軸流風機失速與喘振的應對措施

申 強

（山西興能發電有限責任公司，山西 太原 030206）

0 引言

伴隨著電力事業的快速發展，大容量高參數發電機組不斷投入運行。由于軸流風機在大風量調節上的優勢，以及具有的效率高、系統風量適應性強、尺寸小、重量輕等明顯優點，使其逐漸成為鍋爐風機的主流選擇，但受到軸流風機所具有的駝峰形狀性能曲線和運行環境惡劣的影響，客觀上決定了風機失速和喘振發生的可能性。

1 失速和喘振的成因機理分析

軸流風機最常見以及影響風機安全運行最重要的問題就是失速和喘振。

1.1 風機的失速

軸流風機葉片通常是機翼流線型的，當風機處于正常工況工作時，其空氣流向與機翼葉片進口端的夾角（也稱沖角）為零或小于臨界沖角，此時氣流在葉片上就產生兩種力，一是垂直于葉面的升力，另一種平行于葉片的阻力，且升力≥阻力。這時的受力主要是因氣流與葉片表面的摩擦而產生的阻力。隨著沖角的增大，氣流開始在葉片的上表面分離，葉片的后緣點附近出現了渦流現象，在超過臨界沖角時，氣流在葉片背部的流動遭到破壞，此時尾部渦流加劇，升力減少，阻力增加。如果脫流現象發生在風機葉道內，則脫流將對葉道造成堵塞，使葉道內的阻力增大，造成風壓的急劇降低，這種現象就叫做失速。由于各風機葉片在形狀和安裝角度上的差異，使產生脫流的現象在各葉道內交替進行，所造成的堵塞區也沿著葉輪旋轉相反的方向移動。因為葉片依次經過脫流區要受到交變應力的作用，所以應盡量避免風機在不穩定工況區運行。

1.2 風機的喘振

喘振是軸流風機運行中的特殊現象，是指風機的流量和壓頭在瞬間內發生不穩定的同期性反復變化的現象。因為軸流風機具有駝峰形狀的性能曲線，則必然存在其峰值點，即全壓性能曲線的最高點，當風機的工作點落在峰值點的左側，風機即進入了駝峰型流量、壓力Q—p性能曲線的不穩定區域。風機的喘振主要表現為出口風量、風壓、電機電流的大幅度擺動，風道內有劇烈的振動和異常的噪音等。此時風機與整個管道系統耦合為一個具有周期性變化的彈性的空氣動力系統，整個循環的頻率與系統的氣流振蕩頻率合拍，產生了共振。

喘振現象的形成包含有兩方面的因素，從內部來說，取決于葉柵內出現強烈的突變性旋轉失速；從外部條件來說，又與管網容量和阻力特性有關。

1.3 失速與喘振的區別與聯系

a)失速是葉片結構特性造成的一種空氣動力工況。失速的表現特性有其自身的規律，其不受系統容積形狀的影響，而喘振是風機與系統耦合后的振蕩特性的表現形式，其振幅、頻率等受風道容積的節制。

b)失速是軸流式風機的基本屬性，是不可避免的，它是隱形的，剛產生時，人無法感覺到，只有用精密儀器才能探測到。而喘振是顯形的，其表現是明顯的，甚至非常激烈。喘振的發生要具備一定的條件，不是必然發生的。

c)失速發生時，風機的流量、壓力和功率是基本穩定的，可以保證正常運行。而喘振發生時，因流量、壓力和功率的大幅度脈動，無法維持正常運行。

d)失速發生時，其風機特性曲線可以測得。但喘振時，因工況脈動，無法進行正常的測量。

e)喘振僅僅發生在風機特性曲線中峰值點以左的坡度區段，其壓力降低是失速造成的。而失速現象存在于峰值點以左的整個區段。

失速和喘振是密切相關的，但又有著本質的區別。沒有失速必然沒有喘振，有失速不一定有喘振，有喘振則必然有失速。

2 失速與喘振的發生原因

失速與喘振的發生是風機運行中的常見問題，對它產生原因的總結和分析具有現實意義。某電廠所發生的案例具有代表性，在此基礎上，對易引起失速與喘振的原因進行了分類比較。風機失速與喘振的原因分析及處理過程見表1。

表1 風機失速與喘振的原因分析及處理過程

從表1可以看出，引起失速與喘振的原因多集中在擋板誤動、控制系統故障、事故情況下的處理等方面，其根本原因還是系統中風道阻力增大，風機出口壓力突增，使風機運行工況點進入失速區。保持風機出口風壓的穩定，避免出口壓力的偏高或劇增，是防止風機失速及喘振發生的有效措施。

3 事故實例分析

某電廠現場實際所發生的失速與喘振，多集中在2臺風機并列運行中，表現為1臺風機電流或流量上升，另1臺風機電流或流量下降，這也就是“搶風”現象。

3.1 運行狀態

事故前運行參數為鍋爐負荷495 MW，A、B一次風機電流108A，動葉開度58%，一次風壓8.65kPa，總一次風量400 t/h，煤量245 t/h。

3.2 事故經過

機組在自動發電控制AGC(Automatic Generation Control)自動協調投入模式下，負荷升降速率12 MW/min，根據中調指令，負荷大幅度擺動調整，在5 min內負荷指令由495 MW↘450 MW→475 MW↗495 MW，在負荷反復的升降過程中，因為協調對煤量的過調影響。煤量大幅變化由245t/h↘208 t/h↗244 t/h。在負荷的變化過程中，2臺一次風機動葉開度隨之變化，一次風機出力相應改變，A一次風機出力由197 t/h↘171 t/h，B一次風機由214 t/h↗257 t/h，風機出口壓力分別為9.10 kPa和9.35 kPa。A一次風機出口壓力波動后突然電流減小至92 A，B一次風機出口壓力波動后突然電流增加到139 A，此時判斷A一次風機發生失速，并列運行的一次風機發生搶風，表現為一次風母管壓力降低，在自動模式下，2臺一次風機的動葉開大直至全開。運行人員迅速將動葉自動解為手動，降鍋爐負荷，減小動葉開度，將失速風機恢復到穩定參數后重新投入一次風機動葉自動控制。

3.3 原因分析

主要原因是因為負荷的大幅調整波動造成各臺磨的運行煤量相應大幅擺動。在煤量的增減變化中，一次風機動葉的調節相對滯后，通風量沒有及時跟上，風煙管道中的系統阻力增大，造成通流受阻，引起喘振搶風現象。

圖1為2臺性能相同的軸流風機并聯運行的性能曲線。從圖1中可以看出有一∞字型區域，正常狀態下，管路系統阻力曲線為系統1，則壓力p1為系統的工作點，此時每臺風機都在E1點穩定運行。當風煙管道中的系統阻力增大時，管路系統阻力曲線變成系統2，風機進入∞字型工作區域內運行，此時壓力p2為系統的工作點，2臺風機分別位于E2a和E2點工作。這時，大流量的風機在穩定區工作，小流量的風機則在不穩定區運行，2臺風機的平衡狀態被破壞掉，就出現了搶風現象。

圖1 Q—p曲線

4 結束語

軸流風機在運行中所發生的失速及喘振，通過相應的技術改進措施如加強空氣預熱器吹灰、保持風機出力平衡等，是能夠有效避免的。一旦發生風機失速，應迅速關小失速風機的動葉，相應關小未失速風機的動葉，使并聯運行的2臺風機動葉開度、電流相接近，這是使風機快速脫離失速工況的解決辦法。隨著軸流風機設計制造技術的不斷提高，它必將在電廠運行中發揮更大的作用。

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