双级轴流风机失速问题分析及解决方案.docVIP

2012年江苏省并网电厂锅炉及节能专业专题研讨会资料汇编双级轴流风机失速问题分析及解决方案analysis and solution of two-stage axial fan stall problem唐海宁，杭文林 （扬州第二发电厂发电部，江苏扬州225131）摘要 本文以扬州第二发电厂二期工程调试中遇到的一次风机失速问题为背景，阐述了双级轴流风机失速的现象、特性及运行处理方法。针对风机失速问题，该厂对一次风机的动叶角度及叶顶间隙进行调整，最终解决了风机失速问题，为同类型双级轴流式风机的调试和运行提供了可借鉴的经验。关键词 轴流 风机失速1. 前言动叶可调轴流风机相对于离心式风机而言，具有运行效率高、调节范围大、对负荷变化反应快等一系列优点，在国外大、中容量的火电机组上早已获得广泛使用。近年来, 随着国内600 mw及以上机组的大量建设和投运，动叶可调轴流风机在火电机组中也日趋普遍采用。但动叶可调轴流风机由于其结构上的特征，存在制造、安装、维修技术要求高，若制造安装精度达不到设计要求，极易发生风机失速及喘振等问题。本文以扬州第二发电厂二期工程两台机组在启动调试过程中，遇到的一次风机失速的问题与解决方案为背景，对动叶可调轴流风机失速机理进行分析，并提出如何在调试、运行过程中消除失速现象的建议。扬州第二发电厂二期工程一次风机的型式为双级轴流式风机，易发生失速现象，机组调试期间发生一台磨煤机跳闸的情况下一次风机即进入失速区，严重时威胁到机组的安全运行。（风机的结构见图1）图1. 双级轴流风机结构图风机主要性能参数如下（风机型号：ast-1792/1120）： 表1. ast-1792/1120型双级轴流风机主要性能参数 工况 煤种项目tb工况b-mcr工况tha设计煤种校核煤种设计煤种校核煤种设计煤种校核煤种风机入口体积流量(m3/s)118.06122.5681.0784.167881.07风机入口质量流量(kg/s)139.06144.3698.1101.8494.3998.1风机入口温度()383820202020风机入口全压(pa)-319-319-245-245-244-244风机入口静压(pa)-993-1045-571-597-546-570风机出口全压(pa)1321313239100691008199579969风机出口静压(pa)12202121509578955395049480风机全压升(pa)135321355810313103261020110213风机静压升(pa)131951319510150101501005010050风机出口风温()414122222222风机全压效率(%)84.584.587.587.58888风机轴功率(kw)18351898929965879915风机转速(r/min)1490149014901490149014902. 风机失速产生的机理2.1 失速的过程及现象 风机处于正常工况时，冲角很小（气流方向与叶片叶弦的夹角即为冲角），气流绕过机翼型叶片而保持流线状态，如图2（a）所示。当气流与叶片进口形成正冲角，即0，且此正冲角超过某一临界值时，叶片背面流动工况开始恶化，边界层受到破坏，在叶片背面尾端出现涡流区，即所谓“失速”现象，如图2（b）所示。冲角大于临界值越多，失速现象越严重，流体的流动阻力越大，使叶道阻塞，同时风机风压也随之迅速降低。图2. 失速时气流冲角的变化 风机的叶片在加工及安装过程中由于各种原因使叶片不可能有完全相同的形状和安装角，因此当运行工况变化而使流动方向发生偏离时，在各个叶片进口的冲角就不可能完全相同。