電站軸流式風(fēng)機(jī)的失速喘振與防治

1、電站軸流風(fēng)機(jī)的失速喘振與防治電站軸流風(fēng)機(jī)的失速喘振與防治西安熱工研究院劉家鈺2008年7月1 軸流風(fēng)機(jī)的失速與喘振現(xiàn)象 軸流式風(fēng)機(jī)當(dāng)調(diào)節(jié)葉片(動葉調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)為動葉片，靜葉調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)為入口調(diào)節(jié)葉片)角度固定在某一位置時(shí)，在正常工作區(qū)域內(nèi)，風(fēng)機(jī)的壓力隨風(fēng)機(jī)流量的減小而增加，當(dāng)流量減小到某一值時(shí)壓力達(dá)到最大、當(dāng)流量進(jìn)一步減小時(shí)，風(fēng)機(jī)壓力和運(yùn)行電流突然降低，振動和噪音增大這一現(xiàn)象被稱為風(fēng)機(jī)失速。 風(fēng)機(jī)失速后有兩種不同表現(xiàn)，一是風(fēng)機(jī)仍能穩(wěn)定運(yùn)行，即壓力、風(fēng)量、電流保持相對穩(wěn)定，但噪音增加；風(fēng)機(jī)及其進(jìn)、出口氣流壓力承周期性脈動；風(fēng)機(jī)振動常常比正常運(yùn)行高。這種現(xiàn)象稱之為旋轉(zhuǎn)失速。另一是風(fēng)機(jī)即壓力、風(fēng)量、電流大幅

2、度波動，噪音異常之大，風(fēng)機(jī)不能穩(wěn)定運(yùn)行，風(fēng)機(jī)可能很快遭受滅性損壞，這種現(xiàn)象稱之為喘振。2 失速喘振機(jī)理 軸流風(fēng)機(jī)是據(jù)機(jī)翼理論進(jìn)行氣動設(shè)計(jì)的，葉型上的壓升取決于翼型的升力，而翼型的升力除與翼型的形狀有關(guān)外，主要取決于沖角，當(dāng)葉型確定后，翼型的升力隨著沖角的增加開始成正比的增長，直到臨界沖角值k時(shí)壓力達(dá)到最大值。若沖角繼續(xù)增大，升力會突然下降。這是由于氣流氣流突然脫離葉型的凸面(吸力面)，產(chǎn)生很大旋渦所致。見圖1。圖1 機(jī)翼失速原理圖3 軸流風(fēng)機(jī)壓力特性曲線的由來軸流風(fēng)機(jī)壓力特性為馬鞍形狀。這是因?yàn)檩S流風(fēng)機(jī)的壓力遵循機(jī)翼升力理論的緣故。如圖2所示。軸流式風(fēng)機(jī)動葉片的沖角隨流量的減小而增大。圖2 軸

3、流風(fēng)機(jī)壓力特性形成機(jī)理4 軸流風(fēng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)失速 由于軸流風(fēng)機(jī)葉柵中各葉片的形線總是有些差異，安裝角度也不可能完全一致。因此，一般不是所有葉片都同時(shí)失速，而是一個(gè)或多個(gè)葉片組成的一個(gè)或多個(gè)失速區(qū)先失速。且失速區(qū)不是靜止不動的，而是沿著葉片移動，如圖3所示。圖3 軸流風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)失速原理 如圖3所示，若葉片2、3或4失速，則在這些葉片間的空氣流動減少或完全停止。隨之造成在這些區(qū)域里沒有壓升，這會造成向風(fēng)機(jī)葉輪進(jìn)口測的逆向流。從而在這些葉片的周圍形成一個(gè)氣流變化很大的區(qū)域。這個(gè)區(qū)域就是圖上的陰影區(qū)。葉片5在進(jìn)入這區(qū)域后沖角將增加，隨之葉片失速。相反葉片2的角將減少，這樣會造成這個(gè)葉片脫離失速。這種現(xiàn)象稱之

