轴流风机失速与喘振

王明星

湛江中粤能源有限公司调顺电厂

概述

火力发电厂轴流风机具有驼峰形曲线这一特点，决定了风机存在不稳定区。风机并不是在任何工作点都能稳定运行，当风机工作点移至不稳定区时就可能引发失速及喘振。

图1 叶片失速原理图

1 轴流风机的失速与喘振现象

1.1 失速现象和原理

当风机动叶开度在某个位置不变时，在工作区域内，出口压力随流量的减小而增加，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称为风机失速。风机失速后有两种表现，一是风机仍能稳定运行，即压力、风量、电流参数平稳，但噪音增加，风机全压稍下降并承小幅度脉动，风机振动比正常运行高，这种现象称为旋转失速。一是风机压力、风量、电流大幅度波动，噪音异常增大，风机不能稳定运行，风道设备可能很快遭受损坏，这种现象称为喘振。

1.1.1 轴流风机旋转失速

风机叶片不可能有完全相同的形状和安装角。因此失速现象并不是所有叶片同时发生，而是首先在一个或几个叶片出现。若在叶道2中出现脱流，叶道由于受脱流区的排挤变窄，流量减小，气流分别进入相邻的1、3叶道，使1、3叶道的气流方向改变。使流入叶道1的气流冲角减小，叶道1保持正常流动；叶道3的冲角增大，加剧了脱流和阻塞。叶道3的阻塞同理又影响相邻叶道2和4的气流，使叶道2消除脱流，同时引发叶道4出现脱流。因此脱流区是旋转的，其旋转方向与叶轮旋转方向相反，这种现象称为旋转失速。

1.1.2 影响冲角a 大小的因素

风机定速运行，即叶片周向线速度u可以看作是一定值，影响叶片冲角大小的因素就是气流速度c与叶片的安装角b。当叶片安装角b一定，如果气流速度c越小，则冲角a就越大，产生失速的可能性越大。当气流速度c一定时，如果叶片安装角b减小，则冲角a也减小，因此，当风机低负荷运行时，失速可能性将会减小。对于动叶可调轴流风机，当风机发生失速时，关小失速风机的动叶角度，可以减小气流的冲角，从而使风机逐步摆脱失速状态。对于叶片高度方向，线速度u沿叶片高度方向逐渐增大，在气流速度c一定的情况下，冲角a会随着叶片高度方向逐渐增大，在叶顶区域形成旋转失速。故叶片安装角b随着叶片高度的方向逐渐减小，可以避免因叶高引起的旋转失速，风机扭曲叶片即基于这个道理。

1.2 失速的危害

失速导致风机损坏，由于旋转失速使风机各叶片受到周期性力作用，若风机在失速区内运行相当长时间，会造成叶片断裂，叶轮的其它部件也会受到损害。

失速导致喘振，若管道系统容积与阻力适当，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，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，风机参数也大幅度波动，振动剧烈。可在很短时间内损坏风机，必须立即停止风机运行。

失速造成并列运行风机间相互“抢风”，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而影响其带负荷能力。

1.3 轴流风机喘振概述

轴流风机性能曲线左半部，存在一个马鞍形区域，在此区域运行时有时会出现风机参数大幅波动，风机及通道产生强烈振动、噪声显著增大等不正常工况，这一不稳定工作区称为喘振区。喘振是不稳定工作区内可能遇到的现象，而旋转失速在该区域内是必然出现的。

1.3.1 轴流风机喘振原理

风机在曲线右侧下降部分工作稳定，一直到工作点K。但当风机负荷降到低于Qk时，进入不稳定区。只要有扰动使管路压力升高，则由于风机流量大于管路流量（Qk＞QG），管路工作点向右移动至A点，当管路压力PA超过风机正向输送的最大压力Pk时，风机工作点立即变到B点（A、B点等压），风机抵抗管路压力产生的倒流而做功。此时，管路中的气体向两个方向输送，一是供给负荷需要，一是倒送给风机，故管路压力迅速降低。至D点（C、D点等压）时停止倒流。但由于风机的流量仍小于管路流量，QC＜QD，所以管路压力仍下降至E点，风机的工作点将瞬间跳到F点（E、F点等压），此时风机输出流量为QF。由于QF大于管路的输出流量，此时管路风压转而升高，风机的工作点又移到K点。上述过程重复进行，就形成了风机喘振，风机流量在QB～QF范围内变化，而管路输出流量只在少得多的QE～ QA间变动。

