王成文/華北電力設(shè)計(jì)院工程有限公司

中速磨直吹式制粉系統(tǒng)軸流一次風(fēng)機(jī)選型分析

王成文/華北電力設(shè)計(jì)院工程有限公司

0 引言

機(jī)組不同負(fù)荷下風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)都有一定失速裕度，失速裕度滿足設(shè)計(jì)工況點(diǎn)失速安全系數(shù)k＆gt;1.3的要求。但軸流一次風(fēng)機(jī)選型設(shè)計(jì)如不考慮制粉系統(tǒng)及相關(guān)主要輔助設(shè)備特殊的運(yùn)行特性，則風(fēng)機(jī)運(yùn)行中會(huì)存在失速風(fēng)險(xiǎn)。因此，有必要對(duì)機(jī)組運(yùn)行中存在的特殊工況進(jìn)行分析，在風(fēng)機(jī)選型中加以考慮。

一次風(fēng)機(jī)是電站燃煤鍋爐燃燒系統(tǒng)和制粉系統(tǒng)的重要輔助設(shè)備，用來(lái)保障燃料的充分燃燒。一次風(fēng)機(jī)的正確選型對(duì)鍋爐機(jī)組的穩(wěn)定、可靠和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行有非常重要的作用。

對(duì)于中速磨直吹式制粉系統(tǒng)，一次風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的特點(diǎn)是風(fēng)量小、風(fēng)壓高，當(dāng)風(fēng)量變化時(shí)，風(fēng)壓變化小。動(dòng)葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)通過改變動(dòng)葉片運(yùn)行角度調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)流量和壓頭，這樣可以使風(fēng)機(jī)在較大的負(fù)荷變化范圍內(nèi)獲得較高的平均效率。動(dòng)葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)具有高效率區(qū)域廣、調(diào)峰性能好、運(yùn)行經(jīng)濟(jì)、電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)力矩小和啟?？斓葍?yōu)點(diǎn)。目前工程設(shè)計(jì)中對(duì)大容量鍋爐大多采用雙級(jí)動(dòng)葉可調(diào)軸流式一次風(fēng)機(jī)，實(shí)際運(yùn)行證明動(dòng)葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)具有較好的經(jīng)濟(jì)性。

在軸流式一次風(fēng)機(jī)選型時(shí)，通常是僅僅給出各典型工況參數(shù)進(jìn)行風(fēng)機(jī)選型，甚至有些工程僅僅依據(jù)TB工況及BMCR工況進(jìn)行選型，失速裕度按照設(shè)計(jì)工況點(diǎn)失速安全系數(shù)k＆gt;1.3要求。而實(shí)際運(yùn)行中，很多電廠軸流式一次風(fēng)機(jī)出現(xiàn)過失速等問題。本文結(jié)合制粉系統(tǒng)特點(diǎn)及輔助設(shè)備特性，對(duì)軸流式一次風(fēng)機(jī)選型進(jìn)行分析，以期優(yōu)化風(fēng)機(jī)選型參數(shù)，確保風(fēng)機(jī)可靠安全運(yùn)行。

1 軸流式一次風(fēng)機(jī)特性

軸流風(fēng)機(jī)通常采用機(jī)翼型葉片，當(dāng)氣流沿葉片進(jìn)口端流入時(shí)，氣流就沿著葉片兩端分成上下兩股，處于正常工況時(shí)，沖角為零或很小（氣流方向與葉片葉弦的夾角α即為沖角），氣流則繞過機(jī)翼型葉片而保持流線平穩(wěn)的狀態(tài)。當(dāng)氣流與葉片進(jìn)口形成正沖角，即α＆gt;0°，且此正沖角超過某一臨界值時(shí)，葉片背面流動(dòng)工況開始惡化，邊界層受到破壞，在葉片背面尾端出現(xiàn)渦流區(qū)，即所謂“失速”現(xiàn)象。沖角大于臨界值越多，失速現(xiàn)象越嚴(yán)重，流體的流動(dòng)阻力越大，使葉道阻塞，同時(shí)風(fēng)機(jī)風(fēng)壓也隨之迅速降低。

對(duì)風(fēng)機(jī)本身而言，若在失速區(qū)域長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，葉片每經(jīng)過一次失速區(qū)就會(huì)受到一次激振力的作用，從而可使葉片產(chǎn)生共振。此時(shí)，葉片的動(dòng)應(yīng)力增加，將導(dǎo)致葉片斷裂，且葉輪的機(jī)械部件也可能損壞。英國(guó)HOWMEN VARLAX公司有明確規(guī)定：風(fēng)機(jī)在失速區(qū)內(nèi)累計(jì)運(yùn)行時(shí)間不能超過15h，否則要更換葉片。

