电站轴流风机失速综述及对策

浏览数量:2     作者:张 劲 刘俊伟 肖先奎/成都电力机械厂     发布时间: 2022-01-07      来源:风机工业

     摘要:对电站轴流风机的失速机理进行了详细介绍,总结出电站轴流风机在实际使用中各类失速的表现形式、原因及预防应对措施,为分析处理电站轴流风机失速问题提供参考。

关键词:轴流风机; 空气动力特性;失速; 冲角;监测;管网曲线


0 引言

随着火电机组容量的不断大型化及追求高效,轴流风机因其低负荷区域效率较高、调节范围宽广、反应速度快等优点而成为引、送、一次风机的首选。但轴流风机存在不稳定区的缺陷导致失速问题时有发生,给电厂的稳定运行带来诸多隐患。由于风机失速的表现形式多样,静叶调节轴流风机与动叶调节轴流风机调节方式存在差异,再加上失速报警监测系统可能出现误报等情形,错综复杂的情况给电厂生产运行人员判断和处理失速带来诸多困惑,为此本文就风机失速进行分析和总结 ,给生产运行人员及时采取正确的处理措施,避免设备损坏等事故的发生提 供参考[1-2 ] 。

1 叶片的空气动力特性

电站轴流风机叶片通常均为机翼型,实际流体在流过机翼时,由于附面层的影响 ,改变了叶型上下表面的速度分布,使叶型上表面速度增加,下表面速度减小,因而产生了一个向上的升力。在产生升力的同时,也产生了阻力,叶片升力和阻力的特性即是叶片的空气动力特性[3]。

依据实验,对于确定的叶栅,其叶型的升力系数Cy、阻力系数Cx,与冲角α的相互关系见图1 , 当α < αmax,时,Cy随α的增大而升高,在α达到最大值 αmax时,Cy达到最大,此时风机的风压亦达到性能曲线的最大值,α继续增加,Cy将迅速降低而Cx将急剧上升,此时气流离开叶片吸力面发生附面层分离 ,按儒考夫斯基理论,风机的升压py=ρCybWm&sup2;/2。

图1 叶片空气动力特性图

式中:ρ为介质密度;Cy为升力系数,决定于动叶叶型及气流冲角;b为叶片弦长Wm为相对于动叶的平均气流速度,它与翼弦形成的夹角称为冲角。

2 失速定义、产生机理、过程及现象[4-5]


2.1 失速的定义

风机在运行时产生的全压升高到其特性曲线的顶点后,若管网阻力再增大,风机的全压将会突然下降,这种现象称为风机失速。

2.2 失速产生机理

风机运行时,动叶叶型固定不变,即叶片弦长b是确定不变的,且特定工况下介质密度不变,升力系数Cy与冲角α的关系曲线也是确定的,在转速和安装角一定时,风机的压力仅与CyWm相关。

系统阻力增大时,风机的风减小,气流速度由c减小为c, 叶轮的周向速度不变,u等于u, 则冲角α相应增大为α′时,变化的速度三角形见图 2。当冲角达到最大值αmax心时,若风量继续减小,则叶片背面流动工况开始恶化,边界层受到破坏,叶片背面尾端出现涡流区,升力系数下降而阻力系数上升,出力急剧降低,风机即出现失速。冲角大千临界值越多 ,失速现象越严重。

图2 风噩变化时的速度三角形图


2.3 失速过程及现象

实际运行中的风机,由于各种原因使叶片不可能具有完全相同的形状和安装角,因此各个叶片进口的冲角不可能完全相同。如果某一叶片进口处的冲角达到临界值,则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所示,假设叶片2, 3 , 4间的叶道由于失速出现气流阻塞现象,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45, 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45 的冲角增大。其结果使叶道12绕流情况有所改善,失速的可能性减小,甚至消失;叶道45内部却因冲角增大而促使发生失速。这种现象继续进行下去,使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,从而可能与叶片产生共振,而气流分离产生的旋涡,将导致风机噪声变化,风量、风压及配套电机电流降低,风机振动值增加。

图3 风机失速过程及现象图


3 影响冲角大小的因素

在定转速运行时,叶片周向速度u为一 定值,则影响叶片冲角大小的因素就是气流速度与叶片开度角。

由图 2 可以看出 :当叶片开度一定时 ,如果流速c越小,冲角a就越大,产生失速的可能性也就越大。

由图4可以看出:当风量一定时,则流速c不变,如果叶片角度越小,则冲角α也越小;当流速c很小时,只要叶片角度很小,则冲角a α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。

图4 动调风机开度变化时的速度三角形图

对于静调风机,叶轮叶片的角度固定不变,进口气流角的改变是通过调节进口静叶开度以改变进口气流的方向,如图5所示,在轴向速度不发生变化的情况下,减小进口静叶开度,冲角将减小,这与动调风机开度变化时的规律一致。

图5 静调风机开度变化时的速度三角形图


4 风机在管网中的运行

4.1 运行工况点的确定

风机在管网中运行时,风机风量等于管网通过的风量,产生的压力与管网阻力损失相等,则风机能稳定的工作[6]图6中,R为系统阻力线,在负荷点沿阻力线 R 由123 过程中,逐渐增大风机的开度,风机的流量、压力增加,与管网风量、压力达到平衡,如此形成每一个负荷下对应的风机工作点。

图6 风机运行工况点的确定图

4.2    风机并联[7-8]

