中速磨直吹式制粉系统轴流一次风机选型分析

王成文/华北电力设计院工程有限公司

中速磨直吹式制粉系统轴流一次风机选型分析

王成文/华北电力设计院工程有限公司

0 引言

机组不同负荷下风机工作点都有一定失速裕度，失速裕度满足设计工况点失速安全系数k＆gt;1.3的要求。但轴流一次风机选型设计如不考虑制粉系统及相关主要辅助设备特殊的运行特性，则风机运行中会存在失速风险。因此，有必要对机组运行中存在的特殊工况进行分析，在风机选型中加以考虑。

一次风机是电站燃煤锅炉燃烧系统和制粉系统的重要辅助设备，用来保障燃料的充分燃烧。一次风机的正确选型对锅炉机组的稳定、可靠和经济运行有非常重要的作用。

对于中速磨直吹式制粉系统，一次风机系统的特点是风量小、风压高，当风量变化时，风压变化小。动叶可调轴流风机通过改变动叶片运行角度调节风机流量和压头，这样可以使风机在较大的负荷变化范围内获得较高的平均效率。动叶可调轴流风机具有高效率区域广、调峰性能好、运行经济、电动机启动力矩小和启停快等优点。目前工程设计中对大容量锅炉大多采用双级动叶可调轴流式一次风机，实际运行证明动叶可调轴流风机具有较好的经济性。

在轴流式一次风机选型时，通常是仅仅给出各典型工况参数进行风机选型，甚至有些工程仅仅依据TB工况及BMCR工况进行选型，失速裕度按照设计工况点失速安全系数k＆gt;1.3要求。而实际运行中，很多电厂轴流式一次风机出现过失速等问题。本文结合制粉系统特点及辅助设备特性，对轴流式一次风机选型进行分析，以期优化风机选型参数，确保风机可靠安全运行。

1 轴流式一次风机特性

轴流风机通常采用机翼型叶片，当气流沿叶片进口端流入时，气流就沿着叶片两端分成上下两股，处于正常工况时，冲角为零或很小（气流方向与叶片叶弦的夹角α即为冲角），气流则绕过机翼型叶片而保持流线平稳的状态。当气流与叶片进口形成正冲角，即α＆gt;0°，且此正冲角超过某一临界值时，叶片背面流动工况开始恶化，边界层受到破坏，在叶片背面尾端出现涡流区，即所谓“失速”现象。冲角大于临界值越多，失速现象越严重，流体的流动阻力越大，使叶道阻塞，同时风机风压也随之迅速降低。

对风机本身而言，若在失速区域长时间运行，叶片每经过一次失速区就会受到一次激振力的作用，从而可使叶片产生共振。此时，叶片的动应力增加，将导致叶片断裂，且叶轮的机械部件也可能损坏。英国HOWMEN VARLAX公司有明确规定：风机在失速区内累计运行时间不能超过15h，否则要更换叶片。

当一台风机失速时，并联运行的另一台投入自动运行的风机，出力增大，容易造成电机过载。对机组而言，若风机发生失速，造成风机跳闸，将直接联锁单侧通风组停止，机组减负荷；如运行操作不当，还会造成磨煤机全部跳闸，锅炉发生MFT，联锁机组跳闸。

2 磨煤机运行特性对一次风机选型影响分析

锅炉制粉系统是火力发电厂的主要系统。中速磨煤机直吹式制粉系统中，一次风主要作用是将煤粉进行干燥并输送至锅炉燃烧器，同时供给煤粉着火阶段挥发燃烧所需要的氧量。大中型燃煤电站锅炉至少配置5台或6台磨煤机，其中1台为备用磨煤机。制粉系统出力要满足锅炉负荷的变化要求。运行中根据锅炉负荷，通过改变每台磨煤机的出力，和通过调节磨煤的投运台数来调节送入锅炉的煤粉量。一般情况下是锅炉在高负荷运行时，投入设计台数的磨煤机运行，在锅炉负荷降低时，首先是降低磨煤机的通风量和煤量，当磨煤机降低到约70％额定出力时，开始停运一台磨煤机，保持运行磨煤机以较高的出力运行以保证燃烧稳定；锅炉负荷再继续降低时，又开始降低磨煤机的出力，直到可以再停运一台磨煤机为止。

