雙級動葉可調軸流風機氣動性能不達標故障 診斷及治理

李昊燃，鄭 金，杜繼臻

（1.西安熱工研究院有限公司，西安 710049；2.神皖能源有限責任公司，合肥 230051）

0 引言

燃煤電廠電站風機實際運行性能偏差較大的問題廣泛存在。目前，國內外研究人員針對風機實際運行性能達不到其設計性能的問題進行了大量研究［1-6］。李昊燃等［7］通過數值模擬計算分析得到風機進口速度分布不均對風機實際運行性能產生負面影響。張俊林［8］通過試驗實測和數值計算，分析得到不同的進口彎管型式對風機性能影響不同。聶波［9］通過試驗實測和數值計算，分析不同的出口彎管型式對風機性能的影響，結果表明風機出口連接正轉彎頭或反轉彎頭后，均會造成風機性能的明顯下降，這類情況主要存在對于離心式風機中。對于軸流式風機，雖然有研究人員也進行過類似研究，如鄭金等［10］根據試驗數據對華能銅川電廠600 MW 機組引風機性能進行診斷并提出風機優化改造方案，改善了風機實際運行性能并提高機組運行安全性。不過，這些分析討論主要集中在風機選型與管網系統匹配性上。但對于動葉可調軸流式風機氣動效率偏低的研究相對較少。

某火電機組1，2 號機組為2×660 MW 超超臨界機組，每個機組均配備兩臺新型動葉可調軸流式送風機。4 臺風機自投運以來均存在出力不足、耗電量高的問題，特別是夏季送風機電機功率基本達到額定功率，機組出力受限。

本文采用多種方法及思路對該電廠雙級動葉可調軸流風機存在的實際問題，進行試驗、分析、討論，找到原因。首先，通過送風機進行多次熱態試驗、現場排查及煙風管道模擬計算后發現，風機進出口管道、安裝精度等條件均滿足相關要求，初步分析是動調風機氣動性能設計存在問題。其次，按原設計圖紙等比例加工模型風機，在實驗室標準模型風機實驗臺采用標準化試驗方法對模型風機進行了風機空氣動力學性能驗證。通過現場試驗、數值計算、模型風機試驗驗證等相關數據綜合分析，認為：風機葉型與風機轉速、風機進氣箱尺寸結構匹配性不佳，導致風機內流損失過大，從而使得風機無法達到其設計性能。最終通過優化進氣箱尺寸、更換成熟葉型（含后導葉）的方式，成功解決了問題。

1 設備概況及研究背景

1.1 設備概況

該機組為2×660 MW 超超臨界機組，鍋爐為高效超超臨界參數變壓運行直流、全懸吊結構П型鍋爐，設計給水流量為541.7 kg/s。機組主要性能參數見表1。

表1 機組主要設計參數Tab.1 Design parameters of the power unit

每臺機組風煙系統原配置2 臺GU14230-012 型動調軸流送風機，主要設計參數見表2。

表2 送風機主要設計參數Tab.2 Design parameters of the forced draft fan

1.2 研究背景及現場試驗數據

該超超臨界機組自投運以來一直存在高負荷下送風機實際運行功率基本達到電機額定功率，導致機組發電負荷受限的問題。

首先，對1，2 號機組進行多次現場摸底性能試驗，由于篇幅所限，本文選取1 號機組試驗數據進行分析。送風機試驗實測結果見表3。

表3 送風機試驗實測結果Tab.3 Experimental result of the forced draft fan

由表中數據可知，實測高負荷工況下兩側送風機效率僅為68.9%/72.5%，比性能曲線上對應效率值偏低達到18.1%/14.5%，與性能曲線上葉片角度偏差最高可達13.0°，進一步可得如下結論：

（1）高負荷下送風機出現帶負荷吃力的主要原因是：風機高負荷工況實際運行效率嚴重偏離設計值，導致送風機電機實際所需電流超過額定電流。

（2）送風機實測運行效率、動葉開度與性能曲線上對應值偏差很大。

綜上可知，送風機運行效率低導致運行電流偏高是限制機組負荷的直接原因。

2 風機實際性能偏差較大原因分析

根據熱態試驗結果，進行初步分析，認為是動調送風機性能未能達到設計要求。但是由于動葉可調軸流式風機具有調節特性好、高效區域寬等特點，其風機實際運行效率與設計性能偏差較大的情況極為少見。鑒于此種情況，需要查找風機實際性能偏低的原因。

2.1 風機進出口條件的影響分析

該機組送風機進口風道為直管段，屬于常規設計，但是出口風道存在擴張段和暖風器，具有其設計特殊性。首先，建立數值模擬，計算探究風機出口風道氣流是否存在明顯渦流或者回流，進而影響風機性能［11-20］。

送風機出口風道內流線如圖1 所示。從圖可見，送風機出口流場流線分布較為均勻，無明顯較大區域的渦流或者回流。從計算結果來看，雖然有局部渦流但不至于引起送風機性能出現較大的偏差，因此排除風機出口風道對風機性能的影響。

