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1、电站轴流风机的失速喘振与防治 西安热工研究院 刘家钰 2008年7月 1 轴流风机的失速与喘振现象 轴流式风机当调节叶片(动叶调节风机为动叶 片，静叶调节风机为入口调节叶片)角度固定 在某一位置时，在正常工作区域内，风机的 压力随风机流量的减小而增加，当流量减小 到某一值时压力达到最大、当流量进一步减 小时，风机压力和运行电流突然降低，振动 和噪音增大这一现象被称为风机失速。 风机失速后有两种不同表现，一是风机仍能 稳定运行，即压力、风量、电流保持相对稳 定，但噪音增加；风机及其进、出口气流压 力承周期性脉动；风机振动常常比正常运行 高。这种现象称之为旋转失速。另一是风机 即压力、风量、电流大
2、幅度波动，噪音异常 之大，风机不能稳定运行，风机可能很快遭 受灭性损坏，这种现象称之为喘振。 2 失速喘振机理 轴流风机是据机翼理论进行气动设计 的，叶型上的压升取决于翼型的升力 ，而翼型的升力除与翼型的形状有关 外，主要取决于冲角，当叶型确定 后，翼型的升力随着冲角的增加开始 成正比的增长，直到临界冲角值k时 压力达到最大值。若冲角继续增大， 升力会突然下降。这是由于气流气流 突然脱离叶型的凸面(吸力面)，产生 很大旋涡所致。见图1。 图1 机翼失速原理图 3 轴流风机压力特性曲线的由来 轴流风机压力特性为马鞍形状。这是因为轴流风机的压力遵循机翼升力理论 的缘故。如图2所示。轴流式风机动叶片
3、的冲角随流量的减小而增大。 图2 轴流风机压力特性形成机理 4 轴流风机的旋转失速 由于轴流风机叶栅中各叶片的形线总 是有些差异，安装角度也不可能完全 一致。因此，一般不是所有叶片都同 时失速，而是一个或多个叶片组成的 一个或多个失速区先失速。且失速区 不是静止不动的，而是沿着叶片移动 ，如图3所示。 图3 轴流风机旋转失速原理 如图3所示，若叶片2、3或4失速，则在这 些叶片间的空气流动减少或完全停止。随 之造成在这些区域里沒有压升，这会造成 向风机叶轮进口测的逆向流。从而在这些 叶片的周围形成一个气流变化很大的区域 。这个区域就是图上的阴影区。叶片5在进 入这区域后冲角将增加，随之叶片失速
4、 。相反叶片2的角将减少，这样会造成这 个叶片脱离失速。这种现象称之为旋转失 速。由于失速区在叶轮内环绕移动的速度 总是小于叶片的移动速度，因而相对于定 子来说，失速区的移动方向与风机的旋转 方向相同。 由于失速区的不稳定，风机的运行 点也不稳定，可能在图1中的c和c， 间移动。如果流量继续减小，则失 速区将增加，直到所有叶片顶部都 失速，风机运行在图1中的D点。 如果流量再继续减少，那么失速区 的径向范围将增加(即失速区从叶 片顶部向根部发展)，直到全部叶 片都失速时，风机运行在0流量的E 点。 5 失速的危害 1)失速可导至风机损坏 由上可知轴流风机失速后，通常表 现为旋转失速。由于旋转失
5、速使风 机各叶片受到周期性力的作用，若 风机在失速区内运行相当长的时间 (或失速频率与叶片自振频率相当 时的短时间内)，会造成叶片断裂 ，叶轮的其元机械会损害。 2)失速可能导至喘振 若管道系统的容积与阻力适当，在风机 发生失速压力降低时，出口管道内的压 力会高于风机产生的压力而使气流发生 倒流，同时管道内压力迅速降低，风机 又向管道输送气体，但因流量小风机又 失速，气流又倒流。这种现象循环发生 ，称为喘振。伴随喘振的发生，风机电 流也大幅度波动，噪声惊人。风机发生 喘振的破坏性很大，可在很短时间内损 坏风机，必须立即停止风机运行。 可见，失速与喘振是两个不同概 念。失速是喘振的必要条件，但不
