轴流风机工作点可视化运用探讨

国电开远发电有限公司 魏兴文 张子明 凌国峰 熊 方 张勇前

随着我国火电机组广泛进行深度调峰运行，机组长时低负荷运行成为常态，而锅炉辅机在设计选型时是以锅炉BMCR（锅炉最大连续出力）工况为参考数据加上10%富裕量作为选型参数，锅炉BMCR（锅炉最大连续出力）工况蒸发量本身就比BERC(锅炉额定蒸发量）工况富裕5%，现在锅炉蒸发量长时在50～70%BERC 工况运行，导致锅炉辅机运行工况大幅度偏离设计工况而长期处于低负荷工况运行，辅机的运行状况既不经济又不安全。

其中轴流风机由于结构简单可靠性高、风量大在锅炉辅机中得到广泛运用。但轴流风机的结构特点决定了轴流风机在运行过程中易发生失速、喘振等故障。这些故障严重威胁轴流风机运行的安全性和经济性[1]。除在轴流风机设计制造、选型及轴流风机配套系统设计过程中采取相应技术措施外，轴流风机投入运行后的操作控制也对避免轴流风机发生失速、喘振等故障有着重要的影响。

1 轴流风机失速、喘振的机理

为避免轴流风机运行中发生失速、喘振等故障，有必要先研究清楚轴流风机发生失速、喘振等故障的机理。

轴流风机动叶片采用翼型叶片，气流流过翼型叶片前缘时被分为两份气流分别紧贴叶片上下表面流过，在叶片后缘重新汇合。气流进入翼型叶片前的气流角度与翼型叶片翼弦之间的夹角称为冲角（迎角），当冲角α＞12°后紧贴叶片上表面的气流边界层在叶片后缘处发生的分离旋涡加剧，叶片气动性能恶化，此冲角为临界冲角，冲角大于临界冲角后的流动称为失速流动。发生失速流动的轴流风机工作恶化，效率下降并伴有噪音和振动。

如图1所示，冲角越大分离旋涡也越大，对气流的流动阻碍就越大。由于风机各片叶片结构尺寸存在加工误差和叶片安装角存在的细微差异，导致风机各叶片不会同时发生失速，通常是某一叶片气道内先发生失速，旋涡气流堵塞了叶片气道后致使该气道的气流被迫向相邻叶片气道分流：使顺旋转方向的气道气流阻塞减缓而退出失速状态；使逆旋转方向的相邻气道气流阻塞加剧，逐渐发生失速，从而实现了失速的传播和推移，这通常称为旋转失速。旋转失速会对风机叶片施加交变作用力，让叶片产生疲劳裂纹最终导致叶片断裂。

图1 冲角角度对气流的影响

轴流风机在运行中因配套管网流量或系统阻力突变使风机流量下降而导致气流冲角增大时，当气流冲角超过临界冲角后叶片出现失速，气道发生阻塞，风机出口压力快速下降。由于管网容量较大，管网压力变化滞后于风机压力变化，导致短时内管网压力高于风机出口压力，管网内气流回流风机，风机出现正转倒流。随着管网压力的持续下降，倒流逐渐停止，风机出口压力逐渐升高恢复向管网输送气流，管网压力逐步升高，风机流量又开始逐渐下降直至再次发生失速，风机再次出现正转倒流现象。如此周而复始，风机流量时而外供时而回流，管网压力忽高忽低，造成风机与管网频繁震荡，此种现象称为“喘振”。喘振对风机与管网损坏极大，应尽力避免发生。

2 轴流风机失速、喘振的解决策

从理论上讲气流冲角α 大于临界冲角是轴流风机发生失速的充分必要条件，如能控制气流冲角不大于临界冲角，就能避免轴流风机发生失速，也就能避免发生喘振。然而在轴流风机的实际运行中直接监测气流冲角无疑是不现实的，而是通过调节轴流风机工作转速、风机叶片安装角度、管网系统阻力来控制轴流风机实际工作点远离风机失速区域，以确保轴流风机不发生失速和喘振。但在锅炉运行状态频繁变化时要保证轴流风机工作点不落入失速区，仅依靠现场操作人员的工作责任心和个人过硬的技术水平显然是不够的。而目前的轴流风机自动调节系统对于轴流风机发生失速、喘振前的状态研判不足，自然也就难于发出高质量的风险预警。更多侧重于轴流风机已发生失速、喘振时的报警，对于避免轴流风机发生失速、喘振帮助有限。

