動葉調(diào)節(jié)軸流式引風(fēng)機失速喘振的預(yù)防措施及邏輯優(yōu)化

吳仁紅 張劍 張娜

摘要：現(xiàn)階段火力發(fā)電機組設(shè)備的可靠性及自動化水平已經(jīng)大幅提高。但是由于系統(tǒng)設(shè)備的變化、運行方式的調(diào)整等諸多原因，火電機組引風(fēng)機失速喘振的現(xiàn)象時有發(fā)生，嚴(yán)重威脅機組安全穩(wěn)定運行。本文從引風(fēng)機失速喘振的原因出發(fā)，提出了相關(guān)的預(yù)防措施及邏輯優(yōu)化。

關(guān)鍵詞：軸流式風(fēng)機失速喘振原因;失速;喘振;工程案例;預(yù)防措施;邏輯優(yōu)化

中圖分類號：TK223.2? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

目前國內(nèi)火電機組高容量高參數(shù)已是發(fā)展趨勢。近年來，國家對于火電機組的環(huán)保要求提高，伴隨著火電機組煙氣脫硫脫硝超低排放改造的實施，導(dǎo)致風(fēng)煙系統(tǒng)阻力發(fā)生變化，對鍋爐引風(fēng)機的性能提出了更苛刻的要求。如何在保證鍋爐燃燒所需氧量基礎(chǔ)上，防止引風(fēng)機出現(xiàn)失速喘振成為了火電機組運行中不可忽視的課題。

1軸流式風(fēng)機失速喘振的原因

火電機組引風(fēng)機選型中，大都采用軸流式風(fēng)機，其中又分為動葉可調(diào)軸流式及靜葉可調(diào)式軸流式引風(fēng)機。

1.1 固定動葉安裝角的軸流風(fēng)機失速原因

圖1是在一定的轉(zhuǎn)速下，對葉片安裝角固定的軸流式風(fēng)機經(jīng)試驗測得的典型性能曲線。圖1-1中包含三條曲線：效率-流量曲線（η-qv）;全壓-流量曲線（H- qv）;功率-流量曲線（P- qv）。

有圖1可知：當(dāng)在設(shè)計工況時，對于曲線上的d點，此時沿葉片各截面的流線分布均勻，全壓相等，效率最高。如圖1-1（d）所示。

當(dāng)qv

由以上流量與全壓的變化關(guān)系可知，對于軸流式風(fēng)機，全壓-流量曲線（H- qv）中C點左側(cè)（駝峰形狀區(qū)域）為不穩(wěn)定工作區(qū)域。當(dāng)流量小于qvc時，來流速度的沖角α增大，風(fēng)機葉片內(nèi)的附面層即出現(xiàn)分離現(xiàn)象，產(chǎn)生旋渦，此時風(fēng)機出現(xiàn)失速。不過失速的程度不同，產(chǎn)生的現(xiàn)象也不盡相同。輕微的失速，讓人不易察覺。但是失速嚴(yán)重時，將使葉道阻塞，風(fēng)機出口壓力也會出現(xiàn)明顯的下降。

喘振：在某些系統(tǒng)的特定情況下，如果軸流式風(fēng)機失速嚴(yán)重，則有可能造成管網(wǎng)中壓力大于風(fēng)機出口壓力，管網(wǎng)中的氣流反過來向風(fēng)機倒流，即“倒風(fēng)”。倒流至一定程度時 ，由于葉柵前后壓力差逐漸消失，氣流減小，導(dǎo)致出口風(fēng)壓又開始快速上升，當(dāng)出口風(fēng)壓大于管網(wǎng)壓力時，風(fēng)機又開始“出風(fēng)”。這樣周期性的“倒風(fēng)”和“出風(fēng)”，即是風(fēng)機喘振。喘振風(fēng)機出現(xiàn)巨大的振動和噪音，嚴(yán)重的將使葉片斷裂，設(shè)備損壞。

