉道3的沖角增大，加劇了脫流和阻塞。同理葉道3的阻塞又影響相鄰葉道2和4的氣流，使葉道2消除脫流，同時引發葉道4出現脫流。也就是說，脫流區是旋轉的，其旋轉方向與葉輪旋轉方向相反，這種現象稱為旋轉失速，如圖3。

風機進入不穩定工況區運行時，葉輪內將產生一個到數個旋轉脫流區，葉片依次經過脫流區要受到交變應力的作用，這種交變應力會使葉片產生疲勞。葉片每經過一次脫流區將受到一次激振力的作用，此激振力的作用頻率與旋轉脫流的速度成正比，當脫流區的數目為2個、3個……時，則作用于每個葉片的激振力頻率也作2倍、3倍……的變化。如果這一激振力的作用頻率與葉片的固有頻率成整數倍關系，或者等于、接近于葉片的固有頻率時，葉片將與其發生共振。此時，葉片的動應力會突然增加，甚至可達數10倍以上，最終使葉片產生斷裂。一旦有一個葉片疲勞斷裂，將會把其他葉片全部打斷。

根據現場檢查，新風門葉片內外固定部位比較松動，外部定位銷有脫落，銷釘磨損嚴重存在較大間隙；A風機飛車，葉輪、葉片及進口盤全部斷裂分散；在B風機葉片母材較薄弱部位發生疲勞裂紋，且均發生在葉片后盤焊縫熱影響區；B風機進口風門有一個葉片斷裂，進入葉輪打傷葉片等都是有力的證據。

3 結束語

風機進口風門改造后與原設計的葉輪葉片不相配，較大地改變了動葉沖角并使其超過臨界值，出現失速現象。葉片在交變應力的作用下最終發生斷裂，導致了此次事故的發生。

2011-03-11)