謝富友，崔文利，陳清亮，任衍輝，李貴鵬

（1.大唐黃島發(fā)電有限責任公司，山東 青島 266500；2.大唐東北電力試驗研究院有限公司，吉林 長春 130000）

0 引言

以風電、光伏為代表的清潔能源進入快速發(fā)展期，為滿足日益增加的可再生能源消納需求，我國提出構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)?？稍偕茉窗l(fā)電具有間歇性和波動性，提升系統(tǒng)的靈活性將是電力行業(yè)未來發(fā)展必須要解決的問題。火電機組深度調(diào)峰、燃氣發(fā)電、抽水蓄能，以及其他新型儲能方式都是提高電力系統(tǒng)調(diào)峰能力的有效手段。但是受建設條件、建設運行成本、建設周期、技術(shù)成熟度等多方面因素的制約，燃氣發(fā)電、抽水蓄能以及其他新型儲能的比例合計不超過5%，而且在未來一定時間內(nèi)很難提升。鑒于我國電力結(jié)構(gòu)特點，主力電源燃煤機組進行深度調(diào)峰，將是目前提升電網(wǎng)靈活性的重要選擇。

受煤電機組產(chǎn)能過剩和可再生能源消納政策影響，火電機組參與深度調(diào)峰日益頻繁，對鍋爐及輔機設備的可靠性提出了更高要求。靜葉可調(diào)軸流風機因結(jié)構(gòu)簡單、維護量少、初投資成本低、對含塵氣流適應性好、調(diào)節(jié)性能好等優(yōu)點在我國大型電站鍋爐上普遍應用。在機組深度調(diào)峰過程中，靜葉可調(diào)軸流風機極易出現(xiàn)低負荷的失速和喘振現(xiàn)象［1-2］，伴隨著風機本體的劇烈振動和爐膛壓力的大幅波動，嚴重威脅機組的安全運行。以680 MW 燃煤發(fā)電機組為例，結(jié)合靜葉可調(diào)軸流風機的失速機理，分析風機低負荷失速的原因，并結(jié)合運行實際制定防治措施。

1 設備介紹

某電廠三期2×680 MW 燃煤機組采用上海鍋爐廠制造的SG-2102/25.4-M953 型超臨界參數(shù)直流鍋爐，尾部配備兩臺三分倉回轉(zhuǎn)式空氣預熱器。鍋爐采用平衡通風方式，風煙系統(tǒng)采用兩臺動葉可調(diào)軸流式一次風機、兩臺動葉可調(diào)軸流式送風機和兩臺靜葉可調(diào)軸流式引風機。

工程所用引風機為成都電力機械廠生產(chǎn)的HA46236-8Z型靜葉可調(diào)軸流式風機，設計參數(shù)詳見表1，風機選型點（Test Block，TB）參數(shù)是鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量（Boiler Maximum Continue Rate，BMCR）工況參數(shù)點的基礎上考慮10%的風量裕度、20%的風壓裕度和10 ℃的風溫裕度確定的。

表1 靜葉可調(diào)引風機設計參數(shù)

2 靜葉可調(diào)軸流風機失速機理

2.1 靜葉可調(diào)風機結(jié)構(gòu)

靜葉可調(diào)軸流風機結(jié)構(gòu)如圖1 所示，風機本體由進汽箱、D1 集流器、可調(diào)節(jié)前導葉、D2 集流器、葉輪、后導葉、擴壓器、冷卻風系統(tǒng)等組成。這里的“靜葉”指的是葉輪靜止不可調(diào)，“可調(diào)”指的是前導葉可調(diào)。其中，前導葉的主要作用是使氣流在進入葉輪前產(chǎn)生負預旋，可調(diào)節(jié)風量、風壓、改善風機性能和提高風機調(diào)節(jié)效率。

圖1 靜葉可調(diào)軸流風機結(jié)構(gòu)

2.2 風機失速機理

風機失速是風機的一種不穩(wěn)定的運行工況，對風機的危害較大［3-4］。軸流風機的失速性能與風機的葉片型式密切相關(guān)。軸流風機葉片通常是采用機翼理論設計的流線型結(jié)構(gòu)，氣流分上下兩股貼著翼面流過，翼型的升力與翼型的形狀有關(guān)，主要取決于沖角α。設計工況下，氣流沖角約為0，如圖2（a）所示，此時氣流阻力小，風機效率高。當氣流沖角增大至超過臨界值后，葉背的流動邊界層受到破壞，尾部會出現(xiàn)渦流區(qū)，產(chǎn)生所謂的“失速”現(xiàn)象，此時作用于葉片的壓力大幅降低，阻力大幅度增加，如圖2（b）所示。

