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电站轴流风机的失速喘振与防治西安热工研究院刘家钰2021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到达最大、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，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k时压力到达最大值。假设冲角继续增大，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，假设叶片2、3或4失速，那么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将增加，随之叶片失速。相反叶片2的角将减少，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，那么失速区将增加，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开展)，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，假设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)失速可能导至喘振假设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，给发电机组平安运行带来威胁。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。为保护风机自身平安，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，防止长期在失速状态下运行。图4 NOVENCO失速报警装置图5 失速探针压力的变化图6 TLT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。2)假设该装置失灵，戓未装失速报警装置，那么3)2)在运行调整过程中，假设发现一台风机的电流、压力有突然大辐度的变化，那么该风机失速；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，那么该风机失速。4)两台风机并联运行时，两台风机的开度和电流应根本相同，假设未进行调整操作，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，那么该风机失速。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；2)按电力行业标准DL/T468-2004?电站锅炉风机选型和使用导那么?规定，轴流风机的失速平安系数k1.3。3)K=pk/p(q/qk)24)式中：p、q为设计工况点的压力和流量。5)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，翻开旁路风道门，使一局部风(烟)量从风机出口流向风机入口，即使一局部风(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3)为消除轴流风机的失速，多年来学者们进行了大4)量的研究和实验工作，并提出了一些能把失速区向小5)风量方向推移，戓者把压力曲线上的波谷减弱直到完6)全消除的方法。但戓因结构复杂，戓因对风机效率影7)响大，或噪音问题而未能得到广泛应用。直到1974年8)原苏联伊万诺夫提出了一种简单有效的装置-空气分9)流器来消除旋转失速，并在矿井局扇上获得广泛应10)用。取得了美、英、法、原西德、印度、丹麦等多国11)专利后，在轴流风机上加装防失速装置才在静调轴流12)风机上得到较广泛使用。如德国kkk公司的KSE、我国13)淮南煤碳学院和西安热工院均成功地设计出了类似的14)防丢速装置并分别应用到矿井和电站轴流风机上。下15)面以西安热工院开发的该型防失速装置为例进行介绍 当叶片外表发生进界层别离阻塞流道时，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)在实际运行中假设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)，防止瞬时流量减小过大，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图1 1 送风机特性曲线送风机特性曲线二 钦州电厂一次风机失速原因分析1 试验结果 630MW 630MW工况工况5 5台磨台磨 500MW 500MW工况工况5 5台磨台磨 489MW 489MW工况工况4 4台磨台磨 400MW 400MW工况工况4 4台磨台磨 300MW 300MW工况工况3 3台磨台磨 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。风机平安性能计算结果名 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%38.77 37.11 34.00 30.00 36.00 32.00 31.00 27.00 26.00 22.00 风机就地开度033.00 26.00 36.00 23.00 35.00 24.00 37.00 22.00 40.00 20.00 性能曲线开度026.4327.5727.027.225.8626.4325.325.622.522.8风机秒流量m3/s48.78 53.66 48.06 50.06 48.62 51.14 46.74 47.78 37.36 39.44 风机全压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失速全压Pa14600149001470014700144001450014200142001360013600失速裕度2.72.742.662.922.873.023.173.373.453.90小结小结 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，风机能够平安稳定运行。