电站轴流式风机的失速喘振与防治

电站轴流风机的失速喘振与防治西安热工研究院刘家钰2008年7月1轴流风机的失速与喘振现象•轴流式风机当调节叶片(动叶调节风机为动叶片，静叶调节风机为入口调节叶片)角度固定在某一位置时，在正常工作区域内，风机的压力随风机流量的减小而增加，当流量减小到某一值时压力达到最大、当流量进一步减小时，风机压力和运行电流突然降低，振动和噪音增大这一现象被称为风机失速。•风机失速后有两种不同表现，一是风机仍能稳定运行，即压力、风量、电流保持相对稳定，但噪音增加；风机及其进、出口气流压力承周期性脉动；风机振动常常比正常运行高。这种现象称之为旋转失速。另一是风机即压力、风量、电流大幅度波动，噪音异常之大，风机不能稳定运行，风机可能很快遭受灭性损坏，这种现象称之为喘振。2失速喘振机理•轴流风机是据机翼理论进行气动设计的，叶型上的压升取决于翼型的升力，而翼型的升力除与翼型的形状有关外，主要取决于冲角α，当叶型确定后，翼型的升力随着冲角的增加开始成正比的增长，直到临界冲角值αk时压力达到最大值。若冲角继续增大，升力会突然下降。这是由于气流气流突然脱离叶型的凸面(吸力面)，产生很大旋涡所致。见图1。图1机翼失速原理图3轴流风机压力特性曲线的由来•轴流风机压力特性为马鞍形状。这是因为轴流风机的压力遵循机翼升力理论的缘故。如图2所示。轴流式风机动叶片的冲角随流量的减小而增大。图2轴流风机压力特性形成机理4轴流风机的旋转失速由于轴流风机叶栅中各叶片的形线总是有些差异，安装角度也不可能完全一致。因此，一般不是所有叶片都同时失速，而是一个或多个叶片组成的一个或多个失速区先失速。且失速区不是静止不动的，而是沿着叶片移动，如图3所示。图3轴流风机旋转失速原理•如图3所示，若叶片2、3或4失速，则在这些叶片间的空气流动减少或完全停止。随之造成在这些区域里沒有压升，这会造成向风机叶轮进口测的逆向流。从而在这些叶片的周围形成一个气流变化很大的区域。这个区域就是图上的阴影区。叶片5在进入这区域后冲角α将增加，随之叶片失速。相反叶片2的α角将减少，这样会造成这个叶片脱离失速。这种现象称之为旋转失速。由于失速区在叶轮内环绕移动的速度总是小于叶片的移动速度，因而相对于定子来说，失速区的移动方向与风机的旋转方向相同。•由于失速区的不稳定，风机的运行点也不稳定，可能在图1中的c和c，间移动。如果流量继续减小，则失速区将增加，直到所有叶片顶部都失速，风机运行在图1中的D点。•如果流量再继续减少，那么失速区的径向范围将增加(即失速区从叶片顶部向根部发展)，直到全部叶片都失速时，风机运行在0流量的E点。5失速的危害1)失速可导至风机损坏由上可知轴流风机失速后，通常表现为旋转失速。由于旋转失速使风机各叶片受到周期性力的作用，若风机在失速区内运行相当长的时间(或失速频率与叶片自振频率相当时的短时间内)，会造成叶片断裂，叶轮的其元机械会损害。2)失速可能导至喘振若管道系统的容积与阻力适当，在风机发生失速压力降低时，出口管道内的压力会高于风机产生的压力而使气流发生倒流，同时管道内压力迅速降低，风机又向管道输送气体，但因流量小风机又失速，气流又倒流。这种现象循环发生，称为喘振。伴随喘振的发生，风机电流也大幅度波动，噪声惊人。风机发生喘振的破坏性很大，可在很短时间内损坏风机，必须立即停止风机运行。可见，失速与喘振是两个不同概念。失速是喘振的必要条件，但不是充分条件。3)失速可能造成并列运行风机间相互“抢风”，给发电机组安全运行带来威胁。两台并列运行的风机中的一台发生失速后，两台风机间可能出现相互“抢风”现象而无法并列运行；或虽两台风机能并列运行，但两台风机的总出力可能达不到需要值而影响其带负荷能力。6轴流风机的失速报警装置由于轴流风机的失速区域大，当风机选型不当，或所在风(烟)系统阻力增加较多和漏风变化较大时，很可能落入风机失速区运行。为保护风机自身安全，目前电站轴流式风机的制造厂都配有失速报警保护装置。