循环流化床锅炉一次风机变频运行异常分析

循环流化床锅炉一次风机变频运行异常分析

王俊奎 

国能济源热电有限公司 459000

摘要：本论文主要针对循环流化床锅炉一次风机改造为变频运行后出现的风机“喘振”、“失速”、“抢风”等现象进行分析，研究一次风机变频工况下不能稳定运行的原因，并提出解决思路。

关键词：一次风机、高压变频器、风机喘振、风机抢风

1.前言

随着节能减排要求的不断提高，高压大功率变频器在电力、冶金、煤矿、造纸、水泥等行业的风机、水泵等设备上应用已经非常广泛。过去采用液力耦合器、截流等方式进行调节的风机、水泵，一般认为，均可改造为变频调速，以达到节能降耗的目的。很多企业在进行变频改造时，简单的认为：只要原来使用节流调节的风机水泵，都可以使用变频器调节，直接进行节能量分析，而忽视了设备的适用性分析。但实践证明，也有部分风机不适合采用变频调速调节工况。如国内已经有多个案例报道，火电厂锅炉一次风机、二次风机由液耦和挡板调节改造为变频调速后，出现风机并联运行时发生风机“喘振”、“失速”、“抢风”等现象。

2.风机“喘振”的现象

风机的“喘振”是指风机在不稳定工况区时，引起电流、风压、流量的大幅脉动，噪声增加、风机和管道激烈震动的现象；风机的“抢风”是指并联运行的两台风机，一台风机的电流和流量突然上升，另一台的电流和流量突然下降[1]。此时若降低大流量风机转速或关小大流量风机风门，试图调整平衡两风机出力，则会导致原小流量风机跳变至大流量运行。风机流量和电流在并联运行的两风机之间交替大幅度波动，自动和手动都很难调节到稳定状态的，甚至造成锅炉MFT动作和电动机过负荷烧坏，威胁风机及整个系统的安全性。采用变频调速的风机更容易发生“喘振”、“失速”、“抢风”现象[2]。造成高压变频器不能投运或节能效果差，造成投资失败。

3.原因分析

如图2-1所示，风机具有明显的马鞍形特征，在风机性能曲线的左半部具有一个马鞍形区域，右侧为单调下降区域。其分界点为K点，K点右侧为稳定工作区，K点左侧为不稳定区域。风机在并联运行时，当两台风机在流量不相等的情况下，流量小的风机因为流量下降低于Qk时，进入风机的不稳定工作区域。管路压力因微小扰动而稍微升高到pA时，已超过风机的最大压力pK，风机工作点跳变到B点，风机产生倒流，管路压力又迅速下降。当管路压力下降到PD=PC时，由于QCD，管路压力继续降低E点，此时风机的工作状态会迅速跳变到F点，风机流量为QF，由于QF大于管路输出流量QE，官道压力迅速增加，可能向左重新越过K点。上述过程循环发生，就是风机的“喘振”。除了喘振外，不稳定工况区内还会出现不正常的零气动力工况，这便是旋转“失速”现象。如图2-2所示，曲线Ⅰ、Ⅱ为两台性能相同的风机特性曲线，曲线Ⅲ是两台风机并联特性曲线，Ⅳ、Ⅴ为风道特性曲线。图中存在较大的∞型不稳定工况区，由于并联风机的特性曲线移动后管道阻力曲线与风机并联运行特性曲线的交叉点移动到不稳定工况区，两台风机的平衡就会被打破，一台工作在稳定工况区，另一台工作在不稳定工况区，而且两台风机的工矿还会发生互换，发生流量、全压和电流的大幅度波动，气流会发生往复流动，产生强烈振动，即进入“抢风”状态[2]。

图2-1风机性能曲线图图                     2-2风机并联运行特性曲线

当使用进口挡板调节时,如图2-3所示，风机特性曲线随着入口挡板开度的变小而变陡。驼峰特性的峰值点逐渐向小流量方向移动,但是其对应的压头却降低不多。系统管路特性不做改变,风机特性曲线的峰值点随挡板开度减小逐渐远离管路特性曲线,风机逐渐工作在安全区域[3]。

图2-3风机特性曲线对比                             图2-4风机变速调节特性

当采用变频调节时, 如图2-4所示，由于管道阻力曲线不变，通过改变风机的转速来实现风量的改变,当需要将流量由Q1减小到Q2时，风机特性由转速n1对应曲线1移动到转速n2对应的曲线2，风压由p1下降到p2；风机的特性曲线随着转速的改变按照公式2-1进行变化：

                  （2-1）            

式中 Q——风量；

n——转速；

p——风压

由图2-3中不同转速下的风机特性可以发现，风机随着转速降低越来越远离峰值点深入不稳定区。当两台风机并联运行时，在相同的管路阻力下，假如在调整过程中两台风机转速有差别，管路压力超过低转速那台风机的压头，低转速风机就会进入风机特性曲线驼峰左侧不稳定工作区。

循环流化床锅炉的一次风经过空预器预热，由炉膛底部的布风板和风帽进入炉膛，在一定的风速下使炉膛内的床料形成类似“沸腾”的流化状态。由于循环流化床锅炉的布风板、风帽和床料的构成的管路阻力曲线更陡，所以一次风机工作区域距离稳定工作区临界点更近。并且由于循环流化床锅炉给煤、排渣的调整会造成炉膛内物料量发生变化，即床压发生变化，因此一次风管路阻力的扰动变化也较大。

因此，采用变频调速调节较采用节流挡板调节更容易发生风机“喘振”、失速、“抢风”等异常运行状况。

4. 结论及建议

4.1对火力发电厂等大型风机，特别是高压头风机设计或改造为变频器调节时一定要对风机及管路系统工况进行深入的分析论证，保证风机在变频调速工况下出口风压躲开处理曲线的不稳定区域，满足系统稳定运行要求。

4.2对于原来采用电机直驱或使用液耦调节的风机等设备，改造为变频调节后如果出现风机“喘振”、“抢风”等问题，不能简单的认为只要变频运行就可以将风机挡板设为全开状态。而是应结合风机运行工况将变频调速与挡板调节结合起来调节，适当提高风机出口压力，保持风机运行稳定，寻求节能与安全的最佳方式。

参考文献：

[1]刘家钰，防止锅炉一次风机“抢风”技术措施. 中国风机学术论文集.2013年国家电网公司基建安全管理规定[Z]. 2015: 4-5

[2]穆会群. 锅炉常见事故现象分析[J]. 科技信息, 2011(19):101-101.

[3]赵晓东,张乐群. 循环流化床锅炉一次风机“抢风”问题的分析[J]. 华电技术,2009,02:55-59.