动叶可调式轴流一次风机失速和喘振分析

李伟军

(大唐景泰发电厂，甘肃 白银 730408)

动叶可调式轴流一次风机失速和喘振分析

李伟军

(大唐景泰发电厂，甘肃 白银 730408)

介绍了动叶可调式轴流一次风机失速与喘振现象发生的机理，指出了失速和喘振的相互联系，分析了2台一次风机发生抢风现象的实际过程，提出了一次风机失速与喘振的预控和事故处理措施，提高了机组的安全稳定性。

动叶可调；一次风机；失速；喘振

0 引言

随着大型火力发电机组的迅速发展，高效、大容量的轴流式风机被普遍选用。动叶可调式轴流风机具有体积小、重量轻、低负荷区域效率较高、调节范围广、反应速度快等优点。但因轴流风机具有驼峰形性能曲线的特性，决定其并不是在任何工况点都能稳定地工作，一旦风机的工作点移至不稳定工作区就可能引发风机失速及喘振。失速和喘振对于风机的安全运行危害很大，若处理不正确，会损坏设备并危及机组的安全稳定运行。景泰发电厂1，2号炉的一次风机为上海鼓风机厂生产的双级动叶可调式轴流风机，型号为PAF19-14.4-2，呈卧式布置。该厂在调试和生产过程中，一次风机曾多次发生失速和喘振，影响风机的安全稳定运行，甚至危及到锅炉燃烧的稳定性，对机组的安全运行危害很大。

1 失速和喘振机理

1.1 失速

轴流式风机的叶片通常呈机翼流线型，当其冲角为0°或小于临界冲角时，它们的阻力主要为表面摩擦阻力，绕翼型的气流保持其流线形状；当冲角增加到某一临界值时，气流在叶片背部的流动就会遭到破坏，尾部涡流变宽，升力减小，阻力急剧增加，进而使叶道阻塞，导致风压急剧降低，这种现象就是失速。

如图1所示，气流方向与叶片叶弦的夹角α称为冲角。当风机处于正常工况时，冲角α很小，接近于0°，气流绕过机翼型叶片而保持流线状态，如图1(a)所示。当气流与叶片形成正冲角，即α＞0°，且此正冲角超过某一临界值时，叶片背面的气流工况开始恶化，边界层受到破坏，在叶片背面尾端出现涡流区，形成失速，如图1(b)所示。冲角大于临界值越多，失速越严重，流体流动阻力就越大，风机风压也随之迅速降低。

图1 风机叶片附近的流场

1.2 喘振

喘振是指泵与风机的流量和能头在瞬间发生不稳定的周期性反复变化的现象。动叶可调式轴流风机全压相对较低，其性能曲线呈驼峰型(见图2)，存在峰值点K，易发生喘振。通常称K点右侧区域为风机的稳定工作区，左侧为喘振区。当风机的工作点落入喘振区发生喘振时，风机和大容量管路系统耦合为一个具有周期弹性的空气动力系统。

图2 工况变化与失速过程(定流量运行)

1.3 失速与喘振的区别与联系

(1) 失速发生时，只是叶片附近的工况有波动，整台风机的流量、压头和电流基本保持稳定，仍可以连续运行；而喘振发生时，各项指示数据均大幅脉动，风机无法继续工作。

(2) 失速刚产生时，工作人员不易察觉，只有利用精密的仪器才能够探测到，此时风机的特性曲线仍然可以测得；而喘振产生的现象则非常激烈，无法测量到当时的工况。

(3) 失速是叶片结构导致的一种空气动力工况，有其自身的规律，其影响因素包括叶片结构、叶轮本身、进入叶轮的气流情况等；而喘振的发生及现象特征则取决于外界条件，例如风机在某系统中能正常工作，但安装至其他系统则可能发生喘振。

