李 建

(大唐東北電力試驗研究院有限公司，吉林 長春 130102)

一次風機是電廠重要的輔助設(shè)備，一次風機提供的一次風需要保持合適的風量、風速和風溫，確保進入爐膛煤粉的煤粉細度和水分，保證煤粉在爐膛能夠及時燃燒，燃燒太早會燒壞噴嘴,而太晚會導致燒熱不夠充分減低鍋爐效率[1]。一次風機發(fā)生故障會大大影響鍋爐的經(jīng)濟性和安全性,而一次風機在實際運行中最常見的問題是葉片損壞，葉片損壞會導致風機失速，嚴重情況葉片直接斷裂，斷裂葉片沖擊其他葉片，不得不停機維修，造成巨大的經(jīng)濟損失[2-3]。

本文針對某電廠一次風機葉片損壞問題進行現(xiàn)場分析，找出損壞原因，對分析和防范一次風機發(fā)生葉片損壞問題可供參考。

1 設(shè)備概況

某電廠1號機組一次風機采用上海鼓風機廠有限公司的雙級動葉可調(diào)軸流風機，具體參數(shù)如表1。

2 一次風機運行存在問題

某電廠1號機組臨時停機期間對鍋爐A一次風機進行檢查時發(fā)現(xiàn)兩級葉片出現(xiàn)不同程度的損壞，圖1為葉片損壞示意圖。

表1 一次風機技術(shù)規(guī)范

從圖1中可見，A一次風機第一、二級整圈共48個葉片均存在不同程度破損情況，宏觀分析絕大多數(shù)為異物撞擊產(chǎn)生的溝槽和豁口，存在于葉片的上、中、下部。風機風道中發(fā)現(xiàn)部分葉片碎片，未發(fā)現(xiàn)其他異物，圖2為風機葉片碎片。

對風機入口的隔離網(wǎng)進行了檢查，隔離網(wǎng)完好無損，排除從風機入口進入異物對風機葉片形成打擊損壞原因[4]。

通過對風機葉片損壞情況檢查發(fā)現(xiàn)，在第二級葉片中有2個斷裂葉片，分別為5號和8號葉片。對其斷口進行分析，8號葉片為一次斷口，且其葉身變形較大。5號葉片斷口存在一次斷裂區(qū)和二次斷裂區(qū)，葉身無明顯變形，無異物打擊痕跡。圖3為葉片斷裂圖像，圖4為二級葉片斷面。

3 實驗室檢測

3.1 宏觀檢測

針對斷裂的二級第5號葉片，對斷裂部位首先進行了宏觀檢測，宏觀檢測可觀察到該葉片無明顯減薄、磨損、塑性變形等問題(邊緣存在撕裂及磕碰傷)，斷口形貌為脆性斷裂，存在明顯原始開裂區(qū)及瞬斷區(qū)，原始開裂區(qū)較平整，呈疲勞開裂特征。圖5為斷口宏觀檢查圖像。

3.2 光譜檢測

對斷裂葉片使用奧林巴斯合金分析儀(VANTA)進行材質(zhì)分析，葉片為鋁合金材質(zhì)，參照GB/T 1173—2013《鑄造鋁合金》和GBT 32249—2015《鋁及鋁合金模鍛件、自由鍛件和軋制環(huán)形鍛件通用技術(shù)條件》，本葉片材質(zhì)屬于AlSi系鋁合金，表2為光譜檢測結(jié)果。

表2 光譜檢測結(jié)果

3.3 硬度檢測

對斷裂葉片使用顯微硬度計(THV-1維氏)硬度分析，硬度結(jié)果符合標準GBT 32249—2015要求，表3為硬度檢測結(jié)果。

表3 硬度檢測結(jié)果

3.4 金相檢驗

對斷口位置切割取樣，使用蔡司顯微鏡(Axio Observer A1m)進行微觀組織分析，晶界位置存在點狀和鏈狀氣孔等原始鑄態(tài)形貌，金相組織無異常，圖6為斷口微觀分析圖像。