當(dāng)一臺(tái)風(fēng)機(jī)失速時(shí)，并聯(lián)運(yùn)行的另一臺(tái)投入自動(dòng)運(yùn)行的風(fēng)機(jī)，出力增大，容易造成電機(jī)過載。對(duì)機(jī)組而言，若風(fēng)機(jī)發(fā)生失速，造成風(fēng)機(jī)跳閘，將直接聯(lián)鎖單側(cè)通風(fēng)組停止，機(jī)組減負(fù)荷；如運(yùn)行操作不當(dāng)，還會(huì)造成磨煤機(jī)全部跳閘，鍋爐發(fā)生MFT，聯(lián)鎖機(jī)組跳閘。

2 磨煤機(jī)運(yùn)行特性對(duì)一次風(fēng)機(jī)選型影響分析

鍋爐制粉系統(tǒng)是火力發(fā)電廠的主要系統(tǒng)。中速磨煤機(jī)直吹式制粉系統(tǒng)中，一次風(fēng)主要作用是將煤粉進(jìn)行干燥并輸送至鍋爐燃燒器，同時(shí)供給煤粉著火階段揮發(fā)燃燒所需要的氧量。大中型燃煤電站鍋爐至少配置5臺(tái)或6臺(tái)磨煤機(jī)，其中1臺(tái)為備用磨煤機(jī)。制粉系統(tǒng)出力要滿足鍋爐負(fù)荷的變化要求。運(yùn)行中根據(jù)鍋爐負(fù)荷，通過改變每臺(tái)磨煤機(jī)的出力，和通過調(diào)節(jié)磨煤的投運(yùn)臺(tái)數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)送入鍋爐的煤粉量。一般情況下是鍋爐在高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，投入設(shè)計(jì)臺(tái)數(shù)的磨煤機(jī)運(yùn)行，在鍋爐負(fù)荷降低時(shí)，首先是降低磨煤機(jī)的通風(fēng)量和煤量，當(dāng)磨煤機(jī)降低到約70％額定出力時(shí)，開始停運(yùn)一臺(tái)磨煤機(jī)，保持運(yùn)行磨煤機(jī)以較高的出力運(yùn)行以保證燃燒穩(wěn)定；鍋爐負(fù)荷再繼續(xù)降低時(shí)，又開始降低磨煤機(jī)的出力，直到可以再停運(yùn)一臺(tái)磨煤機(jī)為止。

磨煤機(jī)的通風(fēng)量調(diào)節(jié)，是根據(jù)鍋爐不同負(fù)荷，設(shè)定不同的一次風(fēng)母管壓力。運(yùn)行中根據(jù)鍋爐負(fù)荷，調(diào)節(jié)磨煤機(jī)的投運(yùn)臺(tái)數(shù)和每臺(tái)磨煤機(jī)的出力，同時(shí)通過調(diào)節(jié)動(dòng)葉可調(diào)軸流一次風(fēng)機(jī)的動(dòng)葉開度和每臺(tái)磨煤機(jī)的冷熱風(fēng)擋板開度，達(dá)到調(diào)節(jié)一次風(fēng)量的目的，使磨煤機(jī)的通風(fēng)量與給煤機(jī)相適應(yīng)，即有適當(dāng)?shù)娘L(fēng)煤比。

磨煤機(jī)正常停機(jī)的控制流程一般如下：給煤機(jī)出力減至最小出力，關(guān)閉熱風(fēng)調(diào)節(jié)門、調(diào)節(jié)冷風(fēng)調(diào)節(jié)門開度，停給煤機(jī)；給煤機(jī)停運(yùn)后，關(guān)冷風(fēng)調(diào)節(jié)門，停相應(yīng)磨煤機(jī)。

磨煤機(jī)緊急停運(yùn)是由于該輔機(jī)的重要部件損壞，使其不能繼續(xù)投運(yùn)；或如軸承溫度、振動(dòng)突然升高，有損壞的可能；機(jī)體內(nèi)發(fā)生冒煙著火或引起事故擴(kuò)大，危及人身安全。另外是由于某些原因使超越了保護(hù)定值時(shí)磨煤機(jī)會(huì)發(fā)生突然跳閘。磨煤機(jī)緊急停運(yùn)的處理流程如下：立即停止磨煤機(jī)運(yùn)行；磨煤機(jī)停止后應(yīng)隔絕磨煤機(jī)的空氣：關(guān)閉冷、熱風(fēng)隔絕門擋板及調(diào)節(jié)擋板。

