摘要：锅炉轴流式引风机在运行中发生叶片断裂事故，经过分析，确定了其原因是系统阻力增大导致风机长期运行在失速、喘振等不稳定工作区域，引起叶片振动而出现疲劳裂纹断裂。可通过降低烟气系统阻力等措施，防止类似事故发生。
关键字：锅炉；轴流式引风机；叶片断裂；失速；布袋除尘器；阻力
1引言
印度某电厂2×６００ＭＷ燃煤机组锅炉引风机为AN-35/V13 +4型静叶可调式轴流风机。风机为单叶轮，前、后设置导叶，工作原理为烟气经过前导叶（静叶）和叶轮后形成沿轴向流动的旋转气流，再经过静止不动的后导叶消除旋转，整流成轴向流动的气流，气流通过叶轮的旋转获得了能量，经后导叶、扩压筒而转化为较高的风压。通过调整安装在叶轮上游的进口导叶（静叶）的开度，可以改变气流的预旋方向，从而改变风机的做功能力。进口导叶（静叶）的位置通过执行机构进行控制，调节开度为-75°~+30°，调节范围为105°。
2引风机损坏情况
2.1 2B引风机叶片断裂事故经过
2013年7月21日，2号机组正常运行，负荷为399MW，引风机运行平稳，各项参数均正常，6时41分24秒，B风机振动为2.411mm/s，电流160A；6时41分25秒，B风机振动值为0.6469mm/s和3.3012mm/s，电流160.8A；6时41分26秒时，B风机振动突然增大到20mm/s和20.17mm/s，电流381.11A。随即2B引风机保护跳闸停运。
2.2 2B引风机损坏情况
引风机停运后，打开B引风机主风筒上盖检查发现：引风机内部1个叶片从接近根部断裂，其余12个叶片都发生不同程度的变形。叶轮前面部分静叶弯曲变形，后导叶有不同程度的损坏。
对2B引风机其它变形的叶片进行检查，发现还有两个叶片上有明显的贯穿性裂纹。
2.3 2A引风机损坏情况
随后对2A引风机叶轮叶片进行渗透试验和超声波检测，渗透试验发现4个裂纹，而超声波检测未发现裂纹。
3引风机叶片断裂原因分析
通常，引起风机叶片断裂的可能原因有：叶片疲劳损坏、叶片材料质量不合格、烟气中的异物打击等，下面进行具体原因分析：
3.1叶片材料质量分析
2B引风机叶片断裂事件发生后，电厂将断裂的叶片送至专业实验室对其做化学成分、硬度、抗拉等方面的分析，实验室对来样进行了光谱检验、冲击试样和金相检验，试验结果未见异常，从而排除了材料原因引起的叶片断裂。
3.2异物打击的分析
从断裂的位置看，叶片是从根部断裂，断口表面大部分光滑，不同于异物打击造成的叶片断裂现象，且在2B引风机中没有发现外来的异物，所以基本上也可以排除异物打击造成的叶片断裂。
3.3叶片疲劳破坏的分析
引风机叶片断裂如图1所示，经过对断面观察分析发现，残留区域断口较为平齐，存在几处撕裂台阶，断面宏观上呈现脆性断裂特征。其中靠近进风侧的断口部分表面比较光滑，具备疲劳破坏的典型特征，这部分叶片长期受方向、大小周期性变化的力的作用，薄弱部位产生应力集中后导致叶片产生了微裂纹，损伤不断累积，裂纹变大，最终导致叶片突然断裂。后段部分的断口表面比较粗糙并呈颗粒状，它是在前段瞬间疲劳断裂后，在离心力作用下发生强力撕裂。
3.4叶片断裂的分析结果
叶轮叶片在工作状态下，会同时受到离心力和烟气压力的联合作用，叶轮叶片受应力最大的地方为叶片根部，轴流式引风机长期进入非稳定工况区域运行时，会发生失速和喘振。风机在失速状态下运行时，将对叶片产生一定频率的激振力，使叶片受到交变应力的作用，若长期失速运行叶片就容易发生疲劳损坏。综上所述，引风机叶片断裂是由于风机长期失速造成的。并且除2B引风机断裂的叶片外，2A、2B引风机也都有其它的叶片存在裂纹，这也从另一方面证明了存在引风机长期在失速工况下运行的情况。
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4引风机失速的原因分析
轴流风机的运行有一定的区域限制，当轴流式风机调节叶片角度固定在某一位置时，在正常工作区域，风机的压力会随风机流量的减小而增加；当流量减小到某一值时，压力达到最大；当流量进一步减小时，风机压力和运行电流会突然降低，振动和噪音增大，这一现象被称为风机失速。
4.1风机失速的机理