6、是充分 条件。 3) 失速可能造成并列运行风机间相互“ 抢风”，给发电机组安全运行带来威胁 。 两台并列运行的风机中的一台发生失速后 ，两台风机间可能出现相互“抢风”现 象而无法并列运行；或虽两台风机能并 列运行，但两台风机的总出力可能达不 到需要值而影响其带负荷能力。 6 轴流风机的失速报警装置 由于轴流风机的失速区域大，当风机 选型不当，或所在风(烟)系统阻力 增加较多和漏风变化较大时，很可 能落入风机失速区运行。为保护风 机自身安全，目前电站轴流式风机 的制造厂都配有失速报警保护装置 。当风机发生失速时，让远行人员 及时知晓，并立即进行调整，避免 长期在失速状态下运行。 图4 NOVEN
7、CO失速报警装置 图5 失速探针压力的变化 图6 TLT失速报警装置 7 运行中如何判断风机失速 安装有失速报警保护装置的风机， 应课持其管路畅通，装置动作准确 。 若该装置失灵，戓未装失速报 警装置，则 2) 在运行调整过程中，若发现一台 风机的电流、压力有突然大辐度的 变化，则该风机失速； 3) 两台风机并列运行时，并未进行 调节而一台风机的电流等参数突然 大幅度降低，则该风机失速。 4) 两台风机并联运行时，两台风机 的开度和电流应基本相同，若未进 行调整操作，而两台风机的电流却 相差较大，且调整电流小的风机出 力不起作用，则该风机失速。 8 如何防止轴流风机的失速 风机选型设计时留足失
8、速裕量； 按电力行业标准DL/T468-2004电站 锅炉风机选型和使用导则规定，轴流 风机的失速安全系数k1.3。 K=pk/p(q/qk)2 式中：p、q为设计工况点的压力和流量。 pk、qk为对应致计点风机开度下 的失速界线点压力和流量。 2) 在轴流风机的进出口之间加旁路再循 环风(烟)道；当风机失速时，打开旁路 风道门，使一部分风(烟)量从风机出口 流向风机入口，即使一部分风(烟)量在 风机内循环，以增加风机的风(烟)量， 使风机脱离失速区运行。但这增加了风 机的耗功，是很不经济的。 加装防失速装置 为消除轴流风机的失速，多年来学者们进行了大 量的研究和实验工作，并提出了一些能把失速
9、区向小 风量方向推移，戓者把压力曲线上的波谷减弱直到完 全消除的办法。但戓因结构复杂，戓因对风机效率影 响大，或噪音问题而未能得到广泛应用。直到1974年 原苏联伊万诺夫提出了一种简单有效的装置-空气分 流器来消除旋转失速，并在矿井局扇上获得广泛应 用。取得了美、英、法、原西德、印度、丹麦等多国 专利后，在轴流风机上加装防失速装置才在静调轴流 风机上得到较广泛使用。如德国kkk公司的KSE、我国 淮南煤碳学院和西安热工院均成功地设计出了类似的 防丢速装置并分别应用到矿井和电站轴流风机上。下 面以西安热工院开发的该型防失速装置为例进行介绍 当叶片表面发生进界层分离阻塞流道时，叶轮叶片进口处压力升
10、高，其 扰动气流将进入装置的环形通道，并在环形通道内导叶的作用下消除旋转， 再无干扰的引回叶轮前的的主气流中。从而防止失速扩展，还到大大缩小轴 风机失速区域的目的 图7 加装防失速装置的轴流风机示意图 图8 轴流风机防失速装置 图9 轴流风机有无防失速装置性能曲线比较 9 防止运行中轴流风机失速措施 1)运行人员应了解风机所在系统的阻 力构成，特别是那些阻力较大又易 于堵塞的设备（如预热器、暖风器 、消声器等）的正常阻力范围。 2)在实际运行中若这些设备阻力超出 了范围可能导致风机失速时，应控 制该风机的出力，并及时采取措施 消除堵塞。 3)运行人员应了觧当风机调节装置固 定在某一位置时，风机
11、流量的变化 范围，即从正常运行流量到该角度( 动叶角度或调节静叶的角度)下的失 速流量之间允许的流量变化。在操 作风机所在系统的其它设备时(如一 次风机所在系统的磨煤机时)，避免 瞬时流量减小过大，引起风机失速 。 4)加装风机运行点监视装置，使运 行人员能看见风机运行在性能曲线 上的位置。 图10 电站风机的并列运行 图1 送风机特性曲线 二 钦州电厂一次风机失速原因分析 1 试验结果 630MW工况（5台磨） 500MW工况（5台磨） 489MW工况（4台磨） 400MW工况（4台磨） 300MW工况（3台磨） 风机与管网的匹配情况 在满负荷条件下(锅炉蒸发量台 1842.6t/h)，一次