当风机发生失速时，让远行人员及时知晓，并立即进行调整，避免长期在失速状态下运行。图4NOVENCO失速报警装置图5失速探针压力的变化图6TLT失速报警装置7运行中如何判断风机失速1)安装有失速报警保护装置的风机，应课持其管路畅通，装置动作准确。若该装置失灵，戓未装失速报警装置，则2)在运行调整过程中，若发现一台风机的电流、压力有突然大辐度的变化，则该风机失速；3)两台风机并列运行时，并未进行调节而一台风机的电流等参数突然大幅度降低，则该风机失速。4)两台风机并联运行时，两台风机的开度和电流应基本相同，若未进行调整操作，而两台风机的电流却相差较大，且调整电流小的风机出力不起作用，则该风机失速。8如何防止轴流风机的失速1)风机选型设计时留足失速裕量；按电力行业标准DL/T468-2004《电站锅炉风机选型和使用导则》规定，轴流风机的失速安全系数k1.3。K=pk/p(q/qk)2式中：p、q为设计工况点的压力和流量。pk、qk为对应致计点风机开度下的失速界线点压力和流量。2)在轴流风机的进出口之间加旁路再循环风(烟)道；当风机失速时，打开旁路风道门，使一部分风(烟)量从风机出口流向风机入口，即使一部分风(烟)量在风机内循环，以增加风机的风(烟)量，使风机脱离失速区运行。但这增加了风机的耗功，是很不经济的。2)加装防失速装置为消除轴流风机的失速，多年来学者们进行了大量的研究和实验工作，并提出了一些能把失速区向小风量方向推移，戓者把压力曲线上的波谷减弱直到完全消除的办法。但戓因结构复杂，戓因对风机效率影响大，或噪音问题而未能得到广泛应用。直到1974年原苏联伊万诺夫提出了一种简单有效的装置--空气分流器来消除旋转失速，并在矿井局扇上获得广泛应用。取得了美、英、法、原西德、印度、丹麦等多国专利后，在轴流风机上加装防失速装置才在静调轴流风机上得到较广泛使用。如德国kkk公司的KSE、我国淮南煤碳学院和西安热工院均成功地设计出了类似的防丢速装置并分别应用到矿井和电站轴流风机上。下面以西安热工院开发的该型防失速装置为例进行介绍当叶片表面发生进界层分离阻塞流道时，叶轮叶片进口处压力升高，其扰动气流将进入装置的环形通道，并在环形通道内导叶的作用下消除旋转，再无干扰的引回叶轮前的的主气流中。从而防止失速扩展，还到大大缩小轴风机失速区域的目的图7加装防失速装置的轴流风机示意图图8轴流风机防失速装置图9轴流风机有无防失速装置性能曲线比较9防止运行中轴流风机失速措施1)运行人员应了解风机所在系统的阻力构成，特别是那些阻力较大又易于堵塞的设备（如预热器、暖风器、消声器等）的正常阻力范围。2)在实际运行中若这些设备阻力超出了范围可能导致风机失速时，应控制该风机的出力，并及时采取措施消除堵塞。3)运行人员应了觧当风机调节装置固定在某一位置时，风机流量的变化范围，即从正常运行流量到该角度(动叶角度或调节静叶的角度)下的失速流量之间允许的流量变化。在操作风机所在系统的其它设备时(如一次风机所在系统的磨煤机时)，避免瞬时流量减小过大，引起风机失速。•4)加装风机运行点监视装置，使运行人员能看见风机运行在性能曲线上的位置。图10电站风机的并列运行图1送风机特性曲线二钦州电厂一次风机失速原因分析1试验结果Χ630MW工况（5台磨）△500MW工况（5台磨）○489MW工况（4台磨）□400MW工况（4台磨）＋300MW工况（3台磨）风机与管网的匹配情况•在满负荷条件下(锅炉蒸发量台1842.6t/h)，一次风机的风量和风压均略小于BMCR工况设计值，说明BMCR工况设计值较准确；但由于TB工况点的裕量选择过高，造成所选一次风机出力偏大较多，与管网系统的匹配较差，风机运行效率偏低。