磨煤机的通风量调节，是根据锅炉不同负荷，设定不同的一次风母管压力。运行中根据锅炉负荷，调节磨煤机的投运台数和每台磨煤机的出力，同时通过调节动叶可调轴流一次风机的动叶开度和每台磨煤机的冷热风挡板开度，达到调节一次风量的目的，使磨煤机的通风量与给煤机相适应，即有适当的风煤比。

磨煤机正常停机的控制流程一般如下：给煤机出力减至最小出力，关闭热风调节门、调节冷风调节门开度，停给煤机；给煤机停运后，关冷风调节门，停相应磨煤机。

磨煤机紧急停运是由于该辅机的重要部件损坏，使其不能继续投运；或如轴承温度、振动突然升高，有损坏的可能；机体内发生冒烟着火或引起事故扩大，危及人身安全。另外是由于某些原因使超越了保护定值时磨煤机会发生突然跳闸。磨煤机紧急停运的处理流程如下：立即停止磨煤机运行；磨煤机停止后应隔绝磨煤机的空气：关闭冷、热风隔绝门挡板及调节挡板。

基于上述制粉系统运行控制及辅机停运的特殊性，中速磨煤机直吹式制粉系统一次风机运行中存在如下工况：在正常停运一台磨煤机时，因对应热风调节门关闭，冷风调节门开度加大，总的入炉一次风量会有下降；而当紧急停运一台磨煤机时，因对应的冷、热风道隔绝门快速关闭，该机通风量快速下降至零流量，此时，还在投运的其他几台磨煤机负荷并未变化，相应磨煤机的通风量维持自动控制，对应通风量维持不变，则总的入炉一次风量下降明显。因此，在磨煤机紧急停运过程中，一次风量快速下降，而投入自动的动叶可调轴流式一次风机其动叶开度并未调整，此时一次风量如低于该动叶开度下对应的最小失速流量，则并列运行的两台一次风机，必然会有一台风机发生失速。

下面结合工程实例，对动叶可调轴流一次风机选型中可能存在的风机失速工况进行分析。对于大中型锅炉，一般要求不少于两台磨运行，否则将导致锅炉跳闸。因此风机失速校验仅需考虑3台或以上磨煤机投运工况。而对于两台或以上磨煤机紧急停运，此工况会触发RB控制程序，因此对于一次风机失速校验可不用考虑此工况。

以某2×350MW褐煤机组为例，一次风机采用双级动叶可调轴流风机，配置6台中速磨煤机，5运1备。一次风机选型参数见表1。

表1 某2×350MW机组一次风机选型参数

根据表1选型参数，某风机厂提供的选型方案一风机特性曲线见图1。因未给风机厂提供各工况磨煤机紧急停运工况一次风量，风机厂选型中并未考虑停磨工况风速失速问题。经核算，该选型方案50％THA工况动叶等开度失速风量约为41m3/s，而该工况下磨煤机紧急停运一次风量为38m3/s，已低于该动叶开度下失速风量，见表2中数据。如在50％THA负荷运行中磨煤机紧急停运，则并联运行的两台一次风机必然会有一台发生失速。为规避上述失速风险，由风机厂重新进行了选型，选型方案二风机特性曲线见图2。从选型方案二的风机特性曲线可以看出，该选型方案压力特性曲线更为平缓，流量失速裕量更大，各负荷动叶等开度失速风量均低于磨煤机紧急停运工况一次风量，失速风量对比见表2。

图1 选型方案一

图2 选型方案二

表2 不同选型方案失速风量对比表

在某2×1 000MW机组风机选型中，双级动叶可调轴流风机一次风机选型数据中也仅给出了各负荷下的风机参数，见表3。根据表3选型参数，风机厂a及风机厂b提供的选型方案风机特性曲线见图3及图4。因同样未给风机厂提供各工况磨煤机紧急停运工况的一次风量，两家风机厂选型中并未考虑停磨工况风速失速问题。从图3及图4可查得各负荷动叶等开度下失速风量，与各负荷磨煤机紧急停运工况一次风量对比汇总见表4。从表中可以看出，风机厂a的选型方案在50％THA负荷，风机厂b的选型方案在75％THA及50％THA负荷，动叶等开度失速风量均接近或高于磨煤机紧急停运工况的风量，风机存在跳磨失速风险。