2.2 風機現場安裝精度的影響

試驗人員在熱態情況下，進入風機內部對風機動葉、前后導葉、進氣箱等結構進行檢查，未發現異常。

機組停機后對送風機進行了冷態揭蓋檢查，檢查結果如下：

（1）送風機有20 片動葉，動葉后導葉共31片，經檢查后導葉安裝正確，無安裝誤差。

（2）檢查葉片型線：從葉根到葉頂沿高度方向用制造廠提供的葉片檢查樣板校核若干位置的葉片型線與樣板的吻合情況，吻合良好，無加工誤差。

（3）用角度儀檢查葉片根部、葉片中間位置、葉片頂部的扭曲角，與設計完全吻合，無設計誤差。

（4）對比風機基準葉片后發現，葉片全開角度20°、全關角度-36°，與風機性能曲線全開角度20°、全關角度-28°略有差別。

根據風機結構尺寸、裝配檢查、葉型尺寸校核等一系列排查，未發現由于安裝、裝配及設計帶來的，可能引起風機氣動性能偏差的原因。

通過從以上幾方面進行檢查，以排除送風機在風道系統設計、設備制造裝配、安裝精度等各方面的原因。這就使得問題較為復雜，通過充分了解，該送風機為設備廠家為數不多的高轉速（轉速達1 490 r/min）送風機，同時配套的風機動葉也是在高轉速上為數不多的應用。鑒于此種情況，提出根據現有實際送風機尺寸、風機葉型加工模型風機，進行模型風機試驗。

2.3 模型風機試驗

采用帶有進口側試驗風室的標準化試驗方法（C 型裝置），對配套低壓葉型的模型風機在-8°、+4°兩個開度下分別進行標準化風道性能試驗，試驗測試方法符合《GB/T 1236-2017 工業通風機用標準化風道性能試驗》的要求。

根據《GB/T 1236-2017 工業通風機用標準化風道性能試驗》，對模型風機在-8°、+4°兩個開度下試驗結果進行計算，將模型風機試驗狀態結果換算到設計狀態（效率并未進行換算），并將計算結果與送風機性能曲線進行對比，如圖2 所示。由圖可知，在-8°和+4°兩個開度線下，模型風機測試結果與原型送風機的性能曲線明顯不符，具體情況如下：

在-8°開度下，模型風機的最高效率為80.1%，在4°開度下，模型風機的最高效率為78.4%，遠低于原送風機在對應開度下的設計效率89.0%。此外，風機在-8°和+4°兩個開度線下，試驗測試結果與原型風機對應開度線的出力和走向存在明顯的偏差，尤其在+4°開度下，試驗測試結果明顯低于原型風機對應的設計出力。

通過上述試驗數據可知，原始送風機的實際氣動性能與其提供性能曲線保證性能嚴重不符。根據現場試驗數據及模型風機數據，基本可以判斷：送風機效率偏低、電機超流及風機帶負荷吃力的主要原因是送風機氣動性能設計存在問題。

3 解決方案及改后效果

通過采用各種試驗數據及結果分析，找到了送風機效率低導致風機運行電流超過電機額定電流的原因。最終，經過與設備廠家溝通，最終確定采用以下整改方案：

（1）將現有低壓型葉片更換為高壓型葉片（配套更換動葉后導葉），主要是高壓型葉片在高轉速風機上有著廣泛的應用。

（2）通過試驗數據分析發現：現有送風機進氣箱尺寸偏小導致內部損失太大，在滿負荷工況下，進氣箱動壓損失達到700 Pa。在更換葉片的同時更換風機進氣箱。

在改造前，對高壓型動葉模型風機進行氣動性能試驗，以驗證改造效果。

3.1 高壓葉型模型風機試驗

將原始低壓葉型更換為高壓葉型并進行模型風機試驗。

對高壓葉型模型風機在0°、+4°兩個開度下試驗結果進行計算，將模型風機試驗狀態結果換算到原型風機設計狀態（效率并未進行換算），并將計算結果標識于原型風機的性能曲線上，如圖4 所示。

圖3 送風機性能曲線數據對比Fig.3 Comparison of performance curves and test data of the forced draft fan

從圖可知，在0°開度下，模型風機的最高軸效率為85.2%（對應葉輪效率為87.0%），在+4°開度下，模型風機的最高軸效率為83.7%（對應葉輪效率為85.4%）。此外，風機在0°和+4°兩個開度線下，試驗測試結果與原型風機對應開度線的出力和走向基本一致。模型試驗數據表明：采用高壓葉型改造后的送風機性能可以得到 保證。

3.2 試驗測試結果

本節通過模型風機試驗結果可知，將低壓葉型更換為高壓葉型以后，試驗測試結果基本達到了原型風機性能要求。在模型風機試驗結果的指導下，對現場送風機葉片更換，改造后運行數據表明送風機性能得到明顯改善，解決了機組負荷受限問題。

4 結語

針對某機組動葉可調軸流式送風機性能不達標導致運行電流接近額定電流，限制機組帶負荷能力的問題，本文通過現場性能試驗、熱態風機結構檢查、冷態揭蓋檢查、數值模擬計算多種方法，排除了現場安裝精度、進出口風道等影響因素。通過模型風機試驗，確定了主要原因，并據此提出了整改方案。通過改造成功解決了風機性能不達標和機組負荷受限的問題。

由于動葉可調軸流式風機調節性能好、自身效率高，在火電機組運行中，其運行經濟性不佳主要是選型參數偏大，導致與管網系統匹配性不佳，而由于其本身氣動性能原因引起的風機效率偏低問題比較少見。本文解決送風機性能不達標問題的思路和方法對以后相關問題的處理具有明顯的借鑒和指導意義。