风机安全性能计算结果名称单位2008-2-282008-3-32008-2-292008-3-22008-3-4机组发电负荷MW(1)625.4(2)496.2(3)488.8(4)401.00(5)302.80投磨情况台5台磨5台磨4台磨4台磨3台磨引风机编号ABABABABAB风机表盘开度%38.7737.1134.0030.0036.0032.0031.0027.0026.0022.00风机就地开度033.0026.0036.0023.0035.0024.0037.0022.0040.0020.00性能曲线开度026.4327.5727.027.225.8626.4325.325.622.522.8风机秒流量m3/s48.7853.6648.0650.0648.6251.1446.7447.7837.3639.44风机全压Pa9906977493879262985596989039889288828742失速流量m3/s36.0040.0036.8936.8934.6736.0032.8932.8924.8924.89失速全压Pa14600149001470014700144001450014200142001360013600失速裕度2.72.742.662.922.873.023.173.373.453.90小结•通过本次热态试验及前面的计算分析可以发现：目前一次风机在满负荷条件下，风量和风压都略小于BMCR工况设计流量和设计风压，能够保证锅炉不同负荷的运行要求。但风机的风量裕度和风压裕度选取过大，导致一次风机在低效区运行，风机与管网匹配性较差。从本次试验来看，从300MW-625MW各工况一次工作点均远离理论失速线，风机能够安全稳定运行。2两次失速过程2.1在2007年11月25日01-02时，发电负荷为365MW-340MW，当运行人员将原有的四台磨运行调整为三台磨运行时，一次风机发生了失速，表13记录了风机失速前后一定时间段内一次风机及制粉系统的有关参数。007年11月25日2#炉一次风机失速状态集控室表盘参数时间单位01.25.0701.43.1801.43.2201.43.3101.43.3601.43.4501.44.0301.49.30发电负荷MW364.57368.43368.86369.88369.37370.10369.66376.66总给煤量t/h144.9144.9144.9144.9144.9144.9144.9/A一次风机开度%34.9632.0831.4531.4531.4532.8435.49～29.2B一次风机开度%32.9530.2029.5830.1930.1930.9733.69～22.9A一次风机电流A85.0785.0774.0982.4773.2883.6673.92～80.3B一次风机电流A82.2782.2182.2182.2182.2182.2182.21～79.9A一次风机出口压力kPa10.1510.318.1310.177.9710.307.73～9.7B一次风机出口压力kPa10.0610.208.3310.178.1210.127.93～9.6失速过程•从表盘记录的参数：运行人员在1点37分开始逐渐关闭B磨的负荷风门，而在此之前B磨的冷风门已经全开，热风门全关；39分关闭B磨电机，B磨停运。约在1点42分两负风门关闭。在此过程中运行人员未对一次风机进行操作，一次风机各参数基本不变。从1点43分10秒开始关闭B磨一次风隔离门，当该操作还在进行时，A一次风机于43分18秒发生失速(A风机电流骤降且波动，因两台一次风机出口有联络风道，故两台风机出口压力也同时骤降且大愊波动)。•这一过程持续到约49分30秒，两一次风机电流调平，出口压力稳定，进入安全稳定运行。此时两风机的开度分别约为29.2%和22.9%，电流约为80A；出口压力约为9.66kPa，两风机达到安全稳定并联运行。2007年11月17日2#炉一次风机失速状态集控室表盘参数时间单位05.52.0505.54.1505.54.3005.54.3705.54.5505.55.5505.56.3506.03.02发电负荷MW356.5360.65361.45361.88360.79345.23345.62349.72总给煤量t/h15