近年来, 大型火电机组锅炉3大风机(送风机、一次风机、引风机)时常发生单台风机失速情况, 严重影响运行设备的可靠性, 危及机组的安全运行。据不完全统计, 风机失速已经成为大型火电机组中最常见的异常故障^[1-5], 因此对其进行研究具有重要的现实意义。

本文以某电厂一起定期工作中1 000 MW机组一次风机失速为例, 分析了风机失速原因及防范措施, 并提出了相关建议。

某电厂1 000 MW机组风机采用豪顿华工程有限公司生产的动叶可调轴流式风机, 型号为ANT-2063/1250N, Test Block(TB)点工况风量为727.9 t/h, 热耗率验收(Turbine Heat Acceptance, THA)点工况风量为560 t/h, TB点工况风机全压为16 647.9 Pa, THA点工况风机全压为11 630.1 Pa, 具体参数如表 1所示。

表 1 一次风机参数

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一次风机参数	单位	设计煤种						校核煤种I BMCR	校核煤种II BMCR
		TB	BMCR	THA	75%THA	50%THA	30%BMCR
进口系统阻力	Pa		268.45	250.52	162.63	93.47	49.14	261.05	271.92
进口风温	℃	32	20	20	20	20	20	20	20
进口介质密度(考虑进口风温及负压修正后)	kg/m3		1.192 5	1.192 7	1.193 8	1.194 6	1.191 8	1.192 6	1.192 5
进口风量体积流量(考虑进口介质密度修正后)	m3/s	176.49	135.63	129.85	104.21	78.80	56.92	111.70	142.20
系统计算总阻力(考虑风机出口压力修正后)	Pa	16 341.7	12 570.5	11 452.4	10 419.7	9 394.9	9 790.1	9 965.9	11 336.0
注:BMCR为锅炉最大连续蒸发量(Boiler Maximum Continuous Rating)工况, 此点风机效率应在高效区内; TB工况点的风量、风压为BMCR工况考虑了裕量的数据; THA为汽机额定出力工况, 此点风机效率应在高效区内。以上参数均已按当地大气压修正。BMCR工况和THA工况下的风机参数都作为风机考核点6。

某年3月16日9:49, 4^#机组A/B/C/D/E磨煤机运行, 有功功率为1 016.00 MW, 总风量为3 286.85 t/h, 总煤量为387.85 t/h, 炉膛负压为-62.22 Pa, 主蒸汽温度为600.71 ℃, 主蒸汽压力为25.97 MPa, 一次风母管压力为9.26 kPa。A/B一次风机电流为179.79 A和184.12 A; A/B一次风机动叶开度为60.59%和61.00%; A/B一次风机出口风量为492.24 t/h和508.61 t/h。

风机调节量SP信号主要由4部分组成:分别为总燃料量与一次风压对于折线函数、一次风压偏置设定手操、给水加速信号、一次风压过程值4个回路, 如图 1所示。

图 1 风机调节量SP信号逻辑

当天9:49, 将热一次风母管压力1, 2, 3强制为当前值, 即9.26 kPa, 9.31 kPa, 9.33 kPa。9:50, 4A/4B一次风机动叶指令均为62.43%。由于风机调节量SP正向偏差一直存在, 一次风机动叶指令缓慢增大, 动叶开度也逐渐增大, 如图 2所示。

图 2 一次风机动叶开度历史趋势示意

10:22, 机组负荷为1 016 MW, 4B一次风机电流由230 A突降至165 A, 出口风量由525 t/h突降为零, 出口风压由13.8 kPa降至8.2 kPa; 4A一次风机电流由231 A上升至243 A, 出口风量由530 t/h上升至777 t/h, 判断B一次风机无出力。立即快速降负荷处理, 将A/B一次风机动叶自动解除, 退出机组协调控制系统(Coordination Control System, CCS), 手动调整一次风压, 如图 3所示。

图 3 一次风机出口风量突变历史趋势示意

10:30, 机组负荷降至800 MW, 一次风机B出力突然增加, A一次风机出口风量降至零, 判断为B一次风机抢风, 手动调整A/B一次风机的动叶, 维持热一次风母管压力在8.5 kPa。

11:00, 负荷降至486 MW, A一次风机退出运行, B一次风机运行正常, 将热一次风母管压力测点1, 2, 3强制点恢复, 随后手动调整重新并入A一次风机, 维持热一次风母管压力在9 kPa。A/B一次风机的出口风量恢复正常, A/B一次风机的动叶投入自动, CCS投入。

将热一次风母管压力1, 2, 3强制为当前值, 即9.26 kPa, 9.31 kPa, 9.33 kPa, 该逻辑设置3个测点值为三取中方式, 因此热一次风母管压力强制后为9.31 kPa, 而一次风压设定值为9.35 kPa, 存在0.04 kPa的偏差。该偏差经分布式控制系统(Distributed Control System, DCS)逻辑运算, 生成一次风压SP值为0.20 kPa的偏差。由于一次风压调节自动未切除, 一次风压SP值一直存在偏差, 2台一次风机动叶自动调节输出指令持续上升。其逻辑图如图 4所示。

图 4 一次风机动叶自动调节输出指令逻辑示意

在一次风机动叶指令由62.43%升至76.83%的过程中, 2台风机动叶开度增量14.5%。根据风机设备性能数据, A一次风机风量已经超过THA工况风机运行风量, 并超过TB点风机风量总裕量; 在风机性能曲线上标记出A和B风机失速前运行工况点(红点为A一次风机的工况点、蓝点为B一次风机的工况点、绿点为正常一次风机THA的工况点), A/B一次风机已经在理论失速线上运行。当2台一次风机动叶开度达到76%以上时, 进入风机失速区, B一次风机出现失速, 如图 5所示。

