动叶调节轴流式引风机失速喘振的预防措施及逻辑优化

吴仁红 张剑 张娜

摘要：现阶段火力发电机组设备的可靠性及自动化水平已经大幅提高。但是由于系统设备的变化、运行方式的调整等诸多原因，火电机组引风机失速喘振的现象时有发生，严重威胁机组安全稳定运行。本文从引风机失速喘振的原因出发，提出了相关的预防措施及逻辑优化。

关键词：轴流式风机失速喘振原因;失速;喘振;工程案例;预防措施;逻辑优化

中图分类号：TK223.2       文献标识码：A

目前国内火电机组高容量高参数已是发展趋势。近年来，国家对于火电机组的环保要求提高，伴随着火电机组烟气脱硫脱硝超低排放改造的实施，导致风烟系统阻力发生变化，对锅炉引风机的性能提出了更苛刻的要求。如何在保证锅炉燃烧所需氧量基础上，防止引风机出现失速喘振成为了火电机组运行中不可忽视的课题。

1轴流式风机失速喘振的原因

火电机组引风机选型中，大都采用轴流式风机，其中又分为动叶可调轴流式及静叶可调式轴流式引风机。

1.1 固定动叶安装角的轴流风机失速原因

图1是在一定的转速下，对叶片安装角固定的轴流式风机经试验测得的典型性能曲线。图1-1中包含三条曲线：效率-流量曲线（η-qv）;全压-流量曲线（H- qv）;功率-流量曲线（P- qv）。

有图1可知：当在设计工况时，对于曲线上的d点，此时沿叶片各截面的流线分布均匀，全压相等，效率最高。如图1-1（d）所示。

当qv

由以上流量与全压的变化关系可知，对于轴流式风机，全压-流量曲线（H- qv）中C点左侧（驼峰形状区域）为不稳定工作区域。当流量小于qvc时，来流速度的冲角α增大，风机叶片内的附面层即出现分离现象，产生旋涡，此时风机出现失速。不过失速的程度不同，产生的现象也不尽相同。轻微的失速，让人不易察觉。但是失速严重时，将使叶道阻塞，风机出口压力也会出现明显的下降。

喘振：在某些系统的特定情况下，如果轴流式风机失速严重，则有可能造成管网中压力大于风机出口压力，管网中的气流反过来向风机倒流，即“倒风”。倒流至一定程度时 ，由于叶栅前后压力差逐渐消失，气流减小，导致出口风压又开始快速上升，当出口风压大于管网压力时，风机又开始“出风”。这样周期性的“倒风”和“出风”，即是风机喘振。喘振风机出现巨大的振动和噪音，严重的将使叶片断裂，设备损坏。

1.2  动叶可调节轴流式风机并列运行变工况失速原因及特点

1.2.1  动叶可调节轴流式风机并列运行变工况过程中失速原因

具体分析如下：

图2是动叶可调节轴流式风机变工况性能曲线。图中给出了不同动叶角度下所对应的轴流式风机的性能曲线。

假设原先系统阻力为P1，风机A/B并联在系统中运行。由于两台风机各自风道及风机本身性能的差异，风机A/B各自流量分别为qa和qb，工况点分别为a和b。当系统流量不变，系统阻力上升为P2时，为了克服系统阻力，实现平衡，风机各自增大动叶开度5○，风机A/B工况点由a和b移至a和b。但是a工况点正位于图1分析的临界失速工况c处，气流冲角较大，附面层开始分离，风机A开始出现失速状态。而工况点b处于动叶45○性能曲线驼峰区域右侧，风机B处于稳定工作工况点。

这样的情况下，风机A出现失速，导致风机A全压下降，风机B出力上升。于是风机A动叶会继续开大，但是风机A已经进入了失速区域，继续开大动叶将导致风机A失速加剧，全压进一步下降，两台风机的全压差距进一步拉大。在火电机组实际系统中，此时的工况特点从参数上反应出就是失速风机动叶开度很大，全压很小，电机电流大幅下降;另一台风机动叶开度也不正常增大，风机电机电流大幅上升，甚至超过额定值。这就是风机并列运行失速工况的典型表现。并列风机发生失速喘振对风机及系统都是巨大的威胁。

1.2.2 动叶可调节轴流式风机失速工况特点

从图2可以看出，在风机A/B各自流量不变的情况下：风机A流量小，动叶开度从35○开到40○即开始失速;而风机B，如果继续开大动叶，当动叶开度达到55○也开始失速。可以发现动叶可调式轴流风机失速工况的特点：低流量或高动叶开度。

2 火电机组动叶可调节轴流式引风机实际运行中失速喘振原因

在火电机组引风机实际运行中，动叶可调节轴流式引风机失速喘振的原因可总结为以下情况：

（1）两台并列运行引风机调节特性相差过大，在一些负荷段导致两台引风机出力不平衡。

（2）引风机进出口烟气通道阻力发生变化，出口压力升高过大。

（3）引风机进出口挡板突然关闭或部分关闭，烟气流动特性发生较大改变。

（4）引风机动叶执行机构故障或卡涩，造成两台引风机出力不平衡。

（5）引风机动叶开度过大，引风机运行工况进入失速区。

3工程案例：火电机组引风机失速过程分析及预防

XX发电公司#5/6机组为2×1000MW超超临界燃煤发电机组，锅炉采用北京巴布科克·威尔科克斯公司超超临界、变压直流π型锅炉，型号为B&WB-3218/28.25-M。引风机采用动叶可调轴流式，型号为HU27648-AA 。

