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        靜葉可調(diào)引風機低負荷失速原因分析及防治措施

        2022-02-14 09:56:56謝富友崔文利陳清亮任衍輝李貴鵬
        山東電力技術(shù) 2022年1期
        關(guān)鍵詞:靜葉動葉軸流

        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。

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