图2 轴流风机喘振P-Q图

1.3.2 失速与喘振的区别及联系

风机失速与喘振都发生在P-Q曲线左侧不稳定区。失速发生在P-Q曲线峰值K以左的整个不稳定区，喘振只发生在P-Q曲线向右上方倾斜部分,其压力降低是失速造成的。失速的发生取决于叶片内部，包括叶轮、叶片结构、进入叶轮的气流等，与风道系统容量、形状等无关。失速发生时，尽管叶轮附近的工况有波动，但风机流量、压力和功率基本平稳，风机可以继续运行。但发生喘振时，风机流量、压力和电流产生大幅度波动，同时伴有明显噪声，振动很剧烈，损坏风机与管道系统，风机无法正常运行。

2 失速报警装置

图3 调顺电厂送风机失速报警布置

我厂失速探头由两根相隔约3mm的测压管组成，位于叶片进口前。测压管中间用隔片分开，风机运行时，叶轮进口气流均匀地从进气室沿轴向流入，探头间的压力差微负。当风机工作点进入旋转失速区，叶轮前的气流除轴向流动之外，还有失速区流道阻塞气流所形成的圆周方向分量。叶轮旋转时先遇到的测压孔，即隔片前的测压孔压力高，而隔片后的测压孔压力低，产生失速压差，我厂一次风机失速探针为通径6mm，失速保护差压定值为200Pa。送引风机、增压风机失速探针为通径10mm，失速保护差压定值为500Pa。

3 调顺电厂一次风机失速案例

3.1 失速过程

2013年3月23日，#1机组运行中，一次风机B发失速信号，经快速减负荷，降低风机出力后，报警消失，报警最长持续时间为50s（设计为延时100s跳闸），过程如下：

图4 #1机一次风机B失速曲线

10:45:00机组负荷增至550MW，一次风机出口10.93kpa

10:58:15一次风机B发失速信号，一次风机B失速压力信号跳增至539pa。一次风机动叶由69.35%自动减至55.45%，一次风机B电流由120A降至72A。一次风压由10.95kpa快降至6.19kpa。一次风压低报警发出，多台磨入口风量低报警信号发出。E磨入口总风量由135km3/h降至24km3/h，B磨入口总风量由136km3/h降至45km3/h，炉膛压力降至-1014pa，增压风机入口负压降至-1352pa。

10:59:05一次风机动叶减至50%，风压恢复至9.8kpa。一次风机B失速信号消失。

10:59:25煤量由230t/h增至240t/h，机组负荷降至538MW。

10:59:31调整一次风机压力正常，观察炉膛压力振荡回复中。

3.2 失速原因分析

年后#1炉空预器B压差持续增大，满负荷时达到2800pa（#2炉压差约为1600pa），对各风机都存在堵风现象，均具有失速危险性，3月23日运行中，机组接近满负荷运行，热一次风母管压力偏低，故一次风机动叶开大，出口风压比正常稍高，由于E磨折算后一次风量不准，冷热风门逐渐关小，最低均关至50%以下，一次风机出口压力进一步升高，导致一次风机B首先失速，失速瞬间差压报警，一次风压突降，此时燃烧恶化，锅炉各参数摆动，而本厂针对一次风机特别设置了失速自动关动叶的逻辑，故两台一次风机开始自动关小动叶，从上面曲线看出连续动作四次，另外由于各台磨机风量下降，冷热风门均同时开大，使系统阻力减小，最终失速现象消失，风压恢复。

4 运行中如何判断风机失速

通过以上分析可以发现，当发生失速时系统几个显著现象：

失速风机出口风压下降，出口风烟温度上升；

失速风机轴承振动上升；

失速风机电流下降，并伴随波动；

就地检查风机有异声，外壳温度上升，振动加剧；

CRT画面风机失速差压表显示增大，达到报警值。

5 失速的预防和处理

a、运行人员应了解风机所在系统的阻力构成，特别是阻力较大又易于堵塞的设备，如空预器、脱销装置的阻力范围。若这些设备阻力超出了范围可能导致风机失速时，应限制负荷，控制风机的出力，并及时加强吹灰减小堵塞程度；

b、运行人员应了解风机动叶对应开度的风机流量范围，即从正常流量到该角度下失速流量之间允许变化。操作其它设备时，避免瞬时流量减小过大，引起风机失速；

c、对失速差压报警装置应足够重视，其差压波动开始增大时应及时调整；

d、高负荷时对风烟系统操作，包括磨煤机启停应平缓进行，防止突变；

e、发出失速报警信号后，首先核对失速差压报警和风机参数变化，判断哪台风机失速；

f、由理论分析得知，风机失速时其动叶开度是足够支撑其正常出口压力的，所以应坚决快速的关小风机动叶，切不可因为出口压力降低而继续开大动叶，导致喘振加剧；

g、发生失速时，应同时减小系统阻力，如一次风机失速应开大磨冷热风门，送风机失速应开大二次风门、风烟挡板，引风机失速应适当增加增压风机入口负压等；

h、适当降低负荷，保证炉膛燃烧稳定，调整水位、气温平稳；

i、一旦报警发出，操作应快速准确，防止风机跳闸，扩大事故范围。