4、為旋轉(zhuǎn)失速。由于失速區(qū)在葉輪內(nèi)環(huán)繞移動的速度總是小于葉片的移動速度，因而相對于定子來說，失速區(qū)的移動方向與風(fēng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向相同。 由于失速區(qū)的不穩(wěn)定，風(fēng)機(jī)的運(yùn)行點(diǎn)也不穩(wěn)定，可能在圖1中的c和c，間移動。如果流量繼續(xù)減小，則失速區(qū)將增加，直到所有葉片頂部都失速，風(fēng)機(jī)運(yùn)行在圖1中的D點(diǎn)。 如果流量再繼續(xù)減少，那么失速區(qū)的徑向范圍將增加(即失速區(qū)從葉片頂部向根部發(fā)展)，直到全部葉片都失速時(shí)，風(fēng)機(jī)運(yùn)行在0流量的E點(diǎn)。5 失速的危害1)失速可導(dǎo)至風(fēng)機(jī)損壞 由上可知軸流風(fēng)機(jī)失速后，通常表現(xiàn)為旋轉(zhuǎn)失速。由于旋轉(zhuǎn)失速使風(fēng)機(jī)各葉片受到周期性力的作用，若風(fēng)機(jī)在失速區(qū)內(nèi)運(yùn)行相當(dāng)長的時(shí)間(或失速頻率與葉片自振頻率相當(dāng)時(shí)

5、的短時(shí)間內(nèi))，會造成葉片斷裂，葉輪的其元機(jī)械會損害。2)失速可能導(dǎo)至喘振 若管道系統(tǒng)的容積與阻力適當(dāng)，在風(fēng)機(jī)發(fā)生失速壓力降低時(shí)，出口管道內(nèi)的壓力會高于風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的壓力而使氣流發(fā)生倒流，同時(shí)管道內(nèi)壓力迅速降低，風(fēng)機(jī)又向管道輸送氣體，但因流量小風(fēng)機(jī)又失速，氣流又倒流。這種現(xiàn)象循環(huán)發(fā)生，稱為喘振。伴隨喘振的發(fā)生，風(fēng)機(jī)電流也大幅度波動，噪聲驚人。風(fēng)機(jī)發(fā)生喘振的破壞性很大，可在很短時(shí)間內(nèi)損壞風(fēng)機(jī)，必須立即停止風(fēng)機(jī)運(yùn)行。 可見，失速與喘振是兩個(gè)不同概念。失速是喘振的必要條件，但不是充分條件。3) 失速可能造成并列運(yùn)行風(fēng)機(jī)間相互“搶風(fēng)”，給發(fā)電機(jī)組安全運(yùn)行帶來威脅。兩臺并列運(yùn)行的風(fēng)機(jī)中的一臺發(fā)生失速后，兩臺風(fēng)

6、機(jī)間可能出現(xiàn)相互“搶風(fēng)”現(xiàn)象而無法并列運(yùn)行；或雖兩臺風(fēng)機(jī)能并列運(yùn)行，但兩臺風(fēng)機(jī)的總出力可能達(dá)不到需要值而影響其帶負(fù)荷能力。6 軸流風(fēng)機(jī)的失速報(bào)警裝置由于軸流風(fēng)機(jī)的失速區(qū)域大，當(dāng)風(fēng)機(jī)選型不當(dāng)，或所在風(fēng)(煙)系統(tǒng)阻力增加較多和漏風(fēng)變化較大時(shí)，很可能落入風(fēng)機(jī)失速區(qū)運(yùn)行。為保護(hù)風(fēng)機(jī)自身安全，目前電站軸流式風(fēng)機(jī)的制造廠都配有失速報(bào)警保護(hù)裝置。當(dāng)風(fēng)機(jī)發(fā)生失速時(shí)，讓遠(yuǎn)行人員及時(shí)知曉，并立即進(jìn)行調(diào)整，避免長期在失速狀態(tài)下運(yùn)行。圖4 NOVENCO失速報(bào)警裝置圖5 失速探針壓力的變化圖6 TLT失速報(bào)警裝置7 運(yùn)行中如何判斷風(fēng)機(jī)失速安裝有失速報(bào)警保護(hù)裝置的風(fēng)機(jī)，應(yīng)課持其管路暢通，裝置動作準(zhǔn)確。 若該裝置失靈，戓