1.2? 動葉可調(diào)節(jié)軸流式風(fēng)機并列運行變工況失速原因及特點

1.2.1? 動葉可調(diào)節(jié)軸流式風(fēng)機并列運行變工況過程中失速原因

具體分析如下：

圖2是動葉可調(diào)節(jié)軸流式風(fēng)機變工況性能曲線。圖中給出了不同動葉角度下所對應(yīng)的軸流式風(fēng)機的性能曲線。

假設(shè)原先系統(tǒng)阻力為P1，風(fēng)機A/B并聯(lián)在系統(tǒng)中運行。由于兩臺風(fēng)機各自風(fēng)道及風(fēng)機本身性能的差異，風(fēng)機A/B各自流量分別為qa和qb，工況點分別為a和b。當(dāng)系統(tǒng)流量不變，系統(tǒng)阻力上升為P2時，為了克服系統(tǒng)阻力，實現(xiàn)平衡，風(fēng)機各自增大動葉開度5○，風(fēng)機A/B工況點由a和b移至a和b。但是a工況點正位于圖1分析的臨界失速工況c處，氣流沖角較大，附面層開始分離，風(fēng)機A開始出現(xiàn)失速狀態(tài)。而工況點b處于動葉45○性能曲線駝峰區(qū)域右側(cè)，風(fēng)機B處于穩(wěn)定工作工況點。

這樣的情況下，風(fēng)機A出現(xiàn)失速，導(dǎo)致風(fēng)機A全壓下降，風(fēng)機B出力上升。于是風(fēng)機A動葉會繼續(xù)開大，但是風(fēng)機A已經(jīng)進入了失速區(qū)域，繼續(xù)開大動葉將導(dǎo)致風(fēng)機A失速加劇，全壓進一步下降，兩臺風(fēng)機的全壓差距進一步拉大。在火電機組實際系統(tǒng)中，此時的工況特點從參數(shù)上反應(yīng)出就是失速風(fēng)機動葉開度很大，全壓很小，電機電流大幅下降;另一臺風(fēng)機動葉開度也不正常增大，風(fēng)機電機電流大幅上升，甚至超過額定值。這就是風(fēng)機并列運行失速工況的典型表現(xiàn)。并列風(fēng)機發(fā)生失速喘振對風(fēng)機及系統(tǒng)都是巨大的威脅。

1.2.2 動葉可調(diào)節(jié)軸流式風(fēng)機失速工況特點

從圖2可以看出，在風(fēng)機A/B各自流量不變的情況下：風(fēng)機A流量小，動葉開度從35○開到40○即開始失速;而風(fēng)機B，如果繼續(xù)開大動葉，當(dāng)動葉開度達(dá)到55○也開始失速。可以發(fā)現(xiàn)動葉可調(diào)式軸流風(fēng)機失速工況的特點：低流量或高動葉開度。

2 火電機組動葉可調(diào)節(jié)軸流式引風(fēng)機實際運行中失速喘振原因

在火電機組引風(fēng)機實際運行中，動葉可調(diào)節(jié)軸流式引風(fēng)機失速喘振的原因可總結(jié)為以下情況：

（1）兩臺并列運行引風(fēng)機調(diào)節(jié)特性相差過大，在一些負(fù)荷段導(dǎo)致兩臺引風(fēng)機出力不平衡。

（2）引風(fēng)機進出口煙氣通道阻力發(fā)生變化，出口壓力升高過大。

（3）引風(fēng)機進出口擋板突然關(guān)閉或部分關(guān)閉，煙氣流動特性發(fā)生較大改變。

（4）引風(fēng)機動葉執(zhí)行機構(gòu)故障或卡澀，造成兩臺引風(fēng)機出力不平衡。

（5）引風(fēng)機動葉開度過大，引風(fēng)機運行工況進入失速區(qū)。

3工程案例：火電機組引風(fēng)機失速過程分析及預(yù)防

XX發(fā)電公司#5/6機組為2×1000MW超超臨界燃煤發(fā)電機組，鍋爐采用北京巴布科克·威爾科克斯公司超超臨界、變壓直流π型鍋爐，型號為B&WB-3218/28.25-M。引風(fēng)機采用動葉可調(diào)軸流式，型號為HU27648-AA 。

