火电厂引风机失速研究

吴 强，曾小青，何文波

（长沙理工大学 经济与管理学院，湖南 长沙 410004；2.湖南华电长沙发电有限公司，湖南 长沙 410203）

某电厂大气污染物排放为达到中国环保部《火电厂大气污染物排放标准》（GB 13223—2003）规定的特别限制要求，计划对脱硫系统进行技术改造。受场地制约，需将2＃炉增压风机拆除，腾出场地新建二级吸收塔，技改完成后，重新选型引风机直接带脱硫系统。过渡期采用临时烟道代替增压风机，直接利用现有引风机带脱硫系统运行。2＃炉实施后引风机存在低负荷失速问题，难以并列运行。

如何解决风机失速问题，目前，相关电力试验研究机构建议加装风机防失速装置［1］及进行设备治理解决失速问题［2－13］，但在运行调整方面并不能提出具体解决办法。在不具备加装风机防失速装置的情况下，该厂需解决如何在运行调整上采取措施，防止引风机失速及引风机并列困难等问题。笔者应用回归性分析方法进行数据整理，建立引风机变频加静叶调节的工作性能曲线四维模型，对引风机在不同频率时静叶调节模型进行数据分析、挖掘及寻优，以发现引风机失速的临界工况模型；为解决引风机失速问题提供理论依据，并结合现场实际提出避免引风机失速的运行措施及失速后如何并列引风机运行操作指导，解决引风机失速问题；为工厂应用回归性分析方法建立设备模型，为解决现场设备问题提供借鉴。

1 概况

某公司2×600MW超临界机组锅炉为东方锅炉厂引进技术制造的国产超临界参数、变压、直流、本生型锅炉（DG1900/25.4－Ⅱ1型），单炉膛、一次中间再热、尾部双烟道并带有脱硝装置，采用平行挡板调节再热汽温，固态排渣、全钢构架、全悬吊结构，平衡通风、露天布置，采用内置式启动分离系统。烟气系统配备2台AN33e6（V13＋4°）型静叶调节轴流式引风机，设备规范如表1所示。

1.1 1＃炉引风机性能试验数据及分析

由于引风机裕度较大，故从节能角度考虑，电厂在1＃炉增压风机上方增设了增压风机旁路烟道，并在负荷较低时增压风机不运行，仅用引风机来克服烟气系统及脱硫系统的阻力，施行引增合一运行方式。由于2＃炉未安装增压风机旁路烟道，为了解目前一期锅炉引风机直接带脱硫系统的实际运行状况，分别对1＃炉引风机、增压风机及引风机直接带脱硫系统进行多个工况的热态试验。由于试验时1＃炉引风机变频器故障，故1＃炉引风机性能试验均为工频运行方式，试验结果如表2所示。

1.2 1＃炉引风机带负荷能力及安全性分析

在开启增压风机旁路烟道、引风机并列运行时，低负荷工况下引风机工作点非常接近失速区，存在安全隐患，而中、高负荷引风机均能安全稳定运行，即电机能满足增压风机盘路烟道开启时机组带满负荷要求。引风机并列运行低负荷工况下的理论失速裕度小于《电站锅炉风机选型和使用导则》（DL/T 468—2004）要求的1.3失速裕度，即开启增压风机旁路烟道，低负荷下引风机存在失速风险。

表1 引风机及配套电机设备规范Table 1 Specification of axial fan and motor equipment

表2 1＃炉引风机热态试验结果Table 2 1＃result of boiler axial fan thermal testing

1.3 2＃炉引增合一前、后引风机入口压力对比

为给环保技改创造施工条件，2013年9月机组小修期间对2＃炉进行割除增压风机，采用临时烟道进行过渡，利用引风机带脱硫系统运行，施行引增合一运行方式，并利用1＃，2＃炉脱硝反应器可用的旧催化剂对2＃炉催化剂进行置换，由于催化剂内部积灰，催化剂差压增大，使引增合一后锅炉烟气系统阻力增加。为分析2＃炉烟气系统增加阻力与负荷的关系，选取可比工况（500和450MW各选3个工况），对比2＃炉引增合一前、后引风机入口压力数据，如表3，4所示，其500，450MW时引增合一后锅炉烟气系统增加的阻力分别为354，311Pa。

表3 500MW 2＃炉引增合一前、后引风机入口压力对比Table 3 500MW 2＃boiler axial fan pressure entrance Pa

表4 450MW 2＃炉引增合一前、后引风机入口压力对比Table 4 450MW 2＃boiler axial fan pressure entrance Pa

2 数据回归性分析及建模

2.1 2＃炉引增合一后数据回归性分析及建模

根据表3，4，对2＃炉各负荷段烟气系统增加阻力进行回归性分析，得到2＃炉烟气系统增加阻力与负荷方程：

式中 ΔP为烟气系统增加阻力，Pa；Me为机组负荷，MW。

根据式（1）计算出与1＃炉引风机试验相同负荷段时，2＃炉引增合一后锅炉烟气系统增加阻力数据，如表5所示；再根据表2，考虑2＃锅炉烟系统实际运行阻力增大情况，2＃炉引增合一后数据修正如表6所示，根据表6数据，对2＃炉引风机工作点进行回归性分析，得到2＃炉引风机工作点方程：

