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1、中国电力（http:/）大型火电机组轴流式风机的失速分析与预防大型火电机组轴流式风机的失速分析与预防 日期：2005-06-27 来自：华能大连电厂 对轴流式风机失速的机理进行了较为详细的探讨，阐述了实际运行中产生失速的原因，介绍了华能大连电厂#3、#4 机组锅炉送风机的失速特性和失速方面的保护，并从运行管理的角度提出了失速的紧急处理方案和相关预防措施。关键词：冲角 失速 特性曲线 失速保护 预防措施风机的失速现象主要发生于轴流式风机。一般情况下，大型火电机组的锅炉送风机均为动叶可调节轴流式风机，失速时常常会引起振动，严重时威胁到机组的安全运行。华能大连电厂于上世纪末引进 Babcock 公司
2、制造的 350MW 火电机组，本文就其配套的 ANN2180/1000N 型送风机在运行过程中的失速问题作简要分析。1 失速产生的机理1.1 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 1（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 1（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。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
3、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 2 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
4、，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。中国电力（http:/）1.2 影响冲角大小的因素大型火电机组的送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
5、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。1.3 运行中风机失速的原因由于气流速度与流量成正比，因此正常运行中导致风机流量异常降低的因素都可能导致风机失速：（1）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。（2）变负荷过程中由于调节失灵或误操作致使两台风机风量严重不平衡。（3）风机出入口风道堵塞，如暖风器或空预器严重积灰。2 华能大连电厂 ANN2
6、180/1000N 送风机失速特性及相关保护2.1 风机的失速特性曲线华能大连电厂#3、#4 机组的送风机是动叶可调轴流式风机，制造商 HOWDEN VARIAX，风机型号 ANN2180/1000N，采用 17 个机翼型叶片，设计转速 1490 r/m， BMCR 时风机出口风压 2.4KPa。风机动叶片就地实际开度范围 1555，对应于控制室动叶开度 0%100%，其中就地开度 25对应于控制室动叶开度 25%。图 4 是该风机的失速特性曲线，当就地叶片开度角为 50时（控制室动叶开度 87.5%），AB 是其对应的正常运行区，BCDE 为失速区。下面就以风机叶片开度 50时为例说明其失速
7、特性。当风机由于某种原因导致出口压力升高时，例如出口门关闭或风道堵塞时，运行工作点将中国电力（http:/）从 A 向 B 移动，空气流量减小，冲角 增大，到达 B 点时，叶片将失速，叶轮内将产生一个到数个旋转失速区，风机压力和流量将剧烈下降。由于失速区的不稳定，风机的运行工况点也不会稳定，可能会在 C 点附近摆动。失速区继续发展，风机工况点将到达 D 点，此时所有叶片的顶部将形成一个环形失速区域带。如果出口压力进一步升高，空气流量还要减小，风机工作点将到达 E 点，此时风机整个叶轮将处于失速区。如果现在出口压力降低，空气流量将逐渐增加，工作点将沿 E 点返回至 D 点，并沿 DCB直至脱离失
8、速区域。2.2 风机的失速保护华能大连电厂#3、#4 机组的送风机装有失速 CB（CUTBACK）保护及失速跳闸保护装置。送风机失速 CB 保护就是通过检测两台送风机出入口差压点 PT023AI、PT024AI 大小，并和相应送风量所对应的风机差压高高值相比较，如果差值都0，则认为送风机进入失速危险区域，失速 CB 保护发出，控制系统自动将两台送风机动叶指令目标值设置为 0%，快速关小动叶开度，同时目标负荷为 0，快速减小机组负荷，直至差值0 为止，失速 CB 保护才停止。正常运行中两台送风机都投自动的情况下，如果仅是一台送风机出入口差压达高高值，则失速 CB 保护不会动作，需要手动进行处理。
9、表 1 是单台送风机负荷和其相应的差压高高动作值。表 1 送风机负荷及其相应的出入口差压高高值对照表失速跳闸保护是由失速探测器发出的。失速探测器根据风机失速时压力剧烈波动原理工作，其检测到的差压信号送至一个差压开关 PSBA027。如果 PSBA027500Pa，且送风机叶片角度25（25%）时，则延时 120 秒跳闸该送风机。如果叶片角度25,将取消失速保护功能。为什么叶片角度25,将取消失速保护功能？如前所述，当叶片角度 很小时，则冲角 也很小，风机失速可能性很小。所以该送风机设计为当叶片角度小于 30时，即使发生出口挡板全关，空气流量为零这样最恶劣的情况，送风机也不会失速，风机运行还是安
10、全的，如图 4 中的阴影部分所示。但是如果流量太小，风机出口压力很高，失速保护容易误动，考虑到一定的裕量，当叶片角度25,就将失速保护功能断开。3 风机失速 3 的处理及预防措施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单侧出入口差压高高报警或失速报警，风机进入危险区域运行时，为避免风机失速，应采取以下紧急处理方法：（1）立即检查并确认风道各挡板全部打开。（2）快速降低机组负荷，同时关小风机导叶开度，直至风机恢复正常运行。（3）尽量调节两台送风机风量相平衡。为防患于未然，必须做好预防送风机失速的相关措施：（1）每次大修后第一次起机时记录下送风机
11、各负荷工况下对应的风机风压/差压值，并以此作为基准参照值，供以后运行中对比使用。（2）正常运行中，尽量保持两台送风机的风量相平衡，并经常监视动叶开度与风压/差压和风量的关系，检查核对就地风烟挡板实际开度情况。如果发现任一台送风机出口压力/差压不正常升高，或送风机出口通道阻力超过设计值时，则表明风机正进入危险区域，有可能发生失速。可根据情况在低谷期间锅炉投半侧运行方式，对相应侧暖风器和空预器进行冲洗，恢复风道通畅。（3）利用每次停机的机会对空预器和暖风器进行检查，发现积灰或杂物堵塞都要及时清理。中国电力（http:/）（4）每次机组检修时应该对送风机失速探测器和相关压力变送器、差压开关进行检查，确保保护动作可靠。