基于上述制粉系統(tǒng)運(yùn)行控制及輔機(jī)停運(yùn)的特殊性，中速磨煤機(jī)直吹式制粉系統(tǒng)一次風(fēng)機(jī)運(yùn)行中存在如下工況：在正常停運(yùn)一臺(tái)磨煤機(jī)時(shí)，因?qū)?yīng)熱風(fēng)調(diào)節(jié)門關(guān)閉，冷風(fēng)調(diào)節(jié)門開度加大，總的入爐一次風(fēng)量會(huì)有下降；而當(dāng)緊急停運(yùn)一臺(tái)磨煤機(jī)時(shí)，因?qū)?yīng)的冷、熱風(fēng)道隔絕門快速關(guān)閉，該機(jī)通風(fēng)量快速下降至零流量，此時(shí)，還在投運(yùn)的其他幾臺(tái)磨煤機(jī)負(fù)荷并未變化，相應(yīng)磨煤機(jī)的通風(fēng)量維持自動(dòng)控制，對(duì)應(yīng)通風(fēng)量維持不變，則總的入爐一次風(fēng)量下降明顯。因此，在磨煤機(jī)緊急停運(yùn)過程中，一次風(fēng)量快速下降，而投入自動(dòng)的動(dòng)葉可調(diào)軸流式一次風(fēng)機(jī)其動(dòng)葉開度并未調(diào)整，此時(shí)一次風(fēng)量如低于該動(dòng)葉開度下對(duì)應(yīng)的最小失速流量，則并列運(yùn)行的兩臺(tái)一次風(fēng)機(jī)，必然會(huì)有一臺(tái)風(fēng)機(jī)發(fā)生失速。

下面結(jié)合工程實(shí)例，對(duì)動(dòng)葉可調(diào)軸流一次風(fēng)機(jī)選型中可能存在的風(fēng)機(jī)失速工況進(jìn)行分析。對(duì)于大中型鍋爐，一般要求不少于兩臺(tái)磨運(yùn)行，否則將導(dǎo)致鍋爐跳閘。因此風(fēng)機(jī)失速校驗(yàn)僅需考慮3臺(tái)或以上磨煤機(jī)投運(yùn)工況。而對(duì)于兩臺(tái)或以上磨煤機(jī)緊急停運(yùn)，此工況會(huì)觸發(fā)RB控制程序，因此對(duì)于一次風(fēng)機(jī)失速校驗(yàn)可不用考慮此工況。

以某2×350MW褐煤機(jī)組為例，一次風(fēng)機(jī)采用雙級(jí)動(dòng)葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)，配置6臺(tái)中速磨煤機(jī)，5運(yùn)1備。一次風(fēng)機(jī)選型參數(shù)見表1。

表1 某2×350MW機(jī)組一次風(fēng)機(jī)選型參數(shù)

根據(jù)表1選型參數(shù)，某風(fēng)機(jī)廠提供的選型方案一風(fēng)機(jī)特性曲線見圖1。因未給風(fēng)機(jī)廠提供各工況磨煤機(jī)緊急停運(yùn)工況一次風(fēng)量，風(fēng)機(jī)廠選型中并未考慮停磨工況風(fēng)速失速問題。經(jīng)核算，該選型方案50％THA工況動(dòng)葉等開度失速風(fēng)量約為41m3/s，而該工況下磨煤機(jī)緊急停運(yùn)一次風(fēng)量為38m3/s，已低于該動(dòng)葉開度下失速風(fēng)量，見表2中數(shù)據(jù)。如在50％THA負(fù)荷運(yùn)行中磨煤機(jī)緊急停運(yùn)，則并聯(lián)運(yùn)行的兩臺(tái)一次風(fēng)機(jī)必然會(huì)有一臺(tái)發(fā)生失速。為規(guī)避上述失速風(fēng)險(xiǎn)，由風(fēng)機(jī)廠重新進(jìn)行了選型，選型方案二風(fēng)機(jī)特性曲線見圖2。從選型方案二的風(fēng)機(jī)特性曲線可以看出，該選型方案壓力特性曲線更為平緩，流量失速裕量更大，各負(fù)荷動(dòng)葉等開度失速風(fēng)量均低于磨煤機(jī)緊急停運(yùn)工況一次風(fēng)量，失速風(fēng)量對(duì)比見表2。