如果某一叶片进口处的冲角达到临界值时，就首先在该叶片上发生失速，而不会所有叶片都同时发生失速。如图3中，u是对应叶片上某点的周向速度，w是气流对叶片的相对速度，为冲角。假设叶片2和3间的叶道23首先由于失速出现气流阻塞现象，叶道受堵塞后，通过的流量减少，在该叶道前形成低速停滞区，于是气流分流进入两侧通道12和34，从而改变了原来的气流方向，使流入叶道12的气流冲角减小，而流入叶道34的冲角增大。可见，分流结果使叶道12绕流情况有所改善，失速的可能性减小，甚至消失；而叶道34内部却因冲角增大而促使发生失速，从而又形成堵塞，使相邻叶道发生失速。这种现象继续进行下去，使失速所造成的堵塞区沿着与叶轮旋转相反的方向推进，即产生所谓的“旋转失速”现象。风机进入到不稳定工况区运行，叶轮内将产生一个到数个旋转失速区。叶片每经过一次失速区就会受到一次激振力的作用，从而可使叶片产生共振。此时，叶片的动应力增加，致使叶片断裂，造成重大设备损坏事故。风机一旦发生失速，若风机风压晃动和风道系统固有频率相近，则会导致风机与系统发生耦合振荡，从而使风机发生喘振，风机一旦发生喘振，则风压发生剧烈晃动，风机及风道发生剧烈振动，风机无法正常运行。图3. 风机失速时各叶片工作状况的变化2.2 影响冲角大小的因素由于风机一般是定转速运行的，即叶片周向速度u是一定值 ，这样影响叶片冲角大小的因素就是气流速度与叶片开度角。如图3所示，可以看出：当叶片开度角一定时，如果气流速度c越小时，冲角就越大，产生失速的可能性也就越大。从图3还可以看出，当流速c一定时，如果叶片角度减小，则冲角也减小；当流速c很小时，只要叶片角度很小，则冲角也很小。因此，当风机刚启动或低负荷运行时，风机失速的可能性大大减小甚至消失。同样，对于动叶可调风机，当风机发生失速时关图4. 轴流式风机性能曲线小失速风机的动叶，可以减小气流的冲角，从而使风机逐步摆脱失速状态。3. 一次风机失速性能试验：对于轴流式风机进行失速性能试验时应先打通一台磨煤机一次风通道，然后启动一次风机，将一次风机动叶慢慢上调至试验开度，然后缓慢关小磨煤机一次风量调节挡板，增加一次风系统阻力，同时提高一次风机出口压力，直至一次风机发生明显的失速，记录风机发生失速前的出口压力及风量。重复以上试验，得到风机不同开度下的失速点，联成曲线即可得出风机失速性能曲线（见图4）。以上曲线上方虚线为风机设计工况下的失速性能曲线，而下方红色曲线为风机实际失速工况曲线，从以上曲线可知，风机实际失速性能远差于设计工况，正常运行中tb点已很接近风机失速点，略有工况扰动（如发生一台磨煤机跳闸）则一次风机则会发生失速。需要指出的是：一般情况下不建议做实际的风机失速试验，因为动态的试验实属破坏性试验，影响风机的永久使用寿命。如果必须进行试验，应严格限制试验的次数和试验的时间。对风机本身而言，若在失速区域长时间运行，将导致叶片断裂，并且叶轮的机械部件也可能损坏。英国howden variax公司有明确规定：风机在失速区内累积运行时间不能超过15min，否则要更换叶片。4. 一次风机发生失速的现象及处理方法：4.1 一次风机发生失速的现象：1. 发生失速时一次风压下降；2. dcs上发生失速的一次风机出口温度上升；3. 发生失速的一次风机振动上升；4. 发生失速的一次风机电流下降；5. 就地检查一次风机有异声，外壳温度上升，振动加剧。4.2 发生风机失速的原因：风机运行中导致风机流量和压力不匹配的因素都可能导致风机失速，而电站风机运行中有以下几个主要因素会导致风机发生失速：1. 两台风机并列运行时风机特性相差过大，致使两台风机风量严重不平衡；2. 风机出入口风道堵塞，如空预器或暖风器发生严重积灰；3. 