軸流風機工作點可視化運用探討

國電開遠發電有限公司 魏興文 張子明 凌國峰 熊 方 張勇前

隨著我國火電機組廣泛進行深度調峰運行，機組長時低負荷運行成為常態，而鍋爐輔機在設計選型時是以鍋爐BMCR（鍋爐最大連續出力）工況為參考數據加上10%富裕量作為選型參數，鍋爐BMCR（鍋爐最大連續出力）工況蒸發量本身就比BERC(鍋爐額定蒸發量）工況富裕5%，現在鍋爐蒸發量長時在50～70%BERC 工況運行，導致鍋爐輔機運行工況大幅度偏離設計工況而長期處于低負荷工況運行，輔機的運行狀況既不經濟又不安全。

其中軸流風機由于結構簡單可靠性高、風量大在鍋爐輔機中得到廣泛運用。但軸流風機的結構特點決定了軸流風機在運行過程中易發生失速、喘振等故障。這些故障嚴重威脅軸流風機運行的安全性和經濟性[1]。除在軸流風機設計制造、選型及軸流風機配套系統設計過程中采取相應技術措施外，軸流風機投入運行后的操作控制也對避免軸流風機發生失速、喘振等故障有著重要的影響。

1 軸流風機失速、喘振的機理

為避免軸流風機運行中發生失速、喘振等故障，有必要先研究清楚軸流風機發生失速、喘振等故障的機理。

軸流風機動葉片采用翼型葉片，氣流流過翼型葉片前緣時被分為兩份氣流分別緊貼葉片上下表面流過，在葉片后緣重新匯合。氣流進入翼型葉片前的氣流角度與翼型葉片翼弦之間的夾角稱為沖角（迎角），當沖角α＞12°后緊貼葉片上表面的氣流邊界層在葉片后緣處發生的分離旋渦加劇，葉片氣動性能惡化，此沖角為臨界沖角，沖角大于臨界沖角后的流動稱為失速流動。發生失速流動的軸流風機工作惡化，效率下降并伴有噪音和振動。

如圖1所示，沖角越大分離旋渦也越大，對氣流的流動阻礙就越大。由于風機各片葉片結構尺寸存在加工誤差和葉片安裝角存在的細微差異，導致風機各葉片不會同時發生失速，通常是某一葉片氣道內先發生失速，旋渦氣流堵塞了葉片氣道后致使該氣道的氣流被迫向相鄰葉片氣道分流：使順旋轉方向的氣道氣流阻塞減緩而退出失速狀態；使逆旋轉方向的相鄰氣道氣流阻塞加劇，逐漸發生失速，從而實現了失速的傳播和推移，這通常稱為旋轉失速。旋轉失速會對風機葉片施加交變作用力，讓葉片產生疲勞裂紋最終導致葉片斷裂。

圖1 沖角角度對氣流的影響

軸流風機在運行中因配套管網流量或系統阻力突變使風機流量下降而導致氣流沖角增大時，當氣流沖角超過臨界沖角后葉片出現失速，氣道發生阻塞，風機出口壓力快速下降。由于管網容量較大，管網壓力變化滯后于風機壓力變化，導致短時內管網壓力高于風機出口壓力，管網內氣流回流風機，風機出現正轉倒流。隨著管網壓力的持續下降，倒流逐漸停止，風機出口壓力逐漸升高恢復向管網輸送氣流，管網壓力逐步升高，風機流量又開始逐漸下降直至再次發生失速，風機再次出現正轉倒流現象。如此周而復始，風機流量時而外供時而回流，管網壓力忽高忽低，造成風機與管網頻繁震蕩，此種現象稱為“喘振”。喘振對風機與管網損壞極大，應盡力避免發生。

2 軸流風機失速、喘振的解決策

從理論上講氣流沖角α 大于臨界沖角是軸流風機發生失速的充分必要條件，如能控制氣流沖角不大于臨界沖角，就能避免軸流風機發生失速，也就能避免發生喘振。然而在軸流風機的實際運行中直接監測氣流沖角無疑是不現實的，而是通過調節軸流風機工作轉速、風機葉片安裝角度、管網系統阻力來控制軸流風機實際工作點遠離風機失速區域，以確保軸流風機不發生失速和喘振。但在鍋爐運行狀態頻繁變化時要保證軸流風機工作點不落入失速區，僅依靠現場操作人員的工作責任心和個人過硬的技術水平顯然是不夠的。而目前的軸流風機自動調節系統對于軸流風機發生失速、喘振前的狀態研判不足，自然也就難于發出高質量的風險預警。更多側重于軸流風機已發生失速、喘振時的報警，對于避免軸流風機發生失速、喘振幫助有限。