7、未裝失速報(bào)警裝置，則2) 在運(yùn)行調(diào)整過程中，若發(fā)現(xiàn)一臺風(fēng)機(jī)的電流、壓力有突然大輻度的變化，則該風(fēng)機(jī)失速；3) 兩臺風(fēng)機(jī)并列運(yùn)行時(shí)，并未進(jìn)行調(diào)節(jié)而一臺風(fēng)機(jī)的電流等參數(shù)突然大幅度降低，則該風(fēng)機(jī)失速。4) 兩臺風(fēng)機(jī)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，兩臺風(fēng)機(jī)的開度和電流應(yīng)基本相同，若未進(jìn)行調(diào)整操作，而兩臺風(fēng)機(jī)的電流卻相差較大，且調(diào)整電流小的風(fēng)機(jī)出力不起作用，則該風(fēng)機(jī)失速。8 如何防止軸流風(fēng)機(jī)的失速風(fēng)機(jī)選型設(shè)計(jì)時(shí)留足失速裕量； 按電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T468-2004電站鍋爐風(fēng)機(jī)選型和使用導(dǎo)則規(guī)定，軸流風(fēng)機(jī)的失速安全系數(shù)k1.3。 K=pk/p(q/qk)2式中：p、q為設(shè)計(jì)工況點(diǎn)的壓力和流量。 pk、qk為對應(yīng)致計(jì)點(diǎn)風(fēng)機(jī)開度

8、下的失速界線點(diǎn)壓力和流量。2) 在軸流風(fēng)機(jī)的進(jìn)出口之間加旁路再循環(huán)風(fēng)(煙)道；當(dāng)風(fēng)機(jī)失速時(shí)，打開旁路風(fēng)道門，使一部分風(fēng)(煙)量從風(fēng)機(jī)出口流向風(fēng)機(jī)入口，即使一部分風(fēng)(煙)量在風(fēng)機(jī)內(nèi)循環(huán)，以增加風(fēng)機(jī)的風(fēng)(煙)量，使風(fēng)機(jī)脫離失速區(qū)運(yùn)行。但這增加了風(fēng)機(jī)的耗功，是很不經(jīng)濟(jì)的。加裝防失速裝置 為消除軸流風(fēng)機(jī)的失速，多年來學(xué)者們進(jìn)行了大量的研究和實(shí)驗(yàn)工作，并提出了一些能把失速區(qū)向小風(fēng)量方向推移，戓者把壓力曲線上的波谷減弱直到完全消除的辦法。但戓因結(jié)構(gòu)復(fù)雜，戓因?qū)︼L(fēng)機(jī)效率影響大，或噪音問題而未能得到廣泛應(yīng)用。直到1974年原蘇聯(lián)伊萬諾夫提出了一種簡單有效的裝置-空氣分流器來消除旋轉(zhuǎn)失速，并在礦井局扇上獲得廣泛

9、應(yīng)用。取得了美、英、法、原西德、印度、丹麥等多國專利后，在軸流風(fēng)機(jī)上加裝防失速裝置才在靜調(diào)軸流風(fēng)機(jī)上得到較廣泛使用。如德國kkk公司的KSE、我國淮南煤碳學(xué)院和西安熱工院均成功地設(shè)計(jì)出了類似的防丟速裝置并分別應(yīng)用到礦井和電站軸流風(fēng)機(jī)上。下面以西安熱工院開發(fā)的該型防失速裝置為例進(jìn)行介紹 當(dāng)葉片表面發(fā)生進(jìn)界層分離阻塞流道時(shí)，葉輪葉片進(jìn)口處壓力升高，其擾動氣流將進(jìn)入裝置的環(huán)形通道，并在環(huán)形通道內(nèi)導(dǎo)葉的作用下消除旋轉(zhuǎn)，再無干擾的引回葉輪前的的主氣流中。從而防止失速擴(kuò)展，還到大大縮小軸風(fēng)機(jī)失速區(qū)域的目的 圖7 加裝防失速裝置的軸流風(fēng)機(jī)示意圖圖8 軸流風(fēng)機(jī)防失速裝置圖9 軸流風(fēng)機(jī)有無防失速裝置性能曲線比較

