電站軸流式風機的失速喘振與防治.ppt

1、電站軸流風機的失速喘振與防治,西安熱工研究院 劉家鈺 2008年7月,1 軸流風機的失速與喘振現(xiàn)象,軸流式風機當調(diào)節(jié)葉片(動葉調(diào)節(jié)風機為動葉片，靜葉調(diào)節(jié)風機為入口調(diào)節(jié)葉片)角度固定在某一位置時，在正常工作區(qū)域內(nèi)，風機的壓力隨風機流量的減小而增加，當流量減小到某一值時壓力達到最大、當流量進一步減小時，風機壓力和運行電流突然降低，振動和噪音增大這一現(xiàn)象被稱為風機失速。 風機失速后有兩種不同表現(xiàn)，一是風機仍能穩(wěn)定運行，即壓力、風量、電流保持相對穩(wěn)定，但噪音增加；風機及其進、出口氣流壓力承周期性脈動；風機振動常常比正常運行高。這種現(xiàn)象稱之為旋轉(zhuǎn)失速。另一是風機即壓力、風量、電流大幅度波動，噪音異常之大

2、，風機不能穩(wěn)定運行，風機可能很快遭受滅性損壞，這種現(xiàn)象稱之為喘振。,2 失速喘振機理,軸流風機是據(jù)機翼理論進行氣動設(shè)計的，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時壓力達到最大值。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 機翼失速原理圖,3 軸流風機壓力特性曲線的由來,軸流風機壓力特性為馬鞍形狀。這是因為軸流風機的壓力遵循機翼升力理論的緣故。如圖2所示。軸流式風機動葉片的沖角隨流量的減小而增大。 圖2 軸流風機壓力

3、特性形成機理,4 軸流風機的旋轉(zhuǎn)失速 由于軸流風機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失速，而是一個或多個葉片組成的一個或多個失速區(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 軸流風機旋轉(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，這會造成向風機葉輪進口測的逆向流。從而在這些葉片的周圍形成一個氣流變化很大的區(qū)域。這個區(qū)域就是圖上的陰影區(qū)。葉片5在進入這區(qū)域后沖角將增加，隨之葉片失速。相反葉片2的角將減少，這樣會造成這個葉片脫離失速。這種現(xiàn)象稱之為旋轉(zhuǎn)

4、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)的移動方向與風機的旋轉(zhuǎn)方向相同。,由于失速區(qū)的不穩(wěn)定，風機的運行點也不穩(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，風機運行在圖1中的D點。 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，風機運行在0流量的E點。,5 失速的危害,1)失速可導(dǎo)至風機損壞 由上可知軸流風機失速后，通常表現(xiàn)為旋轉(zhuǎn)失速。由于旋轉(zhuǎn)失速使風機各葉片受到周期性力的作用，若風機在失速區(qū)內(nèi)運行相當長的時間(或失速頻率與葉片自振頻率相當時的

5、短時間內(nèi))，會造成葉片斷裂，葉輪的其元機械會損害。,2)失速可能導(dǎo)至喘振 若管道系統(tǒng)的容積與阻力適當，在風機發(fā)生失速壓力降低時，出口管道內(nèi)的壓力會高于風機產(chǎn)生的壓力而使氣流發(fā)生倒流，同時管道內(nèi)壓力迅速降低，風機又向管道輸送氣體，但因流量小風機又失速，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，風機電流也大幅度波動，噪聲驚人。風機發(fā)生喘振的破壞性很大，可在很短時間內(nèi)損壞風機，必須立即停止風機運行。,可見，失速與喘振是兩個不同概 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行風機間相互“搶風”，給發(fā)電機組安全運行帶來威脅。 兩臺并列運行的風機中的一臺發(fā)生失速后

6、，兩臺風機間可能出現(xiàn)相互“搶風”現(xiàn)象而無法并列運行；或雖兩臺風機能并列運行，但兩臺風機的總出力可能達不到需要值而影響其帶負荷能力。,6 軸流風機的失速報警裝置,由于軸流風機的失速區(qū)域大，當風機選型不當，或所在風(煙)系統(tǒng)阻力增加較多和漏風變化較大時，很可能落入風機失速區(qū)運行。為保護風機自身安全，目前電站軸流式風機的制造廠都配有失速報警保護裝置。當風機發(fā)生失速時，讓遠行人員及時知曉，并立即進行調(diào)整，避免長期在失速狀態(tài)下運行。,圖4 NOVENCO失速報警裝置,圖5 失速探針壓力的變化,圖6 TLT失速報警裝置,7 運行中如何判斷風機失速,安裝有失速報警保護裝置的風機，應(yīng)課持其管路暢通，裝置動作準