12、风机的风量和风 压均略小于BMCR工况设计值，说明 BMCR工况设计值较准确；但由于TB 工况点的裕量选择过高，造成所选 一次风机出力偏大较多，与管网系 统的匹配较差，风机运行效率偏低 。 风机安全性能计算结果 名 称单位 2008-2-282008-3-32008-2-292008-3-22008-3-4 机组发电负荷MW (1) 625.4(2) 496.2(3) 488.8(4) 401.00 (5) 302.80 投磨情况台 5台磨5台磨4台磨4台磨3台磨 引风机编号ABABABABAB 风机表盘开度% 38.77 37.11 34.00 30.00 36.00 32.00 31.00
13、 27.00 26.00 22.00 风机就地开度 0 33.00 26.00 36.00 23.00 35.00 24.00 37.00 22.00 40.00 20.00 性能曲线开度 0 26.4327.5727.027.225.8626.4325.325.622.522.8 风机秒流量m3/s 48.78 53.66 48.06 50.06 48.62 51.14 46.74 47.78 37.36 39.44 风机全压Pa 9906 9774 9387 9262 9855 9698 9039 8892 8882 8742 失速流量m3/s 36.0040.0036.8936.8934
14、.6736.0032.8932.8924.8924.89 失速全压Pa 14600149001470014700144001450014200142001360013600 失速裕度 2.72.742.662.922.873.023.173.373.453.90 小结 通过本次热态试验及前面的计算分析 可以发现：目前一次风机在满负荷条 件下，风量和风压都略小于BMCR工况 设计流量和设计风压，能够保证锅炉 不同负荷的运行要求。但风机的风量 裕度和风压裕度选取过大，导致一次 风机在低效区运行，风机与管网匹配 性较差。从本次试验来看，从300MW- 625MW各工况一次工作点均远离理论 失速线，风
15、机能够安全稳定运行。 2 两次失速过程 2.1 在2007年11月25日01-02时， 发电负荷为365MW-340MW，当运 行人员将原有的四台磨运行调 整为三台磨运行时，一次风机 发生了失速，表13记录了风机 失速前后一定时间段内一次风 机及制粉系统的有关参数。 007年11月25日2#炉一次风机失速状态集控室表盘参数 时间单位 01.25.0701.43.1801.43.22 01.43.3 1 01.43.3 6 01.43. 45 01.44. 03 01.49. 30 发电负荷 MW 364.57368.43368.86369.88369.37370.10369.66376.66
16、总给煤量 t/h 144.9144.9144.9144.9144.9144.9144.9/ A一次风机开度% 34.9632.0831.4531.4531.4532.8435.4929.2 B一次风机开度% 32.9530.2029.5830.1930.1930.9733.6922.9 A一次风机电流A 85.0785.0774.0982.4773.2883.6673.9280.3 B一次风机电流A 82.2782.2182.2182.2182.2182.2182.2179.9 A一次风机出口压力kPa 10.1510.318.1310.177.9710.307.739.7 B一次风机出口压力kPa 10.0610.208.3310.178.1210.127.939.6 失速过程 从表盘记录的参数：运行人员在1点37分开 始逐渐关闭B磨的负荷风门，而在此之前B 磨的冷风门已经全开，热风门全关； 39分 关闭B磨电机，B磨停运。约在1点42分两负 风门关闭。在此过程中运行人员未对
