百万机组汽动引风机叶片裂纹原因探讨

百万机组汽动引风机叶片裂纹原因探讨

郭航

神华福能发电有限责任公司 福建石狮 362700

摘要：随着汽动引风机技术越来越多在大型火电机组中得到运用，在国内百万机组实际生产运行中，由于深度调峰、烟道共振等问题，汽动引风机叶轮叶片出现裂纹的异常情况实有发生。本文通过设备布置、管路流程、金属焊接工艺等，结合某百万机组汽动引风机运行的实际工况展开原因分析，并提出汽动引风机运长周期运行存在的风险及预控措施，为国内同类型机组提供借鉴。

关键词：汽动引风机;叶片;裂纹

1 设备及系统概述

神福鸿山电两台1050MW燃煤汽轮发电机组锅炉引风机采用纯凝汽式小汽轮机驱动，型号N11-0.969，型式为单缸、单轴、冲动式、下排汽凝汽式引风机驱动汽轮机，每台引风机小汽轮机配备独立的润滑油、EH油、轴封、真空、凝结水及胶球系统。每台汽动引风机配备两台轴承冷却风机。

静叶可调轴流式引风机的结构形式为单个叶轮，前、后设置导叶，叶轮由翼型的叶片，径向排列成彼此间距离相等的叶栅，为了获得较高的效率，叶片做成扭曲形。为了减少能量损失，回收圆周方向运动的能量，在叶轮出口端装置导叶—后置导叶，后导叶是静止不动的。气流经过叶轮的旋转运动，经后导叶、扩压筒而获得较高的风压。该引风机采用汽轮机驱动，经减速机减速，利用汽轮机进气量变化来改变汽轮机转速，实现引风机的变速调节。

2 现场运行情况

2018年以来，3号机组A引风机运行中频繁出现振动参数较大情况，其中3号轴承X方向、4号轴承Y方向振动最大值超出振动报警值4.6mm/s，同时风机出口风道、静叶处伴随有异音。引风机振动在升负荷过程中频繁出现振动增大的情况，初步判断原因为引风机小机转速在特定转速区间存在共振。3A引风机经检查发现风机7片叶轮有明显裂纹，而后对3B引风机及4号机组两台引风机检查发现均存在叶轮裂纹的情况。

图1 3A引风机叶片根部断裂处裂纹图

由图可见叶片根部有裂纹产生。根据引风机的运行状态及裂纹形态可以判定该叶片裂纹起源点为，轮毂与叶片根部焊缝的焊缝融合线，逐渐向叶顶方向扩展，裂纹长度约占叶片根部总长三分之二。

3 原因分析

通常，引起风机叶片断裂的可能原因有很多，从风机运行工况、叶轮材质和焊接、交变应力、叶轮与系统存在固有频率造成共振等诸多因素，现进行具体原因分析。

3.1 风机喘振或失速引起叶轮破坏。轴流式风机运行中由于调节不当，叶轮进入到不稳定工况区运行，可能出现喘振或失速现象。此时叶轮经过失速区将会受到一次激振力的作用，可使叶片产生共振，叶片的动应力增加，致使叶片断裂。至2016年机组环保改造以来，3、4号机组汽动引风机共出现失速4次，因故并列引风机10次，均发生在机组400MW-500MW低负荷区间。另外在引风机失速后重新并列过程中，由于待并引风机转速需提升至4500rpm以上，待并风机静叶两侧由于差压因素，在并列引风机过程中极易出现抢风，反复等情况。

3.2 制造母材及焊接、热处理质量原因。叶片抗拉强度、硬度、延伸率、叶片二次调质过程中热处理工艺情况叶轮材质韧性较差且叶片根部未进行强度优化设计。3A引风机叶片材质为N-A-XTRA700钢材。N-A-XTRA700钢材是德国蒂森克虏伯钢铁欧洲公司生产的钢铁型号，该钢种的含碳量W（C）较低，一般都在0.18%以下，其高强度及良好的综合机械性能是通过在低碳基础上加入多种能提高淬透性的元素，以取得强化和具有较高韧性的目的。但正是这些合金元素的强化作用，使得焊缝和热影响区淬硬性增强。焊接后热影响区存在脆化和冷裂纹倾向，当刚材质叶片出现裂纹后会在短期内发展成较大的裂纹直至断裂。