7、確。 若該裝置失靈，戓未裝失速報警裝置，則 2) 在運行調(diào)整過程中，若發(fā)現(xiàn)一臺風機的電流、壓力有突然大輻度的變化，則該風機失速；,3) 兩臺風機并列運行時，并未進行調(diào)節(jié)而一臺風機的電流等參數(shù)突然大幅度降低，則該風機失速。 4) 兩臺風機并聯(lián)運行時，兩臺風機的開度和電流應(yīng)基本相同，若未進行調(diào)整操作，而兩臺風機的電流卻相差較大，且調(diào)整電流小的風機出力不起作用，則該風機失速。,8 如何防止軸流風機的失速,風機選型設(shè)計時留足失速裕量； 按電力行業(yè)標準DL/T468-2004電站鍋爐風機選型和使用導(dǎo)則規(guī)定，軸流風機的失速安全系數(shù)k1.3。 K=pk/p(q/qk)2 式中：p、q為設(shè)計工況點的壓力和流量

8、。 pk、qk為對應(yīng)致計點風機開度下的失速界線點壓力和流量。,2) 在軸流風機的進出口之間加旁路再循環(huán)風(煙)道；當風機失速時，打開旁路風道門，使一部分風(煙)量從風機出口流向風機入口，即使一部分風(煙)量在風機內(nèi)循環(huán)，以增加風機的風(煙)量，使風機脫離失速區(qū)運行。但這增加了風機的耗功，是很不經(jīng)濟的。,加裝防失速裝置 為消除軸流風機的失速，多年來學者們進行了大 量的研究和實驗工作，并提出了一些能把失速區(qū)向小 風量方向推移，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機效率影 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-

9、空氣分 流器來消除旋轉(zhuǎn)失速，并在礦井局扇上獲得廣泛應(yīng) 用。取得了美、英、法、原西德、印度、丹麥等多國 專利后，在軸流風機上加裝防失速裝置才在靜調(diào)軸流 風機上得到較廣泛使用。如德國kkk公司的KSE、我國 淮南煤碳學院和西安熱工院均成功地設(shè)計出了類似的 防丟速裝置并分別應(yīng)用到礦井和電站軸流風機上。下 面以西安熱工院開發(fā)的該型防失速裝置為例進行介紹,當葉片表面發(fā)生進界層分離阻塞流道時，葉輪葉片進口處壓力升高，其擾動氣流將進入裝置的環(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。從而防止失速擴展，還到大大縮小軸風機失速區(qū)域的目的 圖7 加裝防失速裝置的軸流風機示意圖,

10、圖8 軸流風機防失速裝置,圖9 軸流風機有無防失速裝置性能曲線比較,9 防止運行中軸流風機失速措施,1)運行人員應(yīng)了解風機所在系統(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、暖風器、消聲器等）的正常阻力范圍。 2)在實際運行中若這些設(shè)備阻力超出了范圍可能導(dǎo)致風機失速時，應(yīng)控制該風機的出力，并及時采取措施消除堵塞。,3)運行人員應(yīng)了觧當風機調(diào)節(jié)裝置固定在某一位置時，風機流量的變化范圍，即從正常運行流量到該角度(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。在操作風機所在系統(tǒng)的其它設(shè)備時(如一次風機所在系統(tǒng)的磨煤機時)，避免瞬時流量減小過大，引起風機失速。 4)加裝風機運

11、行點監(jiān)視裝置，使運行人員能看見風機運行在性能曲線上的位置。,圖10 電站風機的并列運行,圖1 送風機特性曲線,二 欽州電廠一次風機失速原因分析,1 試驗結(jié)果, 630MW工況（5臺磨） 500MW工況（5臺磨） 489MW工況（4臺磨） 400MW工況（4臺磨） 300MW工況（3臺磨）,風機與管網(wǎng)的匹配情況,在滿負荷條件下(鍋爐蒸發(fā)量臺1842.6t/h)，一次風機的風量和風壓均略小于BMCR工況設(shè)計值，說明BMCR工況設(shè)計值較準確；但由于TB工況點的裕量選擇過高，造成所選一次風機出力偏大較多，與管網(wǎng)系統(tǒng)的匹配較差，風機運行效率偏低。,風機安全性能計算結(jié)果,小結(jié),通過本次熱態(tài)試驗及前面的計算

12、分析可以發(fā)現(xiàn)：目前一次風機在滿負荷條件下，風量和風壓都略小于BMCR工況設(shè)計流量和設(shè)計風壓，能夠保證鍋爐不同負荷的運行要求。但風機的風量裕度和風壓裕度選取過大，導(dǎo)致一次風機在低效區(qū)運行，風機與管網(wǎng)匹配性較差。從本次試驗來看，從300MW-625MW各工況一次工作點均遠離理論失速線，風機能夠安全穩(wěn)定運行。,2 兩次失速過程,2.1 在2007年11月25日01-02時，發(fā)電負荷為365MW-340MW，當運行人員將原有的四臺磨運行調(diào)整為三臺磨運行時，一次風機發(fā)生了失速，表13記錄了風機失速前后一定時間段內(nèi)一次風機及制粉系統(tǒng)的有關(guān)參數(shù)。,007年11月25日2#爐一次風機失速狀態(tài)集控室表盤參數(shù),失

