軸流風(fēng)機工作點可視化運用探討

國電開遠發(fā)電有限公司 魏興文 張子明 凌國峰 熊 方 張勇前

隨著我國火電機組廣泛進行深度調(diào)峰運行，機組長時低負荷運行成為常態(tài)，而鍋爐輔機在設(shè)計選型時是以鍋爐BMCR（鍋爐最大連續(xù)出力）工況為參考數(shù)據(jù)加上10%富裕量作為選型參數(shù)，鍋爐BMCR（鍋爐最大連續(xù)出力）工況蒸發(fā)量本身就比BERC(鍋爐額定蒸發(fā)量）工況富裕5%，現(xiàn)在鍋爐蒸發(fā)量長時在50～70%BERC 工況運行，導(dǎo)致鍋爐輔機運行工況大幅度偏離設(shè)計工況而長期處于低負荷工況運行，輔機的運行狀況既不經(jīng)濟又不安全。

其中軸流風(fēng)機由于結(jié)構(gòu)簡單可靠性高、風(fēng)量大在鍋爐輔機中得到廣泛運用。但軸流風(fēng)機的結(jié)構(gòu)特點決定了軸流風(fēng)機在運行過程中易發(fā)生失速、喘振等故障。這些故障嚴重威脅軸流風(fēng)機運行的安全性和經(jīng)濟性[1]。除在軸流風(fēng)機設(shè)計制造、選型及軸流風(fēng)機配套系統(tǒng)設(shè)計過程中采取相應(yīng)技術(shù)措施外，軸流風(fēng)機投入運行后的操作控制也對避免軸流風(fēng)機發(fā)生失速、喘振等故障有著重要的影響。

1 軸流風(fēng)機失速、喘振的機理

為避免軸流風(fēng)機運行中發(fā)生失速、喘振等故障，有必要先研究清楚軸流風(fēng)機發(fā)生失速、喘振等故障的機理。

軸流風(fēng)機動葉片采用翼型葉片，氣流流過翼型葉片前緣時被分為兩份氣流分別緊貼葉片上下表面流過，在葉片后緣重新匯合。氣流進入翼型葉片前的氣流角度與翼型葉片翼弦之間的夾角稱為沖角（迎角），當沖角α＞12°后緊貼葉片上表面的氣流邊界層在葉片后緣處發(fā)生的分離旋渦加劇，葉片氣動性能惡化，此沖角為臨界沖角，沖角大于臨界沖角后的流動稱為失速流動。發(fā)生失速流動的軸流風(fēng)機工作惡化，效率下降并伴有噪音和振動。

如圖1所示，沖角越大分離旋渦也越大，對氣流的流動阻礙就越大。由于風(fēng)機各片葉片結(jié)構(gòu)尺寸存在加工誤差和葉片安裝角存在的細微差異，導(dǎo)致風(fēng)機各葉片不會同時發(fā)生失速，通常是某一葉片氣道內(nèi)先發(fā)生失速，旋渦氣流堵塞了葉片氣道后致使該氣道的氣流被迫向相鄰葉片氣道分流：使順旋轉(zhuǎn)方向的氣道氣流阻塞減緩而退出失速狀態(tài)；使逆旋轉(zhuǎn)方向的相鄰氣道氣流阻塞加劇，逐漸發(fā)生失速，從而實現(xiàn)了失速的傳播和推移，這通常稱為旋轉(zhuǎn)失速。旋轉(zhuǎn)失速會對風(fēng)機葉片施加交變作用力，讓葉片產(chǎn)生疲勞裂紋最終導(dǎo)致葉片斷裂。