圖1 選型方案一

圖2 選型方案二

表2 不同選型方案失速風(fēng)量對(duì)比表

在某2×1 000MW機(jī)組風(fēng)機(jī)選型中，雙級(jí)動(dòng)葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)一次風(fēng)機(jī)選型數(shù)據(jù)中也僅給出了各負(fù)荷下的風(fēng)機(jī)參數(shù)，見表3。根據(jù)表3選型參數(shù)，風(fēng)機(jī)廠a及風(fēng)機(jī)廠b提供的選型方案風(fēng)機(jī)特性曲線見圖3及圖4。因同樣未給風(fēng)機(jī)廠提供各工況磨煤機(jī)緊急停運(yùn)工況的一次風(fēng)量，兩家風(fēng)機(jī)廠選型中并未考慮停磨工況風(fēng)速失速問題。從圖3及圖4可查得各負(fù)荷動(dòng)葉等開度下失速風(fēng)量，與各負(fù)荷磨煤機(jī)緊急停運(yùn)工況一次風(fēng)量對(duì)比匯總見表4。從表中可以看出，風(fēng)機(jī)廠a的選型方案在50％THA負(fù)荷，風(fēng)機(jī)廠b的選型方案在75％THA及50％THA負(fù)荷，動(dòng)葉等開度失速風(fēng)量均接近或高于磨煤機(jī)緊急停運(yùn)工況的風(fēng)量，風(fēng)機(jī)存在跳磨失速風(fēng)險(xiǎn)。

3 回轉(zhuǎn)式空預(yù)器運(yùn)行特性對(duì)一次風(fēng)機(jī)選型影響分析

表3 某2×1 000MW機(jī)組一次風(fēng)機(jī)選型參數(shù)

圖3 一次風(fēng)機(jī)特性曲線

圖4 一次風(fēng)機(jī)特性曲線

表4 不同選型方案失速風(fēng)量對(duì)比表

由于回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器與管式空預(yù)器相比具有傳熱面密度高、結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、金屬耗量低和容易布置等優(yōu)點(diǎn)，在大中型鍋爐上得到普遍應(yīng)用?；剞D(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器主要由筒形轉(zhuǎn)子和外殼組成，轉(zhuǎn)子是運(yùn)動(dòng)部件，外殼是靜止部件，動(dòng)靜部件之間存在一定間隙。對(duì)于大容量機(jī)組采用的三分倉(cāng)回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器，空氣預(yù)熱器內(nèi)一次風(fēng)的風(fēng)壓大大高于煙氣壓力和二次風(fēng)壓力，因此在壓差作用下不可避免地在動(dòng)靜間隙處存在一次風(fēng)向煙氣側(cè)和二次風(fēng)側(cè)漏風(fēng)的情況。

隨著制造技術(shù)的進(jìn)步，國(guó)內(nèi)以前居高不下的漏風(fēng)率也得到一定控制。在機(jī)組運(yùn)行初期，空預(yù)器密封良好，一般一次風(fēng)側(cè)漏風(fēng)率B-MCR工況可做到20％左右。在運(yùn)行一年后，由于密封片的磨損或設(shè)備老化等問題，空預(yù)器漏風(fēng)率會(huì)有所上升。一次風(fēng)漏風(fēng)率可達(dá)到30％左右。在機(jī)組部分負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，空氣預(yù)熱器換熱介質(zhì)溫度降低，動(dòng)靜間隙增大，一次風(fēng)漏風(fēng)率會(huì)有更高。

表5為某項(xiàng)目理論計(jì)算的一次風(fēng)側(cè)漏風(fēng)量及估算的運(yùn)行一年后的一次風(fēng)側(cè)漏風(fēng)量對(duì)比表。

在一次風(fēng)機(jī)選型計(jì)算中，是按照空氣預(yù)熱器運(yùn)行一年后一次風(fēng)側(cè)的漏風(fēng)量計(jì)算風(fēng)機(jī)的各工況基本風(fēng)量的。本文第2節(jié)中所列工程實(shí)例的風(fēng)機(jī)選型參數(shù)均基于此原則。從上表可以看出，在機(jī)組投產(chǎn)初期，空預(yù)器密封良好，一次風(fēng)側(cè)漏風(fēng)率低于設(shè)計(jì)保證值30％左右，因此在相同負(fù)荷時(shí)，一次風(fēng)機(jī)風(fēng)量要低于選型工況，磨煤機(jī)通風(fēng)量一致，一次風(fēng)機(jī)壓頭基本相同，此時(shí)風(fēng)機(jī)實(shí)際工作點(diǎn)應(yīng)更接近于風(fēng)機(jī)失速線，增大了風(fēng)機(jī)失速風(fēng)險(xiǎn)。因此，在一次風(fēng)機(jī)選型中，應(yīng)根據(jù)機(jī)組投產(chǎn)初期空氣預(yù)熱器計(jì)算漏風(fēng)量計(jì)算風(fēng)機(jī)各負(fù)荷下風(fēng)機(jī)參數(shù)，按照第2節(jié)原則，校驗(yàn)?zāi)ッ簷C(jī)緊急停運(yùn)工況一次風(fēng)機(jī)失速風(fēng)險(xiǎn)。