3.3 叶轮长期高负荷运行，且调峰时受到持续的交变应力引起疲劳损坏。由于风机利用汽轮机进气量变化来改变转速，实现变速调节，在机组负荷上升或下降时，风机转速为适应负荷调整需要而发生改变。这种风机转速的波动，使叶片受力不断改变，加速和减速时会受到方向相反的力，这个力叫做交变应力，持续不断的交变应力，会使叶片造成疲劳损坏。而长期高负荷运行，由于总风量较大，气流的脉动压力越大、共振时幅值越大，造成的破坏力就越大。

3.4 烟道系统流场特性（均匀性）差加剧气流压力脉动引起引风机共振脉动。风机叶片本身具有一定的固有振动频率，引起共振的条件是当外力的脉冲频率和物体的固有振动频率相重合或成倍数时。当风机的叶片产生共振时，它的后果是叶片由于金属疲劳而断裂。我厂锅炉烟气经两台引风机后在垂直上升管段处汇合，然后转入水平段，经烟气余热换热器后进入FGD。由于受现场空间限制，引风机进出口烟道布置过于紧凑，进口挡板、进气箱、扩压器、出口挡板之间均匀气流的矩形截面管路较短，特别是出口采用三通、弯头或变径的连接方式，且引风机出口至脱硫吸收塔入口水平烟道布置烟冷器，整个烟道系统流场特性（均匀性）较差，一旦工况扰动，烟道系统易产生共振现象。机组额定工况运行下，炉膛总风量在3500t/h以上，转速在4850pm左右时，引风机振动反映明显，大于或小于此风量时烟道振动恢复正常，由此可以判断，在该特定风量时，气流的涡流脉动频率与风道的固有频率相近产生共振，因而出现该风量下振动异常增大、异音显著的问题，长期运行易造成引风机叶轮出现裂纹。

3.5 机组长期高负荷运行加剧气流压力脉动。机组负荷率较高，平均出力系数高，全年最大负荷1037MW，最低负荷350MW。3号机组满负荷运行工况共计约3472h，最长连续满负荷运行约210h。受厂购燃煤和配煤掺烧限制和机组运行氧量控制，锅炉总风量大于设计值：锅炉设计B-MCR总风量3416.6t/h，3号炉正常运行满负荷期间实际运行风量约3500t/h，统计8月6日至今，风量超3500t/h运行最长连续时间为32min，超3500t/h运行总时长11h 46min，约占统计时长的0.75%。3A引风机连续高负荷烟气流量运行，气流的脉动压力越大、共振时幅值越大，造成的破坏力就越大。

4 预控措施

4.1 加强对引风机运行状态的监视，优化运行调节手段。通过分析DCS历史数据发现，负荷变动时，加强3、4号机组各台汽动引风机的风量、振动等参数监视。尽量避免引风机在3500t/h以上总风量长时间运行，如因机组负荷须在该范围内运行时，运行人员应及时推出引风机静叶自动，通过手动调节引风机静叶开度，避开振动较大的转速。

4.2 机组600MW负荷以下时，及时开启引风机再循环，加强引风机风量、出入口风压等参数监视，及时通知辅控避免低负荷启停浆液循环泵，必要时关闭引风机出口联络门，避免引风机失速，从而保证风机安全可靠运行。

4.3 严格执行吹灰规定，确保吹灰清洁度，加强水平烟道处烟温变化情况监视，必要时加吹，防止积灰。

4.4 针对叶轮叶片容易发生疲劳裂纹的问题进行强度优化设计，在叶片根部加焊一圈拉筋，增加叶片整体抗疲劳强度。

5 结语

汽轮机驱动轴流式引风机在大型火力发电厂的广泛运用，为发电企业带来良好的经济效益，其可靠运行对电厂稳发满发至关重要。从此次引风机叶片发生裂纹的事件中，反映出对大型风机制造质量和运行优化控制要求的重要性。考虑到高转速下对轴流式风机叶片材料和焊接强度提出了更高的要求，建议在满足风机风量、全压升等性能参数要求的前提下，加强运行调整及参数分析，避免风机在振动较大的趋间运行，从而提高风机的运行可靠性。

参考文献

张吕华、朱朝阳、刘川槐、660MW机组汽动引风机叶片断裂原因的分析、风机技术、2015年01月、版本（2015年第01期）、页号89。

20181010- FN01#3机组3A引风机振动大停运消缺异常报告书。

作者简介：

[1]郭航、男、1987年02月26日、2008年毕业于沈阳工程学院、神华福能发电有限责任公司、目前从事火电厂集控运行工作、集控运行主值、工程师、主要研究火电厂集控运行方向、福建省石狮市伍堡集控区21号。