下圖為XX發(fā)電公司1000MW機組煙氣系統(tǒng)布置圖：

該機組煙氣系統(tǒng)的特點是：引風(fēng)機與增壓風(fēng)機合并為，在引風(fēng)機出口布置了特殊的換熱器─低溫省煤器。該換熱裝置利用引風(fēng)機出口煙氣加熱凝結(jié)水，降低排煙溫度，減少鍋爐排煙熱損失。在實際運行中，引風(fēng)機曾多次出現(xiàn)失速情況。

3.1? 火電機組引風(fēng)機失速工況參數(shù)分析

某次，XX發(fā)電公司（#5機組）發(fā)生引風(fēng)機失速喘振，引起爐膛壓力高高保護動作，鍋爐MFT。

引風(fēng)機失速發(fā)生前工況參數(shù)為：#5機組負(fù)荷970MW，鍋爐總風(fēng)量3043T/H，磨煤機B/C/D/E/F運行，總?cè)剂狭?56t/h。

該工況失速風(fēng)機為引風(fēng)機A。通過對比我們不難看出失速前后相關(guān)參數(shù)的典型變化：引風(fēng)機A電流大幅下降，引風(fēng)機B電流大幅上升;引風(fēng)機A進出口全壓大幅下降，引風(fēng)機進口壓力上升明顯;引風(fēng)機A/ B動葉開度均大幅度增加。風(fēng)機失速后，造成爐膛負(fù)壓大幅度上升，最終造成鍋爐MFT。

結(jié)合1.2.2分析的動葉可調(diào)節(jié)軸流式風(fēng)機失速工況特點，將引風(fēng)機A與B進行對比。分析如下：失速前，引風(fēng)機A全壓稍低（在煙氣通道近似相同的情況下，即煙氣流量低），而動葉開度卻較大，全部符合風(fēng)機失速喘振的工況特點。所以無疑最終引風(fēng)機A發(fā)生失速。另外，引風(fēng)機B動葉開度大幅上升在一定程度上也引起了自身失速，相對于引風(fēng)機A而言失速程度稍輕。

3.2? 火電機組引風(fēng)機失速的預(yù)防措施

預(yù)防火電機組動葉可調(diào)軸流式引風(fēng)機失速喘振，可以采取以下措施：

（1）減小煙氣系統(tǒng)阻力。在機組停運檢修時可以采取對空預(yù)器及電袋除塵器進行清灰。平時運行中加強對空預(yù)器及低溫省煤器吹灰工作。另外，可以對鍋爐風(fēng)煙系統(tǒng)進行技術(shù)改造，減小風(fēng)阻。

（2）完善引風(fēng)機相關(guān)保護。

現(xiàn)代大型軸流式風(fēng)機都設(shè)有喘振保護。喘振保護動作后，喘振風(fēng)機跳閘，使系統(tǒng)脫離異常工況。但是由于風(fēng)機氣流的不確定性，該保護可能誤動，工程中可對該保護邏輯條件進行優(yōu)化。譬如喘振保護信號與風(fēng)機電流偏差信號作為“與”的條件來觸發(fā)風(fēng)機跳閘。

（3）控制引風(fēng)機運行工況。

從軸流風(fēng)機的性能曲線上看，要想有效防止引風(fēng)機失速，對引風(fēng)機的運行工況的控制是至關(guān)重要的。

經(jīng)過對引風(fēng)機失速情況下各參數(shù)的限額的分析，制定技術(shù)措施可有效防止喘振失速。措施內(nèi)容包括：引風(fēng)機動葉開度、引風(fēng)機電流及兩臺引風(fēng)機電流偏差、全壓以及相關(guān)事故處理的原則。嚴(yán)格準(zhǔn)確執(zhí)行技術(shù)措施對預(yù)防引風(fēng)機失速喘振有很好的效果。

