静叶可调引风机低负荷失速原因分析及防治措施

谢富友，崔文利，陈清亮，任衍辉，李贵鹏

（1.大唐黄岛发电有限责任公司，山东 青岛 266500；2.大唐东北电力试验研究院有限公司，吉林 长春 130000）

0 引言

以风电、光伏为代表的清洁能源进入快速发展期，为满足日益增加的可再生能源消纳需求，我国提出构建以新能源为主体的新型电力系统。可再生能源发电具有间歇性和波动性，提升系统的灵活性将是电力行业未来发展必须要解决的问题。火电机组深度调峰、燃气发电、抽水蓄能，以及其他新型储能方式都是提高电力系统调峰能力的有效手段。但是受建设条件、建设运行成本、建设周期、技术成熟度等多方面因素的制约，燃气发电、抽水蓄能以及其他新型储能的比例合计不超过5%，而且在未来一定时间内很难提升。鉴于我国电力结构特点，主力电源燃煤机组进行深度调峰，将是目前提升电网灵活性的重要选择。

受煤电机组产能过剩和可再生能源消纳政策影响，火电机组参与深度调峰日益频繁，对锅炉及辅机设备的可靠性提出了更高要求。静叶可调轴流风机因结构简单、维护量少、初投资成本低、对含尘气流适应性好、调节性能好等优点在我国大型电站锅炉上普遍应用。在机组深度调峰过程中，静叶可调轴流风机极易出现低负荷的失速和喘振现象［1-2］，伴随着风机本体的剧烈振动和炉膛压力的大幅波动，严重威胁机组的安全运行。以680 MW 燃煤发电机组为例，结合静叶可调轴流风机的失速机理，分析风机低负荷失速的原因，并结合运行实际制定防治措施。

1 设备介绍

某电厂三期2×680 MW 燃煤机组采用上海锅炉厂制造的SG-2102/25.4-M953 型超临界参数直流锅炉，尾部配备两台三分仓回转式空气预热器。锅炉采用平衡通风方式，风烟系统采用两台动叶可调轴流式一次风机、两台动叶可调轴流式送风机和两台静叶可调轴流式引风机。

工程所用引风机为成都电力机械厂生产的HA46236-8Z型静叶可调轴流式风机，设计参数详见表1，风机选型点（Test Block，TB）参数是锅炉最大连续蒸发量（Boiler Maximum Continue Rate，BMCR）工况参数点的基础上考虑10%的风量裕度、20%的风压裕度和10 ℃的风温裕度确定的。

表1 静叶可调引风机设计参数

2 静叶可调轴流风机失速机理

2.1 静叶可调风机结构

静叶可调轴流风机结构如图1 所示，风机本体由进汽箱、D1 集流器、可调节前导叶、D2 集流器、叶轮、后导叶、扩压器、冷却风系统等组成。这里的“静叶”指的是叶轮静止不可调，“可调”指的是前导叶可调。其中，前导叶的主要作用是使气流在进入叶轮前产生负预旋，可调节风量、风压、改善风机性能和提高风机调节效率。

图1 静叶可调轴流风机结构

2.2 风机失速机理

风机失速是风机的一种不稳定的运行工况，对风机的危害较大［3-4］。轴流风机的失速性能与风机的叶片型式密切相关。轴流风机叶片通常是采用机翼理论设计的流线型结构，气流分上下两股贴着翼面流过，翼型的升力与翼型的形状有关，主要取决于冲角α。设计工况下，气流冲角约为0，如图2（a）所示，此时气流阻力小，风机效率高。当气流冲角增大至超过临界值后，叶背的流动边界层受到破坏，尾部会出现涡流区，产生所谓的“失速”现象，此时作用于叶片的压力大幅降低，阻力大幅度增加，如图2（b）所示。

图2 轴流式风机叶片气流方向示意

轴流风机的压力特性曲线为马鞍形，与动叶可调风机相比，静叶可调风机失速区范围更宽。静叶可调风机依靠可调前导叶使烟气在进入叶轮前产生负预旋，流量越低气流冲角就越大，其在低负荷也更产生失速问题。

本例涉及的轴流风机特性曲线如图3 所示，曲线上的红线为风机的失速线，风机工作点超出该线范围，即进入失速区。由图3 可知，风机的失速区基本处于风机流量较低的区域。

图3 静叶可调风机特性曲线

3 静叶可调引风机运行特性分析

风机实际工况点由烟风系统管网阻力特性和风机出力特性共同决定。为摸底引风机低负荷失速原因，结合锅炉低负荷稳燃试验过程中的引风机运行数据进行风机特性分析，相关数据见表2，各负荷下风机工况点分布见图4。

图4 低负荷运行工况点分布

表2 引风机特性试验数据

结合试验数据对风机的工作点进行分析：50%THA 工况时，风机工作点距离失速线的安全裕量较大，工作状态比较稳定；降至30%THA 工况时，风机工作点则基本上处于失速线的边缘，稍有波动就有可能进入失速区。进一步对比发现，50%THA 和30%THA 工况之间的风机比压能几乎无差别，风机出力也相差不大，分析认为造成此现象的主要原因是：1）相比负荷降低速率，锅炉烟气量降速缓慢，负荷越低，烟气氧量越大；2）锅炉尾部金属有蓄热，降负荷过程中锅炉尾部烟温会缓慢降低，引风机烟气量只有待烟温降低后才会有明显降低。