3.5 滲透檢測

對斷口邊緣50 mm寬度區(qū)域進行滲透檢測，滲透時間10 min，顯像時間10 min，發(fā)現(xiàn)點狀顯示，與金相檢驗結(jié)果吻合，未發(fā)現(xiàn)裂紋顯示，滲透分析如圖7所示。

4 風機運行情況分析

4.1 風機失速情況

機組負荷313 MW且在升負荷過程中，CDFG制粉系統(tǒng)運行，機組協(xié)調(diào)投入，升負荷速率為3 MW/min，A一次風機動葉開度50%，電流227.47 A，B一次風機動葉開度42%，電流239.69 A，兩側(cè)風機出口壓力均為13.6 kPa，空預(yù)器出口一次風母管壓力11.3 kPa。由于在A、B 2臺一次風機出口，空預(yù)器入口前設(shè)置聯(lián)絡(luò)通道，因此2臺一次風機在動葉開度和電流有較大偏差的情況下，風機出口壓力偏差不大。

隨后A一次風機電流由227.54 A降至182.54 A，隨后降至131.11 A，電流降低96.43 A，同時B一次風機電流快速升高，空預(yù)器出口一次風母管壓力由11.3 kPa降至7.5 kPa，判斷A一次風機失速，同時發(fā)現(xiàn)A一次風機風箱有異音，且響聲特別大。

4.2 風機失速原因

A一次風機失速前運行參數(shù)如表4所示。電負荷314 MW，A一次風機動葉開度50%，運行電流227 A，風機出口壓力13.59 kPa，B一次風機動葉開度42%，運行電流239.27 A，風機出口壓力13.62 kPa。

圖8為A一次風機特性曲線圖，分析可知風機失速前一次風機出口平均壓力P=13 600 Pa，風機入口負壓按-500 Pa計算，空氣壓縮系數(shù)μ=0.95，空氣密度ρ=1.185 kg/m3，故風機比壓能Y=P*μ/ρ=11 303 Nm/kg，單臺一次風機風量約102 m3/s，通過查看一次風機特性曲線，一次風機工作點接近風機失速區(qū)，且運行中A一次風機電流比B一次風機電流低13 A，說明A一次風機風量低于B一次風機風量，因此A一次風機在升負荷過程中發(fā)生了失速[5-6]。

表4 風機失速時鍋爐運行參數(shù)

觀察一次風機原性能曲線，A一次風機失速時，電負荷314 MW，約50%THA工況，該運行工況的比壓能高于設(shè)計的BMCR工況比壓能，說明該工況下一次風系統(tǒng)的阻力大于設(shè)計的BMCR工況系統(tǒng)阻力，使得工作點向左上角偏移，增加了風機失速的風險[7]。

對空預(yù)器一次風側(cè)進、出口壓差分析發(fā)現(xiàn)，滿負荷工況下，設(shè)計的空預(yù)器一次風側(cè)阻力為0.83 kPa，而A一次風機失速前，接近50%THA工況下，空預(yù)器一次風側(cè)阻力達到2.32 kPa，阻力偏高，空預(yù)器堵塞。

此外，風機失速當天的煤質(zhì)較差，燃煤量達到260 t/h，而設(shè)計煤質(zhì)在50%THA工況下，燃煤量為230 t/h，煤量大則一次風量偏高，運行同等數(shù)量的磨煤機情況下，單臺磨煤機的煤量偏多，通風阻力偏高，導致系統(tǒng)阻力升高。

綜上所述分析，此次A一次風機發(fā)生失速主要是由于空預(yù)器堵塞，同時煤質(zhì)差，煤量大，一次風量偏高，導致一次風系統(tǒng)阻力升高較多，風機比壓能升高，運行工作點接近失速區(qū)，在升負荷過程中引發(fā)了失速[8]。

4.3 風機振動情況

圖9為A一次風機軸承水平振動歷史曲線圖，調(diào)閱一次風機前后軸承水平振動sis曲線，一次風機振動幅值沒有發(fā)生突變現(xiàn)象，葉片材料為鋁質(zhì)材料，密度較小，從現(xiàn)場葉片斷裂情況看，斷裂部分位于葉片頂端，掉落質(zhì)量較小，不足以引起振動的突變，導致在sis曲線上沒有發(fā)現(xiàn)振動異?，F(xiàn)象。