下图为XX发电公司1000MW机组烟气系统布置图：

该机组烟气系统的特点是：引风机与增压风机合并为，在引风机出口布置了特殊的换热器─低温省煤器。该换热装置利用引风机出口烟气加热凝结水，降低排烟温度，减少锅炉排烟热损失。在实际运行中，引风机曾多次出现失速情况。

3.1  火电机组引风机失速工况参数分析

某次，XX发电公司（#5机组）发生引风机失速喘振，引起炉膛压力高高保护动作，锅炉MFT。

引风机失速发生前工况参数为：#5机组负荷970MW，锅炉总风量3043T/H，磨煤机B/C/D/E/F运行，总燃料量356t/h。

该工况失速风机为引风机A。通过对比我们不难看出失速前后相关参数的典型变化：引风机A电流大幅下降，引风机B电流大幅上升;引风机A进出口全压大幅下降，引风机进口压力上升明显;引风机A/ B动叶开度均大幅度增加。风机失速后，造成炉膛负压大幅度上升，最终造成锅炉MFT。

结合1.2.2分析的动叶可调节轴流式风机失速工况特点，将引风机A与B进行对比。分析如下：失速前，引风机A全压稍低（在烟气通道近似相同的情况下，即烟气流量低），而动叶开度却较大，全部符合风机失速喘振的工况特点。所以无疑最终引风机A发生失速。另外，引风机B动叶开度大幅上升在一定程度上也引起了自身失速，相对于引风机A而言失速程度稍轻。

3.2  火电机组引风机失速的预防措施

预防火电机组动叶可调轴流式引风机失速喘振，可以采取以下措施：

（1）减小烟气系统阻力。在机组停运检修时可以采取对空预器及电袋除尘器进行清灰。平时运行中加强对空预器及低温省煤器吹灰工作。另外，可以对锅炉风烟系统进行技术改造，减小风阻。

（2）完善引风机相关保护。

现代大型轴流式风机都设有喘振保护。喘振保护动作后，喘振风机跳闸，使系统脱离异常工况。但是由于风机气流的不确定性，该保护可能误动，工程中可对该保护逻辑条件进行优化。譬如喘振保护信号与风机电流偏差信号作为“与”的条件来触发风机跳闸。

（3）控制引风机运行工况。

从轴流风机的性能曲线上看，要想有效防止引风机失速，对引风机的运行工况的控制是至关重要的。

经过对引风机失速情况下各参数的限额的分析，制定技术措施可有效防止喘振失速。措施内容包括：引风机动叶开度、引风机电流及两台引风机电流偏差、全压以及相关事故处理的原则。严格准确执行技术措施对预防引风机失速喘振有很好的效果。

（4）调整烟气系统其它设备运行方式。

现在火电机组引风机出口基本都布置石灰石湿法脱硫装置（吸收塔），用来脱去烟气中硫化物。实际运行情况证明，脱硫吸收塔石灰石浆液循环泵的运行方式及运行台数对引风机出口烟气阻力有较大影响。所以在环保参数符合要求的前提下，减少石灰石浆液循环泵的运行台数对预防引风机失速喘振也有一定帮助。

4逻辑优化

XX发电公司1000MW机组动叶调节轴流式引风机容易发生失速喘振，其主要原因为：机组超净排放改造后，脱硝装置SCR反应区增加一层催化剂模块;空预器差压增大及引风机出口布置低温省煤器风阻大等原因导致整个烟气通道阻力过大。另外一方面，由于引风机在设计选型时容量裕度不高，造成引风机实际出力满足不了超净改造后的运行需求。

这种问题在实际工程中不算少见。针对这种情况，为充分发挥引风机性能同时又要避免动叶开度过大造成引风机失速喘振。可考虑以下机组控制逻辑优化：

在引风机正常运行的范围内，将两台引风機动叶开度、电机电流均设置上限。这两个条件中任一条件触发后，发出以下控制闭锁指令：

（1）闭锁机组增加负荷

（2）闭锁锅炉增加燃料量

（3）闭锁锅炉增加送风量

（4）闭锁任何一台引风机动叶继续开大

同时发出相关报警信号。

第（4）条逻辑尤为重要，因为可能会发生其中一台引风机动叶开度到达上限后无法继续开大，而另外一台引风机动叶却可以继续增大。这种情况十分危险，可能会导致引风机失速喘振的发生。

当引风机运行参数低于上限时，闭锁立刻解除。

考虑特殊情况：引风机RB工况时，可自动退出以上保护。

逻辑图如下：

按此逻辑修改后，就能在自动控制下，安全并最大程度地发挥引风机的性能，保证锅炉燃烧所需要的氧量。

5 结语

火电机组轴流式引风机发生失速喘振的原因是多方面的，一般来说，从引风机的设计、制造、选型、安装以及烟气系统的变化都有可能对引风机运行中发生失速喘振埋下隐患。预防引风机失速喘振可以从这些环节进行管控 。具体到实际工程中，要具体分析，找出引起引风机失速喘振的关键点，结合实际可行的办法进行突破。

参考文献：

（1）郭立君 .泵与风机[M].北京：中国电力出版社，1997：78-79

（2）李春宏. 轴流风机失速与喘振分析. [J].发电设备，2008（3）：237-240

作者简介：

吴仁红（1982-），男，汉族，大学本科，工程师，从事火电机组集控运行专业