进一步分析氧量对风机运行特性的影响，计算并在风机特性曲线上绘制40%、30%THA 工况不同氧量下引风机工作点的位置，详见图5、图6。40%THA 工况下，风机比压能随氧量的降低趋势与对应的失速线变化趋势基本一致，在此负荷点，随氧量降低，风机工作点位置在改变，但比压能距离失速线的安全裕量基本维持不变。30%THA 工况下，风机比压能的安全裕量则随氧量降低明显上升。据此也得出，引风机失速风险最大区域基本处于30%THA附近。

图5 40%THA工况下不同氧量对应工作点

图6 30%THA工况下不同氧量对应工作点

综前所述：为避免引风机在锅炉低负荷落入失速区，锅炉负荷从40%THA 继续下降过程中，应尽量维持相对较低的锅炉氧量运行，负荷降至30%THA以下，风机失速风险就基本消除。

4 防止引风机低负荷失速改造措施

上述优化措施是建立在空预器阻力正常的基础上，考虑空预器堵塞、漏风等造成的烟风系统阻力增加，风机失速的风险仍存在，除考虑失速预警、风机运行状态的实时监视外，仍需考虑进一步的改造措施。针对静叶可调轴流风机，可采取的改造方案有变频改造、加装烟气再循环管道和动叶可调风机改造［5-8］。

4.1 变频改造

静叶可调风机可调前导叶的调节范围为-75°～+30°。加装变频器后，风机可实现软启动，依靠可调前导叶和风机转速进行出力调节［9-11］。低流量下，风机可调前导叶角度保持在0°，依靠电机转速调节风机出力；转速调至最大后，则依靠可调前导叶开度继续提升风机出力，变频改造前后风机的特性曲线对比见图7。因导叶角度的增加，风机低负荷下的失速线会有所提高。以引风机烟气流量200 m3/s 为例，工频工况下，风机的失速比压能为2 693 Nm/kg，变频工况下，风机的失速比压能为3 261 Nm/kg，增加了568 Nm/kg，可见变频改造对改变静叶调节风机低负荷的失速特性有明显效果。

图7 引风机变频改造前后特性曲线对比

根据调研情况，静调风机变频改造后，在进口叶片与轮毂的焊接处可能会产生疲劳裂纹，这是由于随风机转速不断变化的交变应力和旋转振动产生的动应力共同作用结果。故而在进行变频改造时，应由风机生产厂家进行轴系和叶轮强度校核，确认风机的强度裕量是否能够满足要求；同时校核转动部件的固有频率，以最大限度地避开共振区。该方案改造的总投资预算约550万元。

4.2 加装烟气再循环管道

加装烟气再循环管道与风机厂提出的KSE 分流装置［12］改造原理本质相同，从引风机出口引出部分烟气回送至引风机入口，在系统总阻力不变的情况下，通过增加引风机烟气流量，使风机的工况点向右漂移，从而提高风机运行的安全性，系统改造示意见图8。

图8 引风机出口烟气再循环管路

结合项目实际，以机组30%THA 工况为基准进行旁路烟道的设计。按引风机进出口压差2 630 Pa进行核算，当管路为1 120 mm×5 mm 时，循环烟气量可达74 m3/s，约占该工况下总烟气量的31.25%，结合风机的运行特性曲线（图3）进一步分析，该方案可提高低负荷下失速裕量约3 000 Pa，基本可彻底解决引风机低负荷的失速问题。

该方案改造范围小，改造费用仅约90 万元，改造后，仅需在30%THA 负荷附近投入再循环旁路，远离该负荷，运行中通过关闭再循环系统电动门即可实现该系统隔离。

4.3 动叶可调风机改造

与静叶可调风机相比，动叶可调轴流风机可在运行中调节叶片的安装角，其工况范围不是一条直线而是一个面，风机的等效曲线与系统阻力线接近平行，故可在相当宽的范围内保持风机高效运行。当风机变负荷尤其是低负荷运行时，其经济性优势就更明显，且动叶可调风机基本不存在低负荷失速问题。风机改造为动叶调节风机后的特性曲线见图9，改造后，风机30%THA区域附近的失速比压能＞6 000 Nm/kg，远大于静调风机的失速值，基本可消除失速的可能［13］。该方案的总改造费用约700万元。

图9 动叶可调风机改造后特性曲线

4.4 各种改造方案对比

对比三种改造方案：从改造后的效果看，动叶调节风机改造效果最好，加装再循环管道改造方案次之；从投资预算看，加装再循环烟道方案投资最少，而另两种改造方案投资均较高。考虑引风机只是在特定负荷区间存在失速风险，故推荐采取加装烟气再循环管道方案。

5 结语

静叶可调轴流风机的失速特性与叶片结构特性相关。低负荷下，通过引风机的流量小、叶片冲角大，风机工作点贴近失速线，故而风机易失速。

机组负荷由40%THA 降至30%THA 时，风机运行的工况点基本处于失速线的边缘。通过适当控制运行氧量的方法可一定程度缓解失速问题产生的可能。

针对引风机低负荷失速问题，对比论证了三种改造措施。综合比较，推荐采取加装烟气再循环管道改造措施，该方案投资低，实施后效果明显，可基本消除低负荷引风机的失速风险。