圖2 軸流式風機葉片氣流方向示意

軸流風機的壓力特性曲線為馬鞍形，與動葉可調(diào)風機相比，靜葉可調(diào)風機失速區(qū)范圍更寬。靜葉可調(diào)風機依靠可調(diào)前導葉使煙氣在進入葉輪前產(chǎn)生負預旋，流量越低氣流沖角就越大，其在低負荷也更產(chǎn)生失速問題。

本例涉及的軸流風機特性曲線如圖3 所示，曲線上的紅線為風機的失速線，風機工作點超出該線范圍，即進入失速區(qū)。由圖3 可知，風機的失速區(qū)基本處于風機流量較低的區(qū)域。

圖3 靜葉可調(diào)風機特性曲線

3 靜葉可調(diào)引風機運行特性分析

風機實際工況點由煙風系統(tǒng)管網(wǎng)阻力特性和風機出力特性共同決定。為摸底引風機低負荷失速原因，結(jié)合鍋爐低負荷穩(wěn)燃試驗過程中的引風機運行數(shù)據(jù)進行風機特性分析，相關(guān)數(shù)據(jù)見表2，各負荷下風機工況點分布見圖4。

圖4 低負荷運行工況點分布

表2 引風機特性試驗數(shù)據(jù)

結(jié)合試驗數(shù)據(jù)對風機的工作點進行分析：50%THA 工況時，風機工作點距離失速線的安全裕量較大，工作狀態(tài)比較穩(wěn)定；降至30%THA 工況時，風機工作點則基本上處于失速線的邊緣，稍有波動就有可能進入失速區(qū)。進一步對比發(fā)現(xiàn)，50%THA 和30%THA 工況之間的風機比壓能幾乎無差別，風機出力也相差不大，分析認為造成此現(xiàn)象的主要原因是：1）相比負荷降低速率，鍋爐煙氣量降速緩慢，負荷越低，煙氣氧量越大；2）鍋爐尾部金屬有蓄熱，降負荷過程中鍋爐尾部煙溫會緩慢降低，引風機煙氣量只有待煙溫降低后才會有明顯降低。

進一步分析氧量對風機運行特性的影響，計算并在風機特性曲線上繪制40%、30%THA 工況不同氧量下引風機工作點的位置，詳見圖5、圖6。40%THA 工況下，風機比壓能隨氧量的降低趨勢與對應的失速線變化趨勢基本一致，在此負荷點，隨氧量降低，風機工作點位置在改變，但比壓能距離失速線的安全裕量基本維持不變。30%THA 工況下，風機比壓能的安全裕量則隨氧量降低明顯上升。據(jù)此也得出，引風機失速風險最大區(qū)域基本處于30%THA附近。

圖5 40%THA工況下不同氧量對應工作點

圖6 30%THA工況下不同氧量對應工作點

綜前所述：為避免引風機在鍋爐低負荷落入失速區(qū)，鍋爐負荷從40%THA 繼續(xù)下降過程中，應盡量維持相對較低的鍋爐氧量運行，負荷降至30%THA以下，風機失速風險就基本消除。

4 防止引風機低負荷失速改造措施

上述優(yōu)化措施是建立在空預器阻力正常的基礎上，考慮空預器堵塞、漏風等造成的煙風系統(tǒng)阻力增加，風機失速的風險仍存在，除考慮失速預警、風機運行狀態(tài)的實時監(jiān)視外，仍需考慮進一步的改造措施。針對靜葉可調(diào)軸流風機，可采取的改造方案有變頻改造、加裝煙氣再循環(huán)管道和動葉可調(diào)風機改造［5-8］。

4.1 變頻改造

靜葉可調(diào)風機可調(diào)前導葉的調(diào)節(jié)范圍為-75°～+30°。加裝變頻器后，風機可實現(xiàn)軟啟動，依靠可調(diào)前導葉和風機轉(zhuǎn)速進行出力調(diào)節(jié)［9-11］。低流量下，風機可調(diào)前導葉角度保持在0°，依靠電機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)風機出力；轉(zhuǎn)速調(diào)至最大后，則依靠可調(diào)前導葉開度繼續(xù)提升風機出力，變頻改造前后風機的特性曲線對比見圖7。因?qū)~角度的增加，風機低負荷下的失速線會有所提高。以引風機煙氣流量200 m3/s 為例，工頻工況下，風機的失速比壓能為2 693 Nm/kg，變頻工況下，風機的失速比壓能為3 261 Nm/kg，增加了568 Nm/kg，可見變頻改造對改變靜葉調(diào)節(jié)風機低負荷的失速特性有明顯效果。