2 两次失速过程两次失速过程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%34.9632.0831.4531.4531.4532.8435.4929.2B一次风机开度%32.9530.2029.5830.1930.1930.9733.6922.9A一次风机电流A85.0785.0774.0982.4773.2883.6673.9280.3B一次风机电流A82.2782.2182.2182.2182.2182.2182.2179.9A一次风机出口压力kPa10.1510.318.1310.177.9710.307.739.7B一次风机出口压力kPa10.0610.208.3310.178.1210.127.939.6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，一次风机各参数根本不变。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，进入平安稳定运行。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，两风机到达平安稳定并联运行。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/h150.84148.31148.31148.31120.61112.8388.79/A一次风机开度%38.0834.6833.2032.6537.1337.6937.6929.61B一次风机开度%38.4834.0433.4432.7638.0448.7553.4723.42A一次风机电流A90.0784.3984.3973.6773.6773.6773.6783.81B一次风机电流A88.2888.2888.2885.4285.4294.39100.4183.81A一次风机出口压力kPa9.909.7410.297.817.818.358.459.397B一次风机出口压力kPa9.809.6910.217.887.998.708.929.293从表盘记录的参数可以看出：运行控制人员于11月17日05时46分开始将原来的A、C、D、E4台磨运行，调为三台磨运行。05时46分29秒切断了D磨的电源停运D磨。从54分07秒开始，运行人员开始关闭D磨冷风门，两风机出口压力同时(两台风机出口有联络风道所致)先升高(这是由于一次风机调节门未动，流量减小风机产生压力会再升高所致)后(这一操作进行到54分30秒左右)骤降。同时，A一次风机电流骤降，A一次风机失速失速后运行人员干预，将两台一次风机入口调节门关小(先关A风机后关B风机)，直至A侧风机恢复正常运行，并将两风机电流调平。到6点3分左右，两一次风机的开度分别为29.61%和23.42%，电流均为83.81A，出口压力分别为9.397kPa和9.293kPa，两风机到达平安稳定并联运行。2 失速原因分析从两次A侧一次风机失速情况看，失速均是在由4台磨运行调整到3台磨运行(即停一台磨)的操作过程中发生，且在停磨前、后一次风机均能满足机组带指定负荷运行的要求，并且两台一次风机能稳定运行不失速。这说明一次风机的失速不是风机与一次风系统不匹配，失速裕度不够造成，而主要是运行操作不当引起的。本厂一次风机为双级动叶调节轴流风机，在动叶角度不变时，其压力与流量的关系曲线很陡，即压力梯度很大，流量变化范围很小。也就是说，该类风机在动叶角度不变时，稳定运行区的流量范围很小，在系统流量减小时易进入不稳定的失速区运行。本厂4台磨运行时，一次风机运行风量离该角度下的失速流量仅9.75m3/s。从两次风机失速时的开度均大于停磨后两风机稳定运行时的开度(参见下表)说明：风机失速主要原因是在停磨过程中，在减小磨煤机通风量的同时，未能及时将一次风机的出力降到应有值，即一次风机入口门调节不到位，造成总一次风量低于两台一次风机当时开度下的失速流量，从而导致一台风机失速。停磨过程中一次风机失速时与停磨后稳定运行时风机有关参数比较项目名称风机开度风机电流风机出口压力单位%AkPa工况失速时停磨稳定后失速时停磨稳定后失速时停磨稳定后07011.1733.2/33.4429.61/23.4284.39/88.2883.81/83.8110.29/10.219.4/9.307.11.2532.08/30.2029.2/22.985.07/82.2180.3/79.910.31/10.209.7/9.6防止失速的措施(供讨论参考)1在减磨减风量时，一定要精心操作，在注意观察磨煤机有关运行参数变化的同时，还应密切注意一次风母管压力和一次风机运行参数的变化。我们推荐：在整个停磨过程中保持磨煤机进口一次风母管的压力不变，甚至略低些。2在减小被停磨通风量的同时关小(甚至提前关小)两一次风机的调节门开度，保证一次风机出口压力逐渐降低(尽可能防止哪怕是短时的增长)。在进行各调节风门的调整时，速度不可太快，要一点一点地缓慢进行。保证被停磨煤机顺利停运，两一次风机始终处于稳定运行区域内运行。3 同样，在启动磨煤机时，也应精心操作，保持整个启磨过程中一次风母管压力不变。先开磨煤机有关风门，后开大一次风机调节门。4 当磨煤机因某种原因突然跳闸时，不要只立即联动关断磨煤机出口闸门。或采取跳磨关断磨煤机出口门的同时强制两台一次风机入口调节门关小某一值(如5%)；或联动关断热风门、开大冷风门的同时联动关小两台一次风机的入口调节门，保持磨入口母管内压力变化最小。谢谢！请批批评指正。指正。