（4）調(diào)整煙氣系統(tǒng)其它設(shè)備運行方式。

現(xiàn)在火電機組引風(fēng)機出口基本都布置石灰石濕法脫硫裝置（吸收塔），用來脫去煙氣中硫化物。實際運行情況證明，脫硫吸收塔石灰石漿液循環(huán)泵的運行方式及運行臺數(shù)對引風(fēng)機出口煙氣阻力有較大影響。所以在環(huán)保參數(shù)符合要求的前提下，減少石灰石漿液循環(huán)泵的運行臺數(shù)對預(yù)防引風(fēng)機失速喘振也有一定幫助。

4邏輯優(yōu)化

XX發(fā)電公司1000MW機組動葉調(diào)節(jié)軸流式引風(fēng)機容易發(fā)生失速喘振，其主要原因為：機組超凈排放改造后，脫硝裝置SCR反應(yīng)區(qū)增加一層催化劑模塊;空預(yù)器差壓增大及引風(fēng)機出口布置低溫省煤器風(fēng)阻大等原因?qū)е抡麄€煙氣通道阻力過大。另外一方面，由于引風(fēng)機在設(shè)計選型時容量裕度不高，造成引風(fēng)機實際出力滿足不了超凈改造后的運行需求。

這種問題在實際工程中不算少見。針對這種情況，為充分發(fā)揮引風(fēng)機性能同時又要避免動葉開度過大造成引風(fēng)機失速喘振。可考慮以下機組控制邏輯優(yōu)化：

在引風(fēng)機正常運行的范圍內(nèi)，將兩臺引風(fēng)機動葉開度、電機電流均設(shè)置上限。這兩個條件中任一條件觸發(fā)后，發(fā)出以下控制閉鎖指令：

（1）閉鎖機組增加負(fù)荷

（2）閉鎖鍋爐增加燃料量

（3）閉鎖鍋爐增加送風(fēng)量

（4）閉鎖任何一臺引風(fēng)機動葉繼續(xù)開大

同時發(fā)出相關(guān)報警信號。

第（4）條邏輯尤為重要，因為可能會發(fā)生其中一臺引風(fēng)機動葉開度到達(dá)上限后無法繼續(xù)開大，而另外一臺引風(fēng)機動葉卻可以繼續(xù)增大。這種情況十分危險，可能會導(dǎo)致引風(fēng)機失速喘振的發(fā)生。

當(dāng)引風(fēng)機運行參數(shù)低于上限時，閉鎖立刻解除。

考慮特殊情況：引風(fēng)機RB工況時，可自動退出以上保護。

邏輯圖如下：

按此邏輯修改后，就能在自動控制下，安全并最大程度地發(fā)揮引風(fēng)機的性能，保證鍋爐燃燒所需要的氧量。

5 結(jié)語

火電機組軸流式引風(fēng)機發(fā)生失速喘振的原因是多方面的，一般來說，從引風(fēng)機的設(shè)計、制造、選型、安裝以及煙氣系統(tǒng)的變化都有可能對引風(fēng)機運行中發(fā)生失速喘振埋下隱患。預(yù)防引風(fēng)機失速喘振可以從這些環(huán)節(jié)進行管控 。具體到實際工程中，要具體分析，找出引起引風(fēng)機失速喘振的關(guān)鍵點，結(jié)合實際可行的辦法進行突破。

參考文獻(xiàn)：

（1）郭立君 .泵與風(fēng)機[M].北京：中國電力出版社，1997：78-79

（2）李春宏. 軸流風(fēng)機失速與喘振分析. [J].發(fā)電設(shè)備，2008（3）：237-240

作者簡介：

吳仁紅（1982-），男，漢族，大學(xué)本科，工程師，從事火電機組集控運行專業(yè)