圖1 沖角角度對氣流的影響

軸流風(fēng)機在運行中因配套管網(wǎng)流量或系統(tǒng)阻力突變使風(fēng)機流量下降而導(dǎo)致氣流沖角增大時，當氣流沖角超過臨界沖角后葉片出現(xiàn)失速，氣道發(fā)生阻塞，風(fēng)機出口壓力快速下降。由于管網(wǎng)容量較大，管網(wǎng)壓力變化滯后于風(fēng)機壓力變化，導(dǎo)致短時內(nèi)管網(wǎng)壓力高于風(fēng)機出口壓力，管網(wǎng)內(nèi)氣流回流風(fēng)機，風(fēng)機出現(xiàn)正轉(zhuǎn)倒流。隨著管網(wǎng)壓力的持續(xù)下降，倒流逐漸停止，風(fēng)機出口壓力逐漸升高恢復(fù)向管網(wǎng)輸送氣流，管網(wǎng)壓力逐步升高，風(fēng)機流量又開始逐漸下降直至再次發(fā)生失速，風(fēng)機再次出現(xiàn)正轉(zhuǎn)倒流現(xiàn)象。如此周而復(fù)始，風(fēng)機流量時而外供時而回流，管網(wǎng)壓力忽高忽低，造成風(fēng)機與管網(wǎng)頻繁震蕩，此種現(xiàn)象稱為“喘振”。喘振對風(fēng)機與管網(wǎng)損壞極大，應(yīng)盡力避免發(fā)生。

2 軸流風(fēng)機失速、喘振的解決策

從理論上講氣流沖角α 大于臨界沖角是軸流風(fēng)機發(fā)生失速的充分必要條件，如能控制氣流沖角不大于臨界沖角，就能避免軸流風(fēng)機發(fā)生失速，也就能避免發(fā)生喘振。然而在軸流風(fēng)機的實際運行中直接監(jiān)測氣流沖角無疑是不現(xiàn)實的，而是通過調(diào)節(jié)軸流風(fēng)機工作轉(zhuǎn)速、風(fēng)機葉片安裝角度、管網(wǎng)系統(tǒng)阻力來控制軸流風(fēng)機實際工作點遠離風(fēng)機失速區(qū)域，以確保軸流風(fēng)機不發(fā)生失速和喘振。但在鍋爐運行狀態(tài)頻繁變化時要保證軸流風(fēng)機工作點不落入失速區(qū)，僅依靠現(xiàn)場操作人員的工作責(zé)任心和個人過硬的技術(shù)水平顯然是不夠的。而目前的軸流風(fēng)機自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)對于軸流風(fēng)機發(fā)生失速、喘振前的狀態(tài)研判不足，自然也就難于發(fā)出高質(zhì)量的風(fēng)險預(yù)警。更多側(cè)重于軸流風(fēng)機已發(fā)生失速、喘振時的報警，對于避免軸流風(fēng)機發(fā)生失速、喘振幫助有限。

如將軸流風(fēng)機運行工作點進行可視化處理，把表征軸流風(fēng)機狀態(tài)的實時數(shù)據(jù)加工處理后，以動態(tài)工作點的形式直觀的顯示在以軸流風(fēng)機的性能曲線為背景的坐標上，能極大提高現(xiàn)場工作人員對軸流風(fēng)機安全、經(jīng)濟狀況判斷決策的準確度和時效性[2]。為工作人員后續(xù)的軸流風(fēng)機運行方式（風(fēng)機運行臺數(shù)的多少）和軸流風(fēng)機運行參數(shù)（風(fēng)機工作轉(zhuǎn)速、風(fēng)機葉片安裝角度、風(fēng)機流量）的調(diào)整贏得時間。同時還可依據(jù)調(diào)整過程中軸流風(fēng)機工作點移動軌跡，來判斷當前進行的軸流風(fēng)機調(diào)整操作是否有效：工作點移動方向是否妥當？移動是否到位？從而更高效的推進后續(xù)的調(diào)整，直至軸流風(fēng)機工作點即遠離失速區(qū)域，又處于軸流風(fēng)機性能高效區(qū)[3]。

3 運用實例

某電廠為300M W循環(huán)流化床機組，2016年進行了煙氣脫硫改造，工程采用石灰石－石膏濕法煙氣脫硫工藝，1臺爐配備1座脫硫塔，系統(tǒng)無增壓風(fēng)機，引風(fēng)機與增壓風(fēng)機合二為一。引風(fēng)機為AP系列動葉可調(diào)軸流風(fēng)機，引風(fēng)機按照在設(shè)計煤質(zhì)、BMCR（鍋爐最大連續(xù)出力）工況下鍋爐排煙量的10%計算流量裕量、另加10℃的溫度裕量、10%的壓頭裕量進行選型設(shè)計，其在BMCR、TB 工況下性能參數(shù)分別為：空預(yù)器出口煙氣量（m3/s）558（BMCR）、單臺引風(fēng)機入口煙氣量（m3/s）345、385.8；引風(fēng)機入口密度（kg/m3）0.7159、0.6942；引風(fēng)機入口煙氣溫度（℃）145、155；引風(fēng)機設(shè)計工作效率（%）88.5、87.9。兩臺引風(fēng)機的入口煙氣量之和是鍋爐BMCR(鍋爐最大連續(xù)出力)工況的排煙量的1.38倍。在鍋爐BECR 工況(鍋爐蒸發(fā)量944T/H)時，鍋爐排煙量僅達到引風(fēng)機入口設(shè)計煙氣量的45.2%。