13、速過程,從表盤記錄的參數(shù)：運行人員在1點37分開始逐漸關(guān)閉B磨的負荷風門，而在此之前B磨的冷風門已經(jīng)全開，熱風門全關(guān)； 39分關(guān)閉B磨電機，B磨停運。約在1點42分兩負風門關(guān)閉。在此過程中運行人員未對一次風機進行操作，一次風機各參數(shù)基本不變。從1點43分10秒開始關(guān)閉B磨一次風隔離門，當該操作還在進行時，A一次風機于43分18秒發(fā)生失速(A風機電流驟降且波動，因兩臺一次風機出口有聯(lián)絡(luò)風道，故兩臺風機出口壓力也同時驟降且大愊波動)。,這一過程持續(xù)到約49分30秒，兩一次風機電流調(diào)平，出口壓力穩(wěn)定，進入安全穩(wěn)定運行。此時兩風機的開度分別約為29.2%和22.9% ，電流約為80A；出口壓力約為9.

14、66kPa，兩風機達到安全穩(wěn)定并聯(lián)運行。,2007年11月17日2#爐一次風機失速狀態(tài)集控室表盤參數(shù),從表盤記錄的參數(shù)可以看出：運行控制人員于11月17日05時46分開始將原來的A、C、D、E 4臺磨運行，調(diào)為三臺磨運行。05時46分29秒切斷了D磨的電源停運D磨。 從54分07秒開始，運行人員開始關(guān)閉D磨冷風門，兩風機出口壓力同時(兩臺風機出口有聯(lián)絡(luò)風道所致)先升高(這是由于一次風機調(diào)節(jié)門未動，流量減小風機產(chǎn)生壓力會再升高所致)后(這一操作進行到54分30秒左右)驟降。同時，A一次風機電流驟降，A一次風機失速,失速后運行人員干預(yù)，將兩臺一次風機入口調(diào)節(jié)門關(guān)小(先關(guān)A風機后關(guān)B風機)，直至A側(cè)

15、風機恢復(fù)正常運行，并將兩風機電流調(diào)平。到6點3分左右，兩一次風機的開度分別為29.61%和23.42% ，電流均為83.81A，出口壓力分別為9.397kPa和9.293kPa，兩風機達到安全穩(wěn)定并聯(lián)運行。,2 失速原因分析,從兩次A側(cè)一次風機失速情況看，失速均是在由4臺磨運行調(diào)整到3臺磨運行(即停一臺磨)的操作過程中發(fā)生，且在停磨前、后一次風機均能滿足機組帶指定負荷運行的要求，并且兩臺一次風機能穩(wěn)定運行不失速。這說明一次風機的失速不是風機與一次風系統(tǒng)不匹配，失速裕度不夠造成，而主要是運行操作不當引起的。,本廠一次風機為雙級動葉調(diào)節(jié)軸流風機，在動葉角度不變時，其壓力與流量的關(guān)系曲線很陡，即壓力

16、梯度很大，流量變化范圍很小。也就是說，該類風機在動葉角度不變時，穩(wěn)定運行區(qū)的流量范圍很小，在系統(tǒng)流量減小時易進入不穩(wěn)定的失速區(qū)運行。本廠4臺磨運行時，一次風機運行風量離該角度下的失速流量僅9.75m3/s。,從兩次風機失速時的開度均大于停磨后兩風機穩(wěn)定運行時的開度(參見下表)說明：風機失速主要原因是在停磨過程中，在減小磨煤機通風量的同時，未能及時將一次風機的出力降到應(yīng)有值，即一次風機入口門調(diào)節(jié)不到位，造成總一次風量低于兩臺一次風機當時開度下的失速流量，從而導(dǎo)致一臺風機失速。,停磨過程中一次風機失速時與停磨后穩(wěn)定運行時風機有關(guān)參數(shù)比較,避免失速的措施(供討論參考),1 在減磨減風量時，一定要精心操作，在注意觀察磨煤機有關(guān)運行參數(shù)變化的同時，還應(yīng)密切注意一次風母管壓力和一次風機運行參數(shù)的變化。我們推薦：在整個停磨過程中保持磨煤機進口一次風母管的壓力不變，甚至略低些。,2 在減小被停磨通風量的同時關(guān)小(甚至提前關(guān)小)兩一次風機的調(diào)節(jié)門開度，保證一次風機出口壓力逐漸降低(盡可能避免哪怕是短時的增長)