式中 Y 为比压能，J/kg；Q 为风量，m3/s。

2.2 引风机740r/min工频运行时性能曲线数据回归性分析及建模

根据引风机厂家给出的性能曲线图，手工查图确定工作点数据引起误差较大，且不便于利用计算机优化设计和计算。采用Adobe photoshop 5.0CS软件读取数据，再由数据回归法得出各方程及趋势线［14］，建立2＃炉引风机工频性能曲线及工作点数据模型，如图1所示。回归法得到引风机740r/min工频、风量低于225m3/s时失速曲线方程：

表5 各负荷段增加阻力计算数据Table 5 Calculation data in different load and increased resistance

表6 2＃炉引增合一后修正数据Table 6 Revised data of 2＃boiler axial fan connected with the desulphurization system

风量高于225m3/s时失速曲线方程：

图1 2＃炉引风机工频性能曲线及工作点模型Figure 1 Power performance curve and operating point model of 2＃boiler axial fan

2.3 引风机变频运行时性能曲线数据回归性分析及建模

根据引风机740r/min工频性能曲线，用软件读取引风机静叶角度0°时曲线上数据，选取其中代表性较好的13个数据点及失速点数据，如表7所示。

表7 引风机静叶在0°时性能曲线数据Table 7 Performance curve data of fan in the static blade angle at 0°

根据风机风量与转速成一次方、与比压能成二次方关系，计算出各数据点不同转速时的风量与比压能。

1）将各数据点不同转速时的风量与比压能数据在引风机性能曲线上绘出，再由回归性分析方法得出各方程及趋势线，建立2＃炉引风机变频加静叶调节性能曲线及工作点数据模型，如图2所示；

2）根据引风机在某一转速调节静叶即定转速工频运行时的失速线数据，由回归性分析方法得出各失速线方程及趋势线，建立2＃炉引风机某一转速定转速工频运行失速曲线，进而得到引风机变频加静叶调节的工作性能曲线四维模型，同时，在变频加静叶调节性能曲线及工作点数据模型（图2）上绘出。

图2 2＃炉引风机变频加静叶调节性能曲线及工作点模型Figure 2 Variable frequency and variable vane performance curve and operating point model of 2＃boiler axial fan

3 引风机失速问题的研究

3.1 引风机50Hz工频运行时工作点分析

由图2可看出，2台引风机并列50Hz工频运行，低负荷时会出现失速。失速区可由式（2）～（4）计算出失速线与工作点曲线的2个交点，在2个交点区间内引风机将失速［15］。失速区间风量为175～246m3/s，当锅炉风量降低接近至492m3/s时，即单台引风机风量降低接近至246m3/s时，引风机将失速，不能满足机组低负荷调峰要求。

3.2 引风机变频运行降至33Hz时工作点分析

由图2可看出，2台引风机并列变频运行，当频率降至33Hz时，引风机33Hz失速线与工作点曲线几乎重叠，无失速裕度，引风机将失速，不能满足机组低负荷调峰要求。

3.3 引风机并列变频运行降至38Hz时工作点分析

由图2可看出，2台引风机并列50Hz工频运行、变频降至33Hz时，低负荷会出现失速；同时，随着频率降低，失速区间高临界值失速风量也降低，但失速裕度减小。需得到失速裕度满足要求，同时失速区间高临界值失速风量较小，满足锅炉低负荷运行锅炉风量要求的引风机频率值。通过对比不同频率时的引风机失速线，寻优得到引风机频率降至38 Hz定速运行时符合上述要求。根据风机风量与转速成一次方、与比压能成二次方关系，计算引风机在38Hz调节静叶即定转速工频运行时的失速线数据，再由回归性分析方法得出风量低于171m3/s时失速线方程：

风量高于171m3/s时失速线方程：

失速区可由式（5）、（6）与式（2）即失速线与工作点曲线的2个交点得到。在2个交点区间内，引风机将失速。失速区间风量为139～202m3/s，锅炉降至50%左右额定负荷时，引风机可以满足锅炉风量调节要求。

引风机降至38Hz工频运行，继续降低风量，关小静叶指令，风量降至202m3/s，引风机工作点将进入失速区。

2013年11月9日停机进行过程试验，负荷为250MW，氧量为5.0%，引风机频率为38Hz，3＃引风机静叶开度为45%，4＃引风机静叶开度为55%，进出口全压为2.13kPa左右，引风机运行正常。试验结论表明，引风机采用38Hz工频运行方式能满足锅炉正常调峰要求。