图7、图8 中,b-c线为风机某一开度的正常运行区,a- b线为该开度下的失速线,0-1-6-7线为系统阻力线,0-2 线为风机运行曲线。

若两台风机同时启动,则两台风机工作点沿着0- 2线同步到达点2,两台风机顺利并联。

若第一台风机(简称A 风机)先启动,b-c线为此时风机的运行开度,其工作点为点1, 此时启动第二台风机(简称B风机,在风机达到全速后系统挡板稍微开启一点,点4将是B风机的工作点。

若此时进一步开启B风机的挡板,其运行点沿着4-3-2线移动,A 风机运行点沿着1-5-2 线移动。在B风机运行点到达点3时,A运行点同步到达点5 , 进一步增大B风机的挡板,A 风机运行点沿着5-2线移动,由于两台风机必须在相同压力下运行,则B风机工作点将沿3—8- a线移动。在A风机运行点到达点2时,B风机工作点同步到达点8。很明显,这种方式并联的两台风机,其总风量不能满足系统在点7时的风量需求,B风机处于失速状 态,如图7所示。

图 7 两台风机并联不当图

为满足系统在点7的风量需求,则需尽量减小先运行风机的开度,使B风机起始工作点4变为4,并沿 4- 2′线移动,而A风机工作点沿1- 2 线移动,在两台风机运行点均到达点 2 时,再同步调整两台风机工作点到点 2, 满足系统在点7 的风量需求,如图8所示。

图 8 两台风机顺利并联图

动叶可调轴流风机虽然并联相对容易,但图7和图8所述情况同样适用 。

4.3    风机的失速裕度

为保证在管网阻力稍有波动或变化时风机仍能稳定运行,风机选型时应留有足够的失速裕度,其值K由设计工况点和该开度下的失速点的风量、风压按公式 k=pk/p&middot;(qlqk)&sup2;求出,并要求k>1.3。各参数的定义如图9 所示。


图9 失速裕度参数定义图

5 风机的失速监测

失速监测装置如图10所示(以德国KKK技术为例,装置包括两个探针和一个差压开关,探针沿叶片旋转方向靠背布置在叶片进口前端,一个探针正对叶轮旋转方向,测得的压力高,接至差压开关的高压端,另一个探针背对叶轮旋转方向,测得的压力低,接至差压开关 的低压端。正常运行时,气流沿轴向流动,两个探针测得的压差信号很小,进入失速区后,由于失速区沿叶轮旋转方向的推进,使得气流沿旋转方向存在速度分量,正对叶轮旋转方向的探针测得的压力信号 将急剧上升,背对叶轮旋转方向的探针测得的压力信号将减小,两个探针的压差增大,超过差压开关的设定值后即输出信号,从而实现报警,达到监测的目的。

图 10 失速报警监测示意图


6 风机失速甄别和失速的预防处理

6.1    失速甄别

在系统相对稳定的清况下,若出现以下一些特征,则风机出现失速:

1 ) 风机正常调整过程中,电流和压力大幅度变化;

2) 并联运行的风机,未进行开度调节,其中一台风机的电流、压力大幅度降低;

3 ) 并联运行的风机,未进行开度调节,电流出现较大差异的变化,且调整电流小的风机开度,其出力改变很小

同时,风机的振动和噪声均较正常运行时偏高,且噪声音调偏低,显得沉闷。

6.2    常见表现形式及排除方法

风机失速时表现形式较多,按处理措施由易风机失速时表现形式较多,按处理措施由易到难的大致顺序见表1 [9]

6.3    运行中失速的处理[10-12]

处理失速的方法本质是使气流相对叶片的气流冲角减小,消除叶片尾部涡流,恢复绕流,运行中出现失速时,应进行如下处理:

1)检查和确认系统设备是否存在局部阻力异常情况,如各挡板的开度是否全部打开,暖风器、空预器等是否堵塞等;检查系统控制参数是否异常,如过高的氧量,增压风机进口过高的负压等;

2)快速降低机组负荷,减小风机的运行开度(条件允许时可将风机自动控制解除,进行手动调节,以避免两台风机的频繁抢风,直至风机恢复正常;

3)若较长时间内仍不能消除风机失速状态,则需停机检查。

6.4    失速预防[13- 16]

为防患于未然,需做好以下相关措施:

1) 足够的失速裕度

选型设计时,严格按照标准进行失速裕度计算,确保每一工况点的失速裕度达到大于1.3的要求。

2) 精确的制造质量

对叶片型线、叶片顶部与机壳间的间隙等的制造精确控制,避免个别叶片因型线差异、过大间隙导致风机出力降低等诱导失速。

3) 良好的安装状态

确保风机各定位机构、动叶片角度、调节机构等的一致性、同步性,避免风机出力差异导致失速。

4) 可靠的监测措施

确保失速报警监测装置的设备、压力信号检测、传输通道、电信号输出通道、整定值等均处于可靠状态,为失速的判断和处理提供依据。

%1) 合理的运行调控措施

锅炉系统应尽量维持在设计状态下运行, 避免风量、风压及排烟温度等大幅偏离设计参数;并联运行的风机开度、电流尽量一致,避免过快调节风机开度 。

6) 完善的维护措施

在日常维护时,对系统内如送风机、一次风机的进口消声器,出口暖风器以及空预器等易于堵塞的设备进行重点维护,北方地区还应注意结冰、低温腐蚀,大风后则应注意杨絮、柳絮和塑料膜等堵塞设备。

7 结论

电站轴流风机失速特征多种多样,原因错综复杂,有时一个失速间题可能存在多个原因,在处理完其中一项之后仍然存在失速的问题,因此以上总结的一些失速特征、处理措施不能涵盖所有失速现象,但只要弄清失速机理、监测方法、风机运行调节机制,并对风机性能、系统特性认真分析,那么失速问题将不再会是困扰电厂的一大难题,如此亦达到本文的目的。


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