气流进入风机沿叶片流动，在零冲角时（气流方向与叶片叶弦的夹角即为冲角），气流绕过机翼型叶片而保持流线状态。而随着冲角的增大，开始在叶片后缘附近产生涡流，阻力增加，当冲角超过某一临界值时，叶片背面气流遭到破坏，流动工况恶化，边界层严重分离，在叶片背面尾端出现涡流区，即“失速”现象。冲角大于临界值越多，失速越严重，气流阻力越大，叶道被气流阻塞，同时风机风压也随之迅速降低。
轴流式风机运行中出现喘振或失速时，叶轮经过失速区将会受到一次激振力的作用，使叶片产生共振，叶片的动应力增加，有可能导致使叶片断裂。
由于风机各叶片存在制造、安装、工况等差异，当运行工况变化而使气流流动方向发生改变时，各个叶片的冲角也会存在差别，因此，失速现象也不可能在所有叶片同时发生。
4.2风机失速的原因
轴流风机特性曲线，N为功率曲线，η为效率曲线，H-Q为风压风量特性曲线。
从H-Q曲线上看，风机叶片的冲角随流量的减小而增大，到c点冲角达到临界值，c点右侧压力随流量的减小而增加(图6中的ce曲线段，到c点压力达到最大)。当流量继续减小，则叶片冲角大于临界冲角，风机压力突然降低，进入失速区运行。将不同静叶开度的H-Q曲线上的c点连起来，理论失速线。理论失速线左侧就是不稳定工况区域即失速区。
系统阻力的改变导致引风机的运行工况点偏离，引风机失速问题的原因是由于烟风系统阻力增大、偏离设计值，使引风机工作点偏离造成的。
4.3烟风系统阻力增大原因分析
该锅炉的烟风系统配备了两电三袋的电袋除尘器和回转式空气预热器，燃用印度当地煤，合同规定设计煤种灰份含量34%，发热量4000kal/kg。但在运行中的化验结果表明，锅炉实际燃用的煤在大多数情况下灰份含量和发热量数值都大大偏离了设计煤种，化验数据中差别最大的为灰份含量49.56%，发热量2618kal/kg。这种情况导致了锅炉运行中烟气中的飞灰含量比设计值大，从而增大了布袋除尘器的阻力。
经查询锅炉运行记录所知，在实际运行过程中，空气预热器阻力和电袋除尘器的阻力都超出了设计值，特别是布袋除尘器的设计压降值为1.0KPa，而实际上长期在接近1.8KPa的水平下运行。经过调查得知，布袋除尘器阻力大有可能由于以下两个方面原因造成的：
a.布袋糊袋原因。因为该煤种燃烧后飞灰的冲刷磨损指数Ke数值大（7.2），达到极强标准，为了防止引风机磨损，调试人员在锅炉启动油煤混烧时就尽量早的投入布袋除尘器，油灰附着于布袋表面清理不掉，导致布袋轻微糊袋，从而前后压差增大，阻力升高。
b.喷吹系统原因。前期运行过程中，布袋喷吹用气和输灰用气用了同一种压缩空气，只进行了除水干燥处理，没有进行杂质过滤，气源品质差，杂质进入布袋除尘器喷吹阀后，导致喷吹阀内部活塞卡涩不能复位，从而造成除尘器部分喷吹气包漏气，喷吹阀不能正常喷吹。另外，喷吹阀本身质量也存在问题，活塞和阀体间间隙不合适，容易卡涩；阀内膜片容易损坏漏气。因布袋的喷吹系统不能正常工作，飞灰附着在布袋上，造成布袋除尘器的阻力大大增加。
所以，布袋除尘器和空气预热器的阻力增大导致了烟风系统阻力增加，偏离了设计值，使引风机工作点偏离而进入失速区运行，从而造成了引风机叶片断裂。
5结论
综上所述，烟风系统阻力增大偏离设计值是导致锅炉引风机失速的根本原因，引风机长期在失速的不稳定工作区运行引起叶片振动，叶片振动引起的疲劳失效是叶片断裂的直接原因。
通过加强布袋除尘器的喷吹控制，增加空气预热器吹灰和放灰，降低烟气系统阻力和减少烟气系统漏风等措施，可预防引风机失速的发生。
参考文献
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[2]黄伟，李文军，万克祥，伍绍刚，熊蔚立.300MW锅炉引风机叶片断裂原因分析及对策.湖南电力，2009（4）.
[3]范晓明，辛志钢，孙正睿.改造静叶可调轴流风机解决失速问题.山东电力技术，2009（6）.
作者简介
姓名：张建亮，工作单位：山东电力建设第三工程公司，职务：技术中心锅炉主任师。
论文作者:张建亮
论文发表刊物:《电力设备》2018年第17期
论文发表时间:2018/11/13
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