3.4 2台引风机并列过程工作点分析

由图2及引风机33，38，50Hz工频运行时工作点分析结果表明：失速区间低临界值失速风量随着转速的提高而增加，33，38，50Hz引风机失速区间低临界值失速风量分别为128，139，175m3/s；失速区间高临界值失速风量随着转速的提高不一定增加，33Hz时失速线与工作曲线几乎重叠，38，50Hz引风机失速区间高临界值失速风量分别为202，246 m3/s，工作曲线与失速线很接近，失速裕量较小。在锅炉风量较低时，采用增加引风机频率方法，低临界值失速风量得到提高，使引风机出力增加，锅炉风量增加。当锅炉总风量大于50Hz引风机失速区间低临界值失速风量2倍即350m3/s后，引风机将进入失速区运行，若要使2台引风机重新并列运行，锅炉风量需加至492m3/s。因此，引风机失速后，可以采取提高引风机频率至50Hz，引风机出力加大，使锅炉总风量大于50Hz引风机失速区间高临界值失速风量2倍即492m3/s，再调整静叶将引风机并列运行。

依据2台引风机并列过程工作点分析结果，2013年12月5日，机组启动过程中进行引风机运行操作调整过程试验。锅炉点火前，建立最低锅炉通风量，引风机维持频率38Hz，静叶指令在55%以下，引风机能正常并列运行，随着燃烧量的增加，锅炉送风量及引风机出力增加，在机组并网后启动第2台制粉系统时，发生3＃引风机失速。3＃，4＃引风机频率同步维持在38～44Hz，均未能将引风机并列成功；将3＃，4＃引风机频率同步增加至50Hz，引风机出力均增加，电流分别在140，250A左右，静叶指令分别为53%，65%，逐步并适当减小4＃引风机静叶指令，3＃，4＃引风机并列运行正常，电流均在200A左右，出力增加，增加送风量调整炉膛负压正常。引风机并列数据如表8所示。

表8 引风机并列数据Table 8 Parallel data of axial fan

在图1中标出3＃，4＃引风机并列前、后工作点，并列前2台引风机总风量为515m3/s，大于50 Hz引风机高临界值失速风量2倍即492m3/s。

由表8数据，根据风机风量与转速成一次方、与比压能成二次方关系，计算引风机在各频率运行时的风量，与同频率失速区间高临界值失速风量比较，2台引风机并列前总风量需大于同频率失速区间高临界值失速风量2倍，即引风机并列风量裕量为正时，才能将失速引风机并列运行，否则其中将有1台引风机失速。计算50，45，38Hz频率引风机并列前风量裕量，如表9所示。

由表9得出，引风机并列时，频率越高并列前风量裕量越大，引风机失速后将频率增加至50Hz，可将引风机并列成功，否则，难以将引风机并列，与机组启动引风机调整试验实验情况相符。

表9 50，45，38Hz频率引风机并列前风量裕量计算数据Table 9 Calculation data of air flow margin before and after the axial fan in paralleled operation in the 50，45，38Hz frequency

4 避免引风机失速的措施

1）在机组启动过程锅炉点火、汽机冲转及带低负荷阶段，可以考虑采取引风机单侧运行方式。启动2台制粉系统后，再启动第2台引风机并列运行。

2）正常运行时，保证引风机电流偏差小于10 A，维持4＃引风机静叶稍大于3＃引风机5%～10%，频率偏差小于0.5Hz［3］。

3）引风机变频运行时出力调整要求：增加引风机出力时，应先同步增加2台引风机静叶指令，直至大于90%后，再同步增加2台引风机频率，使2台引风机电流平衡。降低引风机出力时，先减少频率至38Hz（不低于38Hz），然后再同步关小静叶，引风机静叶指令不低于40%。

4）引风机工频运行时出力的调整要求：增加引风机出力时，同步增加2台引风机静叶指令，使2台引风机电流平衡。降低出力时，同步减少2台引风机静叶指令（不低于40%）。

5）引风机失速的事故处理：

①并列前将3＃，4＃引风机频率均增加至50Hz；

②并列前3＃引风机出力，4＃引风机不出力，调节4＃引风机静叶指令至63%维持不变，逐步降低3＃引风机出力，直至并列；

③并列前3＃引风机不出力，4＃引风机出力，4＃引风机静叶调至53%～55%维持不变，逐步降低4＃引风机出力直至并列；

④并列后负压较大时，增加送风维持负压不变；

⑤负压稳定后静叶维持偏置5%～10%，频率投自动调节。密切监视2台引风机振动及轴瓦温度情况，直到失速异常消失为止。

⑥当引风机发生失速时，应严密监视引风机的电流变化，以防止超电流，必要时降低其出力。经采取以上措施后，风机失速现象仍未消除且风机振动异常偏高，为了防止因引风机长时间失速运行对叶片造成损坏，应停止失速风机运行。

5 结语

按照引风机并列变频运行降至38Hz时工作点分析结果及避免引风机失速的措施1～4，2＃机组正常调峰时，笔者提出防止引风机失速的运行调整方案，避免了引风机失速发生。按照2台引风机并列过程工作点分析结果及引风机失速的事故处理，笔者提出引风机失速后再并列运行的运行调整措施，找到了引风机失速后重新将引风机并列运行的运行操作指导，解决了引风机并列困难问题，为工厂应用回归性分析方法建立设备模型、解决设备异常提供借鉴。

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