如將軸流風機運行工作點進行可視化處理，把表征軸流風機狀態的實時數據加工處理后，以動態工作點的形式直觀的顯示在以軸流風機的性能曲線為背景的坐標上，能極大提高現場工作人員對軸流風機安全、經濟狀況判斷決策的準確度和時效性[2]。為工作人員后續的軸流風機運行方式（風機運行臺數的多少）和軸流風機運行參數（風機工作轉速、風機葉片安裝角度、風機流量）的調整贏得時間。同時還可依據調整過程中軸流風機工作點移動軌跡，來判斷當前進行的軸流風機調整操作是否有效：工作點移動方向是否妥當？移動是否到位？從而更高效的推進后續的調整，直至軸流風機工作點即遠離失速區域，又處于軸流風機性能高效區[3]。

3 運用實例

某電廠為300M W循環流化床機組，2016年進行了煙氣脫硫改造，工程采用石灰石－石膏濕法煙氣脫硫工藝，1臺爐配備1座脫硫塔，系統無增壓風機，引風機與增壓風機合二為一。引風機為AP系列動葉可調軸流風機，引風機按照在設計煤質、BMCR（鍋爐最大連續出力）工況下鍋爐排煙量的10%計算流量裕量、另加10℃的溫度裕量、10%的壓頭裕量進行選型設計，其在BMCR、TB 工況下性能參數分別為：空預器出口煙氣量（m3/s）558（BMCR）、單臺引風機入口煙氣量（m3/s）345、385.8；引風機入口密度（kg/m3）0.7159、0.6942；引風機入口煙氣溫度（℃）145、155；引風機設計工作效率（%）88.5、87.9。兩臺引風機的入口煙氣量之和是鍋爐BMCR(鍋爐最大連續出力)工況的排煙量的1.38倍。在鍋爐BECR 工況(鍋爐蒸發量944T/H)時，鍋爐排煙量僅達到引風機入口設計煙氣量的45.2%。

在鍋爐蒸發量665T/H 工況時，鍋爐排煙量僅達到引風機入口設計流量的37.6%。由于機組發電負荷率較低，引風機全年長時間低負荷運行，而該廠采用兩臺引風機同時運行的運行方式，導致引風機長期小流量工況運行。而在鍋爐高負荷工況（鍋爐蒸發量950T/H、933T/H）時，鍋爐排煙量也僅占兩臺引風機入口煙氣流量之和的45.1%，顯然偏離引風機入口設計煙氣流量較多。通過將兩臺機組的4臺引風機的6個運行工況的引風機運行數據進行可視化處理后形成引風機工作點可視圖，可直觀看到引風機在高負荷工況下運行效率較高，基本維持在86～88%，但工作點較為接近失速線，當管網系統壓力（流量）突變時有失速、喘振風險；在引風機低負荷工況下，引風機工作點雖然遠離失速線，運行失速、喘振風險較低，但運行效率僅為65～72%。引風機設計工作點運行效率工作點1為87.9%，工作點2為88.5%，且都遠離風機失速線，是該型風機最佳工作點。

與設計工作點相比，目前該廠兩臺機組4臺引風機無論是高負荷還是低負荷工況均采用每臺爐兩臺引風機同時運行的運行方式，導致每臺引風機的入口煙氣流量均遠低于設計流量，引風機運行既不經濟又不安全。可考慮調整風機運行方式，采用一運一備的運行方式增加運行引風機的入口煙氣流量，既能維持運行引風機的效率又能增加風機運行安全性。同時還可通過技術改造，將引風機定速控制改為變速調節，從而能更快速的移動引風機工作點。

4 結語

隨著工業技術的快速發展，生產系統越來越復雜化和高技術化，現場各種設備狀態紛繁復雜，面對龐大的實時數據，能快速高效的獲取關鍵信息對現場工作人員尤其重要。傳統單純依靠現場工作人員直接從龐大的實時數據中解讀出有用信息的工作模式已經越來越難以適應要求，利用數據處理技術對現場實時數據進行加工提煉，形成直觀、簡易的信息供現場人員解讀，無疑能極大的提高現場人員獲取信息的效率，有利于快速、高效的做出準確決策，以更好的適應當前工業技術的快速發展。運用軸流風機實時運行狀態可視化技術，將有關風機運行安全與運行效率的信息形象直觀呈現在現場工作人員面前，有助于現場工作人員快速、準確高效的解讀生產數據，提高現場工作人員決策的科學性和時效性，從而有效提高設備的安全性和經濟性。