5 葉片損壞原因分析

5.1 二級葉片斷裂原因分析

檢查葉片時發(fā)現(xiàn)二級葉片中存在2個斷裂的葉片，其中第8號葉片斷口為一次斷口，且其葉身變形較大，證明8號葉片上部斷裂是由于本次打擊造成破損；第5號葉片斷口存在一次斷裂區(qū)和二次斷裂區(qū)，葉身無明顯變形，無異物打擊痕跡，推斷其存在表面裂紋，最后在外力作用下，發(fā)生斷裂。

圖10為葉片正常工況與失速工況示意圖。

通過對該葉片斷裂面的宏觀檢測發(fā)現(xiàn)，斷口存在明顯原始開裂區(qū)及瞬斷區(qū)，原始開裂區(qū)呈現(xiàn)出明顯的疲勞開裂特征。葉片疲勞開裂是由于風機葉片在加工及安裝過程中，由于各種原因，葉片不可能有完全相同的形狀和安裝角，隨著負荷的升高，風機動葉角度逐漸增大時，各葉片的進口處沖角增大，葉片所受升力升高，此時風機壓頭升高，風量增加，但如果某一葉片進口處的沖角達到臨界值時，葉背的邊界層受到破壞，在葉背的尾端出現(xiàn)渦流區(qū)如圖10所示，即開始產(chǎn)生“失速”現(xiàn)象，但此時對風機出力的影響可能仍未顯現(xiàn)，但會造成該葉片流道的堵塞，并使葉片前后的壓力發(fā)生變化，葉片每經(jīng)過一次該渦流區(qū)就會受到一次激振力的作用，從而可使葉片受到交變力的作用，致使葉片發(fā)生疲勞損壞[9]。

5.2 其余葉片損壞原因分析

通過對其余葉片損壞的部位和形狀分析，判斷是被異物打擊造成的損壞，結(jié)合二級第5號葉片發(fā)生斷裂，推斷是由于二級第5號葉片斷裂部分甩入一級和二級葉片之間，在風機高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下，對其余葉片形成了擊打損壞。下面針對二級斷裂葉片甩入一級和二級葉片之間并對其余葉片造成損壞進行分析。

圖11為葉片橫截面受力分析示意圖，以某個二級葉片的橫截面進行受力分析，當風機旋轉(zhuǎn)時，氣流沿圖中所示流向流入葉片,分成上下兩股氣流貼著翼面流過,葉片背部氣流速度大，壓力小，而葉片腹部氣流速度小，壓力大，其合力(機翼升力)方向指向葉片腹部，對應(yīng)的軸流風機葉片受力合力方向為從風機出口指向入口，因此當二級第5號葉片首先發(fā)生斷裂的瞬間，斷裂的葉片由于慣性從二級葉輪甩向一級葉片方向，在風機高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下，斷裂的葉片在一級和二級葉片之間瞬間對其他葉片進行連續(xù)碰撞擊打，導致其他葉片發(fā)生全部損壞，而不是斷裂的二級葉片隨風的流向甩入風機出口風道中。同時根據(jù)圖1所示，一級葉片受損部位豁口主要位于葉片的出口，二級葉片受損部位豁口主要集中于入口位置，也表明了是二級斷裂的葉片掉入一級和二級之間，對風機的其他葉片造成損壞[10]。

6 結(jié)論

a.一次風機二級第5號葉片端部首先發(fā)生斷裂，斷裂的葉片在風機旋轉(zhuǎn)過程中對其他葉片的高速打擊是造成其他葉片損壞的直接原因。

b.二級第5號葉片斷裂是由于葉身表面存在原始開裂缺陷，在風機失速造成的激振力作用下葉片在裂紋位置發(fā)生瞬斷。

c.空預(yù)器堵塞，加之煤質(zhì)差，煤量大，一次風量偏高，一次風系統(tǒng)的阻力增加，風機的比壓能升高，導致風機運行工作點脫離正常運行范圍而發(fā)生失速。