表5 某項(xiàng)目理論計(jì)算的一次風(fēng)側(cè)漏風(fēng)量及估算的運(yùn)行一年后的一次風(fēng)側(cè)漏風(fēng)量對(duì)比表

4 結(jié)論

1）鑒于中速磨煤機(jī)直吹式制粉系統(tǒng)的運(yùn)行特性，通過上述分析可以看出，如軸流式一次風(fēng)機(jī)選型不當(dāng)，在一臺(tái)磨煤機(jī)緊急停運(yùn)時(shí)，一次風(fēng)機(jī)存在失速風(fēng)險(xiǎn)。優(yōu)化的風(fēng)機(jī)選型參數(shù)是：除應(yīng)給出各負(fù)荷下風(fēng)機(jī)參數(shù)外，還應(yīng)提供磨煤機(jī)緊急停運(yùn)工況一次風(fēng)量，風(fēng)機(jī)廠選型中考慮動(dòng)葉等開度。失速風(fēng)量應(yīng)小于此風(fēng)量值，以避免此工況風(fēng)機(jī)發(fā)生失速問題。

2）回轉(zhuǎn)式空預(yù)器在運(yùn)行初期與后期的一次風(fēng)側(cè)漏風(fēng)率相差較大，空預(yù)器密封良好時(shí)，一次風(fēng)側(cè)漏風(fēng)率低，此時(shí)風(fēng)機(jī)實(shí)際工作點(diǎn)更接近風(fēng)機(jī)失速線。因此，應(yīng)分別按空預(yù)器設(shè)備廠提供的計(jì)算漏風(fēng)量及運(yùn)行一年后保證漏風(fēng)率，對(duì)磨煤機(jī)緊急停運(yùn)工況一次風(fēng)機(jī)失速進(jìn)行校驗(yàn)。

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針對(duì)中速磨直吹式制粉系統(tǒng)中磨煤機(jī)及回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器運(yùn)行特性，對(duì)軸流一次風(fēng)機(jī)失速工況進(jìn)行了分析。工程實(shí)例表明，僅按照機(jī)組典型負(fù)荷工況參數(shù)進(jìn)行軸流一次風(fēng)機(jī)選型，存在中低負(fù)荷磨煤機(jī)緊急停運(yùn)工況風(fēng)機(jī)失速風(fēng)險(xiǎn)。建議優(yōu)化軸流式一次風(fēng)機(jī)選型參數(shù)，按照空預(yù)器一次風(fēng)側(cè)計(jì)算漏風(fēng)率及運(yùn)行一年后保證漏風(fēng)率，補(bǔ)充機(jī)組不同負(fù)荷下磨煤機(jī)緊急停運(yùn)工況一次風(fēng)量。

軸流一次風(fēng)機(jī)；風(fēng)機(jī)選型；失速；磨煤機(jī)緊急停運(yùn)；空預(yù)器漏風(fēng)

Analysis on type selection of axial primary fans for medium-speed mill direct-fired pulverizing system

WangChengwen/NorthChinaPower Engineering Co.,LTD

axialprimaryfans;fans selection;stall;mill emergency shutdown; air preheater leakage

TH43;TK05

A

1006-8155（2015）06-0076-05

10.16492/j.fjjs.2015.06.0048

2015-04-21北京100120

Abstract:Stallconditionofaxial-flow primary air fan is analyzed according to the medium-speedmillandtherotary air-preheater operation characteristics in direct-firedpulverizingsystem.The engineering example showed that if axial flow fan was selected only in accordance with the parameters of the unit typical load condition,the stall risk of fan will be exised in the emergency shutdown condition when the mill was under middle or low load.The parametersofaxialfanselectionwas suggested to be optimized,adding the flow for the unit load in the mill emergency shutdown condition based on the calculated leakage value and the guarantee leakage value of air preheater.