(4) 喘振仅发生于风机特性曲线中的喘振区，而失速现象则存在于峰值K点以左的整个区段。两者关系密切，可以说失速是诱发喘振的原因。

2 一次风机抢风过程分析

景泰发电厂1号机组的型号为CLNZK-24.2-566/566，是超临界、一次中间再热、单轴、三缸、四排队汽、直接空冷凝汽式汽轮机。该机组采用2台一次风机并列的运行方式。在实际运行中，轴流式风机失速多发生在增加风机出力的过程中，且并列运行的风机只有单台风机发生失速， 一般不会2台风机同时失速。风机失速时电动机电流下降，并有摆动现象，最明显的特征是失速风机的风量，急剧下降，甚至风烟系统的空气会倒流入失速风机。结合图1进行分析，可得出以下结论。

(1) 轴流式风机的p-Q性能曲线是一组带有驼峰形状的曲线，如图2所示。风机动叶处在每一角度下都有一条与之对应的曲线，每一条曲线都具有一个最高风压点，通常称为临界点。不同动叶角度下的曲线临界点左半段有重合的部分；临界点右半段则为动叶角度与曲线相对应。

(2) 以A，B 2台并列运行的一次风机为例。假设2台风机工作点存在微小差别(实际运行中2台风机工作点也不会完全相同，可能交替变化或者保持一定的差值)，在通风系统正常状态下，A，B 2台风机的风量为QA和QB，对应风机出口全风压为p1，风机工作点分别在图2中a，b位置上。此时的工作点都处在各自动叶角度下p-Q性能曲线临界点的右半段，风机处在稳定状态运行；即使2台风机动叶角度不一致或风量有较大偏差，风机也能稳定运行。

若由于某种因素(如跳磨、跳给煤机、风机挡板误关等)导致通风系统阻力增加。假设这时2台风机仍需要保持风量QA和QB，由于通风系统阻力增加，则需要开大风机的动叶角度，提高出口全风压来维持QA和QB不变，相应工作点要上移。当通风系统阻力增大到一定数值时，A，B风机的工作点将上移至a'和b'位置。a'已是A风机此时动叶角度下p-Q性能曲线上的临界点。B风机的工作点b'则以微小差值仍处在相应动叶角度下p-Q性能曲线上的临界点的右端。此时系统压力为p2，当A风机工作点上移至a'时，即到达了失速的边缘值。此状态下系统压力一旦出现波动，系统压力与A风机的全风压之间就会产生一个微压差，在这个压差的作用下，A风机风量受阻，风机出口的流速、总压头随之下降，系统压力与A风机全风压之间的压差进一步增大，A风机风量、压头继续下降，直至A风机全风压崩溃，风量倒流入A风机，A风机工作点沿p-Q性能曲线滑向左端，即轴流通风机在实际运行中发生失速的过程。受A风机失速影响，系统压力下降，B风机工作点对应的系统压力沿p-Q性能曲线迅速移向右下方，风量急剧增加，系统压力仅由B风机维持。此时，如不及时进行有效处理，极易导致锅炉灭火。

3 一次风机预控和处理措施

3.1 一次风机失速的预控措施

(1) 正常运行中严格控制2台一次风机出口压力≤11 kPa，风机动叶开度一般情况下不得大于93 %，防止风机工作点进入不稳定工作区。

(2) 在磨煤机启停操作过程中，应适当控制开关冷、热风调节挡板的速率。当冷、热风调节挡板全关后方允许关闭隔绝挡板，避免一次风压大幅波动。特别是在操作多台磨煤机时，如果关冷、热风速断门太快，易导致一次风压突升。在磨煤机事故跳闸时，应及时对一次风压进行调整∶开备用磨冷、热一次风门加大一次风量，卸掉因跳磨而积起来的风压，同时对一次风压力进行调整。

(3) 在入炉煤煤质较差期间，应尽可能地维持较多套数的制粉系统运行，防止因运行磨煤机煤量过大、出口温度过低，导致磨煤机发生堵煤、满煤现象。同时要防止因制粉系统运行套数偏低引起一次风压偏高。一般情况下，单台制粉系统出力不得大于58 t/h，磨煤机出口温度不得低于65 ℃。

(4) 加强对空预器，特别是水平烟道、尾部烟道的吹灰，减少风烟系统阻力。

(5) 利用停机消缺机会，更换严密性高的磨煤机冷、热风速断门，更换严密性高的一次风机、送风机的出口挡板，调整空预器的密封装置，减少系统漏风。

(6) 运行人员应加强对一次风机电流、动叶开度、风量、风机入口温度等参数的监视，发现两侧风机运行偏差异常增加时，应做好一次风机发生失速的事故预想，及时向上级部门管理人员汇报并通知检修部门进行维护处理。