10、9 防止運(yùn)行中軸流風(fēng)機(jī)失速措施防止運(yùn)行中軸流風(fēng)機(jī)失速措施1)運(yùn)行人員應(yīng)了解風(fēng)機(jī)所在系統(tǒng)的阻力構(gòu)成，特別是那些阻力較大又易于堵塞的設(shè)備（如預(yù)熱器、暖風(fēng)器、消聲器等）的正常阻力范圍。2)在實(shí)際運(yùn)行中若這些設(shè)備阻力超出了范圍可能導(dǎo)致風(fēng)機(jī)失速時(shí)，應(yīng)控制該風(fēng)機(jī)的出力，并及時(shí)采取措施消除堵塞。 3)運(yùn)行人員應(yīng)了觧當(dāng)風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)裝置固定在某一位置時(shí)，風(fēng)機(jī)流量的變化范圍，即從正常運(yùn)行流量到該角度(動葉角度或調(diào)節(jié)靜葉的角度)下的失速流量之間允許的流量變化。在操作風(fēng)機(jī)所在系統(tǒng)的其它設(shè)備時(shí)(如一次風(fēng)機(jī)所在系統(tǒng)的磨煤機(jī)時(shí))，避免瞬時(shí)流量減小過大，引起風(fēng)機(jī)失速。 4)加裝風(fēng)機(jī)運(yùn)行點(diǎn)監(jiān)視裝置，使運(yùn)行人員能看見風(fēng)機(jī)運(yùn)行在性能曲

11、線上的位置。圖10 電站風(fēng)機(jī)的并列運(yùn)行圖圖1 1 送風(fēng)機(jī)特性曲線送風(fēng)機(jī)特性曲線二 欽州電廠一次風(fēng)機(jī)失速原因分析1 試驗(yàn)結(jié)果 630MW 630MW工況（工況（5 5臺磨）臺磨） 500MW 500MW工況（工況（5 5臺磨）臺磨） 489MW 489MW工況（工況（4 4臺磨）臺磨） 400MW 400MW工況（工況（4 4臺磨）臺磨） 300MW300MW工況（工況（3 3臺磨）臺磨） 風(fēng)機(jī)與管網(wǎng)的匹配情況 在滿負(fù)荷條件下(鍋爐蒸發(fā)量臺1842.6t/h)，一次風(fēng)機(jī)的風(fēng)量和風(fēng)壓均略小于BMCR工況設(shè)計(jì)值，說明BMCR工況設(shè)計(jì)值較準(zhǔn)確；但由于TB工況點(diǎn)的裕量選擇過高，造成所選一次風(fēng)機(jī)出力偏大較

12、多，與管網(wǎng)系統(tǒng)的匹配較差，風(fēng)機(jī)運(yùn)行效率偏低。風(fēng)機(jī)安全性能計(jì)算結(jié)果名 稱單位2008-2-282008-3-32008-2-292008-3-22008-3-4機(jī)組發(fā)電負(fù)荷MW(1) 625.4(2) 496.2(3) 488.8(4) 401.00 (5) 302.80 投磨情況臺5臺磨5臺磨4臺磨4臺磨3臺磨引風(fēng)機(jī)編號ABABABABAB風(fēng)機(jī)表盤開度%38.77 37.11 34.00 30.00 36.00 32.00 31.00 27.00 26.00 22.00 風(fēng)機(jī)就地開度033.00 26.00 36.00 23.00 35.00 24.00 37.00 22.00 40.00 2

13、0.00 性能曲線開度026.4327.5727.027.225.8626.4325.325.622.522.8風(fēng)機(jī)秒流量m3/s48.78 53.66 48.06 50.06 48.62 51.14 46.74 47.78 37.36 39.44 風(fēng)機(jī)全壓Pa9906 9774 9387 9262 9855 9698 9039 8892 8882 8742 失速流量m3/s36.0040.0036.8936.8934.6736.0032.8932.8924.8924.89失速全壓Pa14600149001470014700144001450014200142001360013600失速裕度2