圖7 引風機變頻改造前后特性曲線對比

根據(jù)調(diào)研情況，靜調(diào)風機變頻改造后，在進口葉片與輪轂的焊接處可能會產(chǎn)生疲勞裂紋，這是由于隨風機轉(zhuǎn)速不斷變化的交變應力和旋轉(zhuǎn)振動產(chǎn)生的動應力共同作用結(jié)果。故而在進行變頻改造時，應由風機生產(chǎn)廠家進行軸系和葉輪強度校核，確認風機的強度裕量是否能夠滿足要求；同時校核轉(zhuǎn)動部件的固有頻率，以最大限度地避開共振區(qū)。該方案改造的總投資預算約550萬元。

4.2 加裝煙氣再循環(huán)管道

加裝煙氣再循環(huán)管道與風機廠提出的KSE 分流裝置［12］改造原理本質(zhì)相同，從引風機出口引出部分煙氣回送至引風機入口，在系統(tǒng)總阻力不變的情況下，通過增加引風機煙氣流量，使風機的工況點向右漂移，從而提高風機運行的安全性，系統(tǒng)改造示意見圖8。

圖8 引風機出口煙氣再循環(huán)管路

結(jié)合項目實際，以機組30%THA 工況為基準進行旁路煙道的設計。按引風機進出口壓差2 630 Pa進行核算，當管路為1 120 mm×5 mm 時，循環(huán)煙氣量可達74 m3/s，約占該工況下總煙氣量的31.25%，結(jié)合風機的運行特性曲線（圖3）進一步分析，該方案可提高低負荷下失速裕量約3 000 Pa，基本可徹底解決引風機低負荷的失速問題。

該方案改造范圍小，改造費用僅約90 萬元，改造后，僅需在30%THA 負荷附近投入再循環(huán)旁路，遠離該負荷，運行中通過關(guān)閉再循環(huán)系統(tǒng)電動門即可實現(xiàn)該系統(tǒng)隔離。

4.3 動葉可調(diào)風機改造

與靜葉可調(diào)風機相比，動葉可調(diào)軸流風機可在運行中調(diào)節(jié)葉片的安裝角，其工況范圍不是一條直線而是一個面，風機的等效曲線與系統(tǒng)阻力線接近平行，故可在相當寬的范圍內(nèi)保持風機高效運行。當風機變負荷尤其是低負荷運行時，其經(jīng)濟性優(yōu)勢就更明顯，且動葉可調(diào)風機基本不存在低負荷失速問題。風機改造為動葉調(diào)節(jié)風機后的特性曲線見圖9，改造后，風機30%THA區(qū)域附近的失速比壓能＞6 000 Nm/kg，遠大于靜調(diào)風機的失速值，基本可消除失速的可能［13］。該方案的總改造費用約700萬元。

圖9 動葉可調(diào)風機改造后特性曲線

4.4 各種改造方案對比

對比三種改造方案：從改造后的效果看，動葉調(diào)節(jié)風機改造效果最好，加裝再循環(huán)管道改造方案次之；從投資預算看，加裝再循環(huán)煙道方案投資最少，而另兩種改造方案投資均較高。考慮引風機只是在特定負荷區(qū)間存在失速風險，故推薦采取加裝煙氣再循環(huán)管道方案。

5 結(jié)語

靜葉可調(diào)軸流風機的失速特性與葉片結(jié)構(gòu)特性相關(guān)。低負荷下，通過引風機的流量小、葉片沖角大，風機工作點貼近失速線，故而風機易失速。

機組負荷由40%THA 降至30%THA 時，風機運行的工況點基本處于失速線的邊緣。通過適當控制運行氧量的方法可一定程度緩解失速問題產(chǎn)生的可能。

針對引風機低負荷失速問題，對比論證了三種改造措施。綜合比較，推薦采取加裝煙氣再循環(huán)管道改造措施，該方案投資低，實施后效果明顯，可基本消除低負荷引風機的失速風險。