如将轴流风机运行工作点进行可视化处理，把表征轴流风机状态的实时数据加工处理后，以动态工作点的形式直观的显示在以轴流风机的性能曲线为背景的坐标上，能极大提高现场工作人员对轴流风机安全、经济状况判断决策的准确度和时效性[2]。为工作人员后续的轴流风机运行方式（风机运行台数的多少）和轴流风机运行参数（风机工作转速、风机叶片安装角度、风机流量）的调整赢得时间。同时还可依据调整过程中轴流风机工作点移动轨迹，来判断当前进行的轴流风机调整操作是否有效：工作点移动方向是否妥当？移动是否到位？从而更高效的推进后续的调整，直至轴流风机工作点即远离失速区域，又处于轴流风机性能高效区[3]。

3 运用实例

某电厂为300M W循环流化床机组，2016年进行了烟气脱硫改造，工程采用石灰石－石膏湿法烟气脱硫工艺，1台炉配备1座脱硫塔，系统无增压风机，引风机与增压风机合二为一。引风机为AP系列动叶可调轴流风机，引风机按照在设计煤质、BMCR（锅炉最大连续出力）工况下锅炉排烟量的10%计算流量裕量、另加10℃的温度裕量、10%的压头裕量进行选型设计，其在BMCR、TB 工况下性能参数分别为：空预器出口烟气量（m3/s）558（BMCR）、单台引风机入口烟气量（m3/s）345、385.8；引风机入口密度（kg/m3）0.7159、0.6942；引风机入口烟气温度（℃）145、155；引风机设计工作效率（%）88.5、87.9。两台引风机的入口烟气量之和是锅炉BMCR(锅炉最大连续出力)工况的排烟量的1.38倍。在锅炉BECR 工况(锅炉蒸发量944T/H)时，锅炉排烟量仅达到引风机入口设计烟气量的45.2%。

在锅炉蒸发量665T/H 工况时，锅炉排烟量仅达到引风机入口设计流量的37.6%。由于机组发电负荷率较低，引风机全年长时间低负荷运行，而该厂采用两台引风机同时运行的运行方式，导致引风机长期小流量工况运行。而在锅炉高负荷工况（锅炉蒸发量950T/H、933T/H）时，锅炉排烟量也仅占两台引风机入口烟气流量之和的45.1%，显然偏离引风机入口设计烟气流量较多。通过将两台机组的4台引风机的6个运行工况的引风机运行数据进行可视化处理后形成引风机工作点可视图，可直观看到引风机在高负荷工况下运行效率较高，基本维持在86～88%，但工作点较为接近失速线，当管网系统压力（流量）突变时有失速、喘振风险；在引风机低负荷工况下，引风机工作点虽然远离失速线，运行失速、喘振风险较低，但运行效率仅为65～72%。引风机设计工作点运行效率工作点1为87.9%，工作点2为88.5%，且都远离风机失速线，是该型风机最佳工作点。

与设计工作点相比，目前该厂两台机组4台引风机无论是高负荷还是低负荷工况均采用每台炉两台引风机同时运行的运行方式，导致每台引风机的入口烟气流量均远低于设计流量，引风机运行既不经济又不安全。可考虑调整风机运行方式，采用一运一备的运行方式增加运行引风机的入口烟气流量，既能维持运行引风机的效率又能增加风机运行安全性。同时还可通过技术改造，将引风机定速控制改为变速调节，从而能更快速的移动引风机工作点。

4 结语

随着工业技术的快速发展，生产系统越来越复杂化和高技术化，现场各种设备状态纷繁复杂，面对庞大的实时数据，能快速高效的获取关键信息对现场工作人员尤其重要。传统单纯依靠现场工作人员直接从庞大的实时数据中解读出有用信息的工作模式已经越来越难以适应要求，利用数据处理技术对现场实时数据进行加工提炼，形成直观、简易的信息供现场人员解读，无疑能极大的提高现场人员获取信息的效率，有利于快速、高效的做出准确决策，以更好的适应当前工业技术的快速发展。运用轴流风机实时运行状态可视化技术，将有关风机运行安全与运行效率的信息形象直观呈现在现场工作人员面前，有助于现场工作人员快速、准确高效的解读生产数据，提高现场工作人员决策的科学性和时效性，从而有效提高设备的安全性和经济性。