风机出口挡板销子脱落或断裂等原因导致其突然关闭或部分关闭时；4. 磨煤机跳闸时致使一次风量下降，尤其发生rb时跳闸两台磨煤机时极易引发一次风机发生失速。4.3 发生风机失速时的处理：从以上分析中可以得出处理失速方法的本质是设法减小冲角，恢复叶片线形绕流。实际运行中当风机发生失速时应采取以下紧急处理方法：1. 通过以上介绍的风机失速时的现象迅速判断哪一台发生失速；2. 快速降低机组负荷，降低运行磨煤机的煤量，减少一次风系统阻力，以防一次风量低造成磨煤机跳闸；3. 缓慢降低发生失速风机的动叶角度，注意风机出口压力变化，当风机出口压力上升时，说明该风机已开始逐步脱离脱流区域（由于风机发生失速时出力已大幅度下降，关小失速风机不会造成一次风机母管压力下降，相反，关小动叶后由于冲角下降，风机失速程度降低，风机出口压力会有所上升）；4. 注意发生失速的一次风机振动及出口风温、风压变化，并对一次风机进行就地检查，当一次风机出口风温及风机振动恢复正常时，说明一次风机已脱离失速区，此时可逐步调平两台一次风机的出力。5. 一次风机失速问题的解决方案：对于两级轴流风机，风机安装时叶片同级及前后级叶片角度偏差太大、叶片叶顶间隙太大, 动叶执行机构动作的范围与风机动叶的可调范围对应关系等, 均是风机喘振的诱因。为此，在一次风机检修时着重进行了风机动叶角度偏差的检查，并对叶顶间隙进行检查，检查主要发现以下主要问题：1. 一次风机动叶同级及两级角度存在一定偏差：对一次风机动叶进行检查，发现一次风机同级及两级角度存在一定偏差，偏差角度达5（设计规范为小于1），两台一次风机动叶角度存在较大偏差，这样会导致部分叶片首先进入失速区，随后波及至相邻的叶片。2. 一次风机叶顶间隙超标风机机壳加工精度不高，造成机壳存在一定的椭圆度，从而导致风机叶顶间隙超度，现场测量叶顶间隙最大达6.6mm（设计规范为2.5mm）。叶顶间隙超标，会导致风机效率大幅度下降，叶顶出现回流区会干扰风机流场，使气流攻角发生变化，导致风机进入失速区；3. 一次风机及动叶不能关至零位，导致无法进行喘振开关定值试验。轴流风机在叶轮进口处装置喘振报警装置，该装置是由一根皮托管布置在叶轮的前方，皮托管的开口对着叶轮的旋转方向，如图5所示。用一u形管与皮托管相连，则u形管（压力表）的读数应该为气流的动能（动压）与静压之和（全压）。在正常情况下，皮托管所测到的气流压力为负值，因为它测到的是叶轮前的压力。但是当风机进入失速区工作时，由于气流压力产生大幅度波动，所以皮托管测到的压力亦是一个波动的值。为了使皮托管发送的脉冲压力能通过压力开关发出报警信号，皮托管的报警值是这样规定的：当动叶片处于最小角度位置时用u形管测得风机叶轮前的压力再加上2000pa压力，作为喘振报警装置的报警整定值。当运行工况超过喘振极限时，通过皮托管与差压开关发出报警信号，要求运行人员及时处理，使风机返回正常工况运行。若一次风机动叶不能关至最小位置，导致喘振报警开关定值无法确定，喘振报警不能正常投用。图5. 风机喘振测点安装图在风机检修期间，逐一对以上问题进行解决，使动叶角度偏差及动叶叶顶间隙超标的问题得到彻底解决，并对两台一次风机零位进行重新调整，最终使风机的性能达到了原先设计性能，并在冷态时进行模拟两台磨煤机跳闸试验，一次风机未出现失速现象，保障了机组的安全运行，满足了rb试验时跳闸两台磨煤机一次风机不出现失速问题。6. 总结由于双级轴流风机具有较高的效率，目前越来越多的电厂采用双级轴流式一次风机，但双级轴流式一次风机在制造安装过程中的安装精度要求很高，若不能保证安装质量，则极易造成一次风机发生失速。希望相关电厂在电站设备基建