3.2 一次风机失速、喘振事故的处理措施

(1) 当判断一次风机发生失速时，应立即手动关小失速风机动叶开度，同时关小未发生失速风机的动叶开度。

(2) 紧急手动停运上层制粉系统，并关闭停运磨煤机的入口冷、热风速断门及磨煤机出口门，投入AB/CD层油枪助燃，保留底层2或3套制粉系统运行。

(3) 退出CCS，快速降低给水流量，缓解主再热汽温下降趋势。根据汽温下降趋势和一次风压情况，以30 MW/min以上的速度快速降低机组负荷至300 MW以下。

(4) 当机组负荷降至300 MW仍无法维持主再热汽温或一次风压仍低于8.0 kPa时，继续降低机组负荷，启动电动给水泵运行(防止低负荷阶段小机汽源出力不足，引起给水流量低保护动作)，退出1台汽泵。锅炉转入湿态运行后维持机组负荷不小于150 MW。

(5) 在机组减负荷操作的同时进行一次风机出力调整。将2台风机动叶控制置于手动方式，适当关小另一台未失速风机的动叶开度，待机组运行参数趋于稳定后，开始进行风机并列操作。

(6) 若风机并列操作中继续发生抢风现象，应立即停止并列，尽快关小失速风机动叶开度，查明原因并消除后，再进行并列操作。

(7) 若因一次风系统的风门、挡板被误关而引起风机失速，应立即打开风门、挡板，同时调整动叶开度。若风门、挡板故障，应立即降低锅炉负荷，调整制粉系统运行，联系检修处理。

(8) 经上述处理抢风消失后，则稳定运行工况。在进一步查找原因并采取相应措施后，方可逐步增加风机的负荷。经上述处理后无效或已严重威胁设备的安全时，应立即停止该风机运行。

(9) 应特别注意的是，在事故处理过程中若主汽温在10 min之内下降幅度超过50 ℃时，必须立即手动打闸停机。

4 结论

轴流风机失速的问题，通过上述处理方法可以得到解决。但是一般来说，风机失速和喘振不仅与制造、安装有关，还涉及到风机的选型、风道的设计、调试、运行等各个方面，只有严格保证各个环节的工作质量，才能有效防治和消除失速和喘振。

通过以上理论分析与实际验证，对于如何正确处理火电厂轴流一次风机的失速问题，特提出以下建议。

(1) 在运行中当某台风机出现动叶开度大、出力下降、电流显著减小或波动大、就地振动大、噪声高时，基本可以判定风机已失速。此时应立即将风机自动控制转为手动调节，逐渐减少风机的动叶开度，降低p-Q曲线，降低临界工作点(K点)，使调节后的风机处于风机的高效率稳定区域内工作，直至发生旋转失速的风机的电流回升至正常值。与此同时可以快速降低机组负荷，并减小另一侧风机出力，降低管道阻力和母管压力，使旋转失速的风机尽快带上负荷，平衡两侧出力。

(2) 运行操作中，要注意尽量减少两侧动叶的开度偏差，使两侧出力平衡(电流值相近)，并且使电流不要过大，一次风压不要过高，同时还要按规定及时吹灰，减小系统阻力。

(3) 如果失速现象发生较多，应考虑对系统进行改造，如变管路直角弯头为圆弧角型，在风机进口处加装导流板，加装母管过压保护快开门等。

(4) 经过风机的常规调试后，必须根据现场实际情况对理论失速线进行修正，进而标定真实的理论失速线及风机的实际操控曲线。另外，系统计算误差、控制逻辑设置不当、系统调节机构动作失灵以及启动、并联风机的操作不当等诸多原因，也可能导致风机进入失速区。因此，在风机投运前应编制出具体的风机运行规程，作为风机运行、维护和检修的依据。

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∶2013-11-15。

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李伟军(1975-)，男，助理工程师，主要从事电厂设备安全、经济情况分析及运行规程、安全措施和管理标准编制等工作，email∶jylwj@163.com。