在鍋爐蒸發(fā)量665T/H 工況時，鍋爐排煙量僅達到引風(fēng)機入口設(shè)計流量的37.6%。由于機組發(fā)電負荷率較低，引風(fēng)機全年長時間低負荷運行，而該廠采用兩臺引風(fēng)機同時運行的運行方式，導(dǎo)致引風(fēng)機長期小流量工況運行。而在鍋爐高負荷工況（鍋爐蒸發(fā)量950T/H、933T/H）時，鍋爐排煙量也僅占兩臺引風(fēng)機入口煙氣流量之和的45.1%，顯然偏離引風(fēng)機入口設(shè)計煙氣流量較多。通過將兩臺機組的4臺引風(fēng)機的6個運行工況的引風(fēng)機運行數(shù)據(jù)進行可視化處理后形成引風(fēng)機工作點可視圖，可直觀看到引風(fēng)機在高負荷工況下運行效率較高，基本維持在86～88%，但工作點較為接近失速線，當管網(wǎng)系統(tǒng)壓力（流量）突變時有失速、喘振風(fēng)險；在引風(fēng)機低負荷工況下，引風(fēng)機工作點雖然遠離失速線，運行失速、喘振風(fēng)險較低，但運行效率僅為65～72%。引風(fēng)機設(shè)計工作點運行效率工作點1為87.9%，工作點2為88.5%，且都遠離風(fēng)機失速線，是該型風(fēng)機最佳工作點。

與設(shè)計工作點相比，目前該廠兩臺機組4臺引風(fēng)機無論是高負荷還是低負荷工況均采用每臺爐兩臺引風(fēng)機同時運行的運行方式，導(dǎo)致每臺引風(fēng)機的入口煙氣流量均遠低于設(shè)計流量，引風(fēng)機運行既不經(jīng)濟又不安全?？煽紤]調(diào)整風(fēng)機運行方式，采用一運一備的運行方式增加運行引風(fēng)機的入口煙氣流量，既能維持運行引風(fēng)機的效率又能增加風(fēng)機運行安全性。同時還可通過技術(shù)改造，將引風(fēng)機定速控制改為變速調(diào)節(jié)，從而能更快速的移動引風(fēng)機工作點。

4 結(jié)語

隨著工業(yè)技術(shù)的快速發(fā)展，生產(chǎn)系統(tǒng)越來越復(fù)雜化和高技術(shù)化，現(xiàn)場各種設(shè)備狀態(tài)紛繁復(fù)雜，面對龐大的實時數(shù)據(jù)，能快速高效的獲取關(guān)鍵信息對現(xiàn)場工作人員尤其重要。傳統(tǒng)單純依靠現(xiàn)場工作人員直接從龐大的實時數(shù)據(jù)中解讀出有用信息的工作模式已經(jīng)越來越難以適應(yīng)要求，利用數(shù)據(jù)處理技術(shù)對現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)進行加工提煉，形成直觀、簡易的信息供現(xiàn)場人員解讀，無疑能極大的提高現(xiàn)場人員獲取信息的效率，有利于快速、高效的做出準確決策，以更好的適應(yīng)當前工業(yè)技術(shù)的快速發(fā)展。運用軸流風(fēng)機實時運行狀態(tài)可視化技術(shù)，將有關(guān)風(fēng)機運行安全與運行效率的信息形象直觀呈現(xiàn)在現(xiàn)場工作人員面前，有助于現(xiàn)場工作人員快速、準確高效的解讀生產(chǎn)數(shù)據(jù)，提高現(xiàn)場工作人員決策的科學(xué)性和時效性，從而有效提高設(shè)備的安全性和經(jīng)濟性。