3 回转式空预器运行特性对一次风机选型影响分析

表3 某2×1 000MW机组一次风机选型参数

图3 一次风机特性曲线

图4 一次风机特性曲线

表4 不同选型方案失速风量对比表

由于回转式空气预热器与管式空预器相比具有传热面密度高、结构紧凑、体积小、金属耗量低和容易布置等优点，在大中型锅炉上得到普遍应用。回转式空气预热器主要由筒形转子和外壳组成，转子是运动部件，外壳是静止部件，动静部件之间存在一定间隙。对于大容量机组采用的三分仓回转式空气预热器，空气预热器内一次风的风压大大高于烟气压力和二次风压力，因此在压差作用下不可避免地在动静间隙处存在一次风向烟气侧和二次风侧漏风的情况。

随着制造技术的进步，国内以前居高不下的漏风率也得到一定控制。在机组运行初期，空预器密封良好，一般一次风侧漏风率B-MCR工况可做到20％左右。在运行一年后，由于密封片的磨损或设备老化等问题，空预器漏风率会有所上升。一次风漏风率可达到30％左右。在机组部分负荷运行时，空气预热器换热介质温度降低，动静间隙增大，一次风漏风率会有更高。

表5为某项目理论计算的一次风侧漏风量及估算的运行一年后的一次风侧漏风量对比表。

在一次风机选型计算中，是按照空气预热器运行一年后一次风侧的漏风量计算风机的各工况基本风量的。本文第2节中所列工程实例的风机选型参数均基于此原则。从上表可以看出，在机组投产初期，空预器密封良好，一次风侧漏风率低于设计保证值30％左右，因此在相同负荷时，一次风机风量要低于选型工况，磨煤机通风量一致，一次风机压头基本相同，此时风机实际工作点应更接近于风机失速线，增大了风机失速风险。因此，在一次风机选型中，应根据机组投产初期空气预热器计算漏风量计算风机各负荷下风机参数，按照第2节原则，校验磨煤机紧急停运工况一次风机失速风险。

表5 某项目理论计算的一次风侧漏风量及估算的运行一年后的一次风侧漏风量对比表

4 结论

1）鉴于中速磨煤机直吹式制粉系统的运行特性，通过上述分析可以看出，如轴流式一次风机选型不当，在一台磨煤机紧急停运时，一次风机存在失速风险。优化的风机选型参数是：除应给出各负荷下风机参数外，还应提供磨煤机紧急停运工况一次风量，风机厂选型中考虑动叶等开度。失速风量应小于此风量值，以避免此工况风机发生失速问题。

2）回转式空预器在运行初期与后期的一次风侧漏风率相差较大，空预器密封良好时，一次风侧漏风率低，此时风机实际工作点更接近风机失速线。因此，应分别按空预器设备厂提供的计算漏风量及运行一年后保证漏风率，对磨煤机紧急停运工况一次风机失速进行校验。

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针对中速磨直吹式制粉系统中磨煤机及回转式空气预热器运行特性，对轴流一次风机失速工况进行了分析。工程实例表明，仅按照机组典型负荷工况参数进行轴流一次风机选型，存在中低负荷磨煤机紧急停运工况风机失速风险。建议优化轴流式一次风机选型参数，按照空预器一次风侧计算漏风率及运行一年后保证漏风率，补充机组不同负荷下磨煤机紧急停运工况一次风量。

轴流一次风机；风机选型；失速；磨煤机紧急停运；空预器漏风

Analysis on type selection of axial primary fans for medium-speed mill direct-fired pulverizing system

WangChengwen/NorthChinaPower Engineering Co.,LTD

axialprimaryfans;fans selection;stall;mill emergency shutdown; air preheater leakage

TH43;TK05

A

1006-8155（2015）06-0076-05

10.16492/j.fjjs.2015.06.0048

2015-04-21北京100120

Abstract:Stallconditionofaxial-flow primary air fan is analyzed according to the medium-speedmillandtherotary air-preheater operation characteristics in direct-firedpulverizingsystem.The engineering example showed that if axial flow fan was selected only in accordance with the parameters of the unit typical load condition,the stall risk of fan will be exised in the emergency shutdown condition when the mill was under middle or low load.The parametersofaxialfanselectionwas suggested to be optimized,adding the flow for the unit load in the mill emergency shutdown condition based on the calculated leakage value and the guarantee leakage value of air preheater.