14、.72.742.662.922.873.023.173.373.453.90小結(jié)小結(jié) 通過本次熱態(tài)試驗(yàn)及前面的計(jì)算分析可以發(fā)現(xiàn)：目前一次風(fēng)機(jī)在滿負(fù)荷條件下，風(fēng)量和風(fēng)壓都略小于BMCR工況設(shè)計(jì)流量和設(shè)計(jì)風(fēng)壓，能夠保證鍋爐不同負(fù)荷的運(yùn)行要求。但風(fēng)機(jī)的風(fēng)量裕度和風(fēng)壓裕度選取過大，導(dǎo)致一次風(fēng)機(jī)在低效區(qū)運(yùn)行，風(fēng)機(jī)與管網(wǎng)匹配性較差。從本次試驗(yàn)來看，從300MW-625MW各工況一次工作點(diǎn)均遠(yuǎn)離理論失速線，風(fēng)機(jī)能夠安全穩(wěn)定運(yùn)行。2 兩次失速過程兩次失速過程2.1 在2007年11月25日01-02時(shí)，發(fā)電負(fù)荷為365MW-340MW，當(dāng)運(yùn)行人員將原有的四臺磨運(yùn)行調(diào)整為三臺磨運(yùn)行時(shí)，一次風(fēng)機(jī)發(fā)生了失速，表13

15、記錄了風(fēng)機(jī)失速前后一定時(shí)間段內(nèi)一次風(fēng)機(jī)及制粉系統(tǒng)的有關(guān)參數(shù)。007年11月25日2#爐一次風(fēng)機(jī)失速狀態(tài)集控室表盤參數(shù) 時(shí)間單位01.25.0701.43.1801.43.2201.43.3101.43.3601.43.4501.44.0301.49.30發(fā)電負(fù)荷MW364.57368.43368.86369.88369.37370.10369.66376.66總給煤量t/h144.9144.9144.9144.9144.9144.9144.9/A一次風(fēng)機(jī)開度%34.9632.0831.4531.4531.4532.8435.4929.2B一次風(fēng)機(jī)開度%32.9530.2029.5830.193

16、0.1930.9733.6922.9A一次風(fēng)機(jī)電流A85.0785.0774.0982.4773.2883.6673.9280.3B一次風(fēng)機(jī)電流A82.2782.2182.2182.2182.2182.2182.2179.9A一次風(fēng)機(jī)出口壓力kPa10.1510.318.1310.177.9710.307.739.7B一次風(fēng)機(jī)出口壓力kPa10.0610.208.3310.178.1210.127.939.6失速過程 從表盤記錄的參數(shù)：運(yùn)行人員在1點(diǎn)37分開始逐漸關(guān)閉B磨的負(fù)荷風(fēng)門，而在此之前B磨的冷風(fēng)門已經(jīng)全開，熱風(fēng)門全關(guān)； 39分關(guān)閉B磨電機(jī)，B磨停運(yùn)。約在1點(diǎn)42分兩負(fù)風(fēng)門關(guān)閉。在此過程

17、中運(yùn)行人員未對一次風(fēng)機(jī)進(jìn)行操作，一次風(fēng)機(jī)各參數(shù)基本不變。從1點(diǎn)43分10秒開始關(guān)閉B磨一次風(fēng)隔離門，當(dāng)該操作還在進(jìn)行時(shí)，A一次風(fēng)機(jī)于43分18秒發(fā)生失速(A風(fēng)機(jī)電流驟降且波動，因兩臺一次風(fēng)機(jī)出口有聯(lián)絡(luò)風(fēng)道，故兩臺風(fēng)機(jī)出口壓力也同時(shí)驟降且大愊波動)。 這一過程持續(xù)到約49分30秒，兩一次風(fēng)機(jī)電流調(diào)平，出口壓力穩(wěn)定，進(jìn)入安全穩(wěn)定運(yùn)行。此時(shí)兩風(fēng)機(jī)的開度分別約為29.2%和22.9% ，電流約為80A；出口壓力約為9.66kPa，兩風(fēng)機(jī)達(dá)到安全穩(wěn)定并聯(lián)運(yùn)行。 2007年11月17日2#爐一次風(fēng)機(jī)失速狀態(tài)集控室表盤參數(shù) 時(shí)間單位05.52.0505.54.1505.54.3005.54.3705.54.