图 5 一次风机性能曲线示意

此次机组非降的直接原因是由B一次风机失速造成风机无出力引起的, 但并非无法避免, 如果定期工作开展前做好充分的风险分析, 熟悉掌握机组DCS自动、保护逻辑逻辑组态, 采取可靠的防控措施, 可以避免风机出现抢风现象。此次故障暴露的问题具体如下:

(1) 将热一次风母管压力1, 2, 3过程值强制为当前值, 没有考虑到强制后对一次风调节系统可能造成的影响, 工作前风险辨识不到位, 预控措施不完善;

(2) 对涉及保护强制的操作重视不足, 工作开始前未组织有效的风险交底, 重要工作重视程度不足, 交底流程执行不到位;

(3) 参与人员对机组DCS自动、保护逻辑掌握深度不够, 对于部分单体设备的自动控制和联锁逻辑不熟悉;

(4) 对重要工作监控不到位, 未能及时发现一次风系统参数出现的异常变化, 监盘工作存在漏洞。

(1) 一次风机快速减负荷(Run Back, RB)允许动作条件为机组负荷大于520 MW, 负荷低于520 MW时, RB动作条件不满足, 不触发RB动作, 解除CCS自动不存在RB风险。因此, 为防止一次风压波动调整未及时导致一次风机失速或者跳闸触发RB, 影响机组安全稳定运行, 定期工作开展前需要退出机组自动发电控制(Automatic Generation Control, AGC)、退出A/B一次风机动叶自动。一次风机RB允许逻辑图如图 6所示。

图 6 一次风机RB动作允许逻辑示意

(2) 定期工作完成后, 确认一次风机母管压力测点正常后, 工作人员根据工况投入一次风机动叶自动, 投入机组CCS和AGC等方式。

开展定期工作的目的是为了确保运行设备的可靠性, 在做好安全措施的前提下通过在线操作来实现。但是, 如果事前不全面进行危险点分析, 不做好事故预想和采取预控措施, 对运行机组来说风险很大, 不仅达不到目的, 反而会适得其反, 人为制造出异常事件, 造成设备跳闸、非降、非停等事故。

一般定期工作存在的风险主要体现在以下4个方面。

(1) 参与人员专业技能水平不高。工作人员对联锁保护测点的相关保护逻辑不熟悉, 保护测点强制后对相关系统的影响风险辨识不清楚, 对相关设备的附属特性不了解, 技术要点掌握不到位, 在定期工作中思想麻痹大意, 工作当中全凭经验干活。

(2) 工作时机不当。遇到重大节日、特殊政治保电任务、上级领导检查时, 机组带高负荷时, 重要辅机出现故障及雷电暴雨等恶劣天气时, 可能暂停开展定期工作, 但没有选择合适的时机补做。

(3) 没有技术风险安全交底。定期工作目的就是为了消除隐患, 工作人员对涉及保护设备的定期工作重视不足, 工作开始前未组织有效的风险交底, 交底流程执行不到位, 因此一旦运行设备发生异常就会手忙脚乱, 措手不及, 结果造成处理不当, 后果扩大。

(4) 工作票审核不严。工作票签发人审核工作票不严格, 履行职责不到位, 审核过程中对风险预控票的措施不完善和工作流程不全, 没有进行有效的提醒和措施补充; 工作票许可人对工作票的审核批准存在管理漏洞, 批准的允许工作时间过长, 对此类工作的重要性认识不足, 没有提出明确的工作时间要求; 对风险预控票中的风险预控措施不全, 没有提出质疑。

(1) 完善定期工作流程, 杜绝管理漏洞。为了减小对机组安全运行带来的影响, 根据DL/T 774—2004《火力发电厂热工自动化系统检修运行维护规程》^[6]的规定, 需要定期对控制系统软件、硬件以及现场设备进行定期维护工作。要严格遵守管理制度与流程。工作开展前必须确认机组运行负荷、重要辅机性能状况、天气条件等是否满足定期工作的前提条件, 做好危险点分析, 包括机组负荷大小、主要辅机是否运行正常、当值工作量的多少以及天气状况等; 参与人员对工作所涉及的设备逻辑应进行全面的分析, 确认设备逻辑无误, 具备试验条件。期间, 合理安排, 明确分工, 做好监护, 防止误操作; 盘上、现场加强联系, 工作过程中出现异常应立即停止, 按照应急方案果断处理, 防止异常扩大, 最大限度减小对机组安全运行的影响。

(2) 突出重点, 梳理所有定期工作清单。火力发电机组的定期工作种类较多, 需要列出所有定期工作的清单, 仔细梳理, 认真开展风险评估, 制定危险点控制措施, 同时应逐项制定行之有效的标准作业指导书, 针对可能影响系统运行和重要辅机的状况, 组织专业人员讨论风险后果, 制定完备的标准作业指导书库, 杜绝人为误操作。

(3) 加强学习, 完善风险预控措施。相关人员应重新学习, 工作负责人、工作签发人、工作许可人应履行的职责, 对风险预控票的管控措施要认真审核, 完善风险预控措施; 对于涉及到保护投退工作的风险预控票作为重点工作进行管理; 对工作票内容、风险预控票的措施应严格审核, 确认工作所带来的风险后方可批准。同时, 要认真执行重大定期工作分级汇报和监护制度, 提前上报主管领导和专业管理人员。

加强对机组的日常维护工作, 提高设备安全运行的准确性和可靠性, 及时发现设备存在的问题及隐患并加以解决, 进一步贯彻落实“安全第一、预防为主、综合治理”的方针, 对火力发电机组的安全稳定运行具有重要的现实意义。