18、5505.55.5505.56.3506.03.02發(fā)電負(fù)荷MW356.5360.65361.45361.88360.79345.23345.62349.72總給煤量t/h150.84148.31148.31148.31120.61112.8388.79/A一次風(fēng)機(jī)開度%38.0834.6833.2032.6537.1337.6937.6929.61B一次風(fēng)機(jī)開度%38.4834.0433.4432.7638.0448.7553.4723.42A一次風(fēng)機(jī)電流A90.0784.3984.3973.6773.6773.6773.6783.81B一次風(fēng)機(jī)電流A88.2888.2888.2885.42

19、85.4294.39100.4183.81A一次風(fēng)機(jī)出口壓力kPa9.909.7410.297.817.818.358.459.397B一次風(fēng)機(jī)出口壓力kPa9.809.6910.217.887.998.708.929.293 從表盤記錄的參數(shù)可以看出：運(yùn)行控制人員于11月17日05時(shí)46分開始將原來的A、C、D、E 4臺磨運(yùn)行，調(diào)為三臺磨運(yùn)行。05時(shí)46分29秒切斷了D磨的電源停運(yùn)D磨。 從54分07秒開始，運(yùn)行人員開始關(guān)閉D磨冷風(fēng)門，兩風(fēng)機(jī)出口壓力同時(shí)(兩臺風(fēng)機(jī)出口有聯(lián)絡(luò)風(fēng)道所致)先升高(這是由于一次風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)門未動，流量減小風(fēng)機(jī)產(chǎn)生壓力會再升高所致)后(這一操作進(jìn)行到54分30秒左右)驟降

20、。同時(shí)，A一次風(fēng)機(jī)電流驟降，A一次風(fēng)機(jī)失速 失速后運(yùn)行人員干預(yù)，將兩臺一次風(fēng)機(jī)入口調(diào)節(jié)門關(guān)小(先關(guān)A風(fēng)機(jī)后關(guān)B風(fēng)機(jī))，直至A側(cè)風(fēng)機(jī)恢復(fù)正常運(yùn)行，并將兩風(fēng)機(jī)電流調(diào)平。到6點(diǎn)3分左右，兩一次風(fēng)機(jī)的開度分別為29.61%和23.42% ，電流均為83.81A，出口壓力分別為9.397kPa和9.293kPa，兩風(fēng)機(jī)達(dá)到安全穩(wěn)定并聯(lián)運(yùn)行。2 失速原因分析 從兩次A側(cè)一次風(fēng)機(jī)失速情況看，失速均是在由4臺磨運(yùn)行調(diào)整到3臺磨運(yùn)行(即停一臺磨)的操作過程中發(fā)生，且在停磨前、后一次風(fēng)機(jī)均能滿足機(jī)組帶指定負(fù)荷運(yùn)行的要求，并且兩臺一次風(fēng)機(jī)能穩(wěn)定運(yùn)行不失速。這說明一次風(fēng)機(jī)的失速不是風(fēng)機(jī)與一次風(fēng)系統(tǒng)不匹配，失速裕度不夠造成，而主要是運(yùn)行操作不當(dāng)引起的。 本廠一次風(fēng)機(jī)為雙級動葉調(diào)節(jié)軸流風(fēng)機(jī)，在動葉角度不變時(shí)，其壓力與流量的關(guān)系曲線很陡，即壓力梯度很大，流量變化范圍很小。也就是說，該類風(fēng)機(jī)在動葉角度不變時(shí)，穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)的流量范圍很小，在系統(tǒng)流量減小時(shí)易進(jìn)入不穩(wěn)定的失速區(qū)運(yùn)行。本廠4臺磨運(yùn)行時(shí)，一次風(fēng)機(jī)運(yùn)行風(fēng)量離該角度下的失速流量僅9.75m3/s。 從兩次風(fēng)機(jī)失速時(shí)的開度均大于停磨后兩風(fēng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的開度(參見下表)說明：風(fēng)機(jī)失速主要原因是在停磨過程中，在減小磨煤機(jī)通風(fēng)量的同時(shí)，未能及時(shí)將一次風(fēng)機(jī)的出力降到應(yīng)有值，即一次風(fēng)機(jī)入口門調(diào)節(jié)不到位，造成總