劉建生

(大唐國際紹興江濱熱電有限責(zé)任公司， 浙江紹興 312366)

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運行與改造

燃氣輪機壓氣機旋轉(zhuǎn)失速原因分析

劉建生

(大唐國際紹興江濱熱電有限責(zé)任公司， 浙江紹興 312366)

以某450 MW燃氣發(fā)電機組為例，對壓氣機旋轉(zhuǎn)失速的現(xiàn)象和參數(shù)變化情況進行闡述，對壓氣機旋轉(zhuǎn)失速產(chǎn)生的機理進行分析，提出防止壓氣機旋轉(zhuǎn)失速的相應(yīng)措施，有助于解決燃氣輪機壓氣機的類似故障。

燃氣輪機； 壓氣機； 旋轉(zhuǎn)失速

近幾年我國燃氣發(fā)電裝機容量繼續(xù)保持高速增長，截至2013年年底，我國燃氣發(fā)電裝機已達4 309萬kW，占總裝機容量的3.45%；發(fā)電量達1 143億kW·h,占總發(fā)電量的2.19%。燃氣發(fā)電已經(jīng)超越核電，成為國內(nèi)的第四大電源。相對而言，因我國燃氣發(fā)電起步較晚，技術(shù)還不成熟，對燃氣輪機(簡稱燃機)設(shè)備的缺陷處理技術(shù)還處于學(xué)習(xí)和發(fā)展階段。

燃機壓氣機旋轉(zhuǎn)失速是燃機發(fā)電機組啟停階段較為突出的問題，出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)失速會造成機組軸承振動突增，如果處理不當，會引起機組振動保護動作跳閘，并可能誘發(fā)喘振，造成壓氣機葉片斷裂等惡性事故，因而得到了燃機發(fā)電廠和設(shè)備制造廠家的重視。筆者以某450 MW天然氣燃機為例，對壓氣機旋轉(zhuǎn)失速產(chǎn)生的原因進行分析，并提出防范措施。

1 失速故障現(xiàn)象

壓氣機旋轉(zhuǎn)失速主要是根據(jù)機組轉(zhuǎn)速和壓氣機出口壓力等運行參數(shù)變化情況來判定，在啟動升速過程中，如果在某一升速階段壓氣機壓力不升反降，同時伴隨燃氣輪機軸承振動和噪聲突然增強，則可以初步判斷為壓氣機旋轉(zhuǎn)失速。

該機組裝有2套M701F4型450 MW等級的F級燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組，壓氣機共有17級，壓比為18，第6、11和14級安裝有中間放氣閥。在燃機啟動期間放氣閥打開，達到同步轉(zhuǎn)速時該閥門關(guān)閉。燃機的1號軸承安裝于透平尾部排氣室內(nèi)部，2號軸承安裝于壓氣機進氣室位置(見圖1)。

圖1 燃氣輪機縱向剖面圖

該公司1號機組在啟動過程中出現(xiàn)壓氣機旋轉(zhuǎn)失速，在燃氣輪機升速至1 680 r/min時，位于壓氣機端的2號軸承振動突然增大，其中Y向軸振由28.38 μm瞬間升高至95.00 μm，同時壓氣機出口壓力出現(xiàn)小幅波動，其變化趨勢見圖2。

圖2 壓氣機旋轉(zhuǎn)失速時有關(guān)參數(shù)的變化趨勢

2 失速產(chǎn)生的機理

2.1 產(chǎn)生的過程

設(shè)備制造廠在設(shè)計和制造中充分考慮了壓氣機的不同運行工況，保證了壓氣機的每一級壓比在合理的范圍內(nèi)。一般來說，壓氣機各級隨著壓力的升高，空氣密度增大，壓氣機葉柵的體積通流能力的逐級減小，動靜葉片高度減小，但通過各級的空氣質(zhì)量流量保持不變。在啟動過程中的中、低轉(zhuǎn)速階段，由于壓氣機壓比相對較小，壓氣機高壓側(cè)的體積流量會很大，氣流速度很高，壓氣機后面幾級的空氣壓縮不充分，會造成氣流堵塞。壓氣機中的氣流出現(xiàn)堵塞時，氣流軸向速度減小，氣流攻角增大，氣流在葉片背弧側(cè)發(fā)生脫離[1]，見圖3(Cx為氣流的軸向分速；U為動葉位移的速度)。

圖3 壓氣機旋轉(zhuǎn)失速產(chǎn)生的原理圖

這種氣流脫離現(xiàn)象在壓氣機前幾級會更明顯，脫離的氣流會形成氣團，在動靜葉和各級之間形成渦流或擾流，分離的氣團在動葉柵內(nèi)部形成的失速區(qū)，以低于動葉柵圓周速的速度沿著與葉輪轉(zhuǎn)向相反的方向轉(zhuǎn)移，這種現(xiàn)象也稱為旋轉(zhuǎn)脫離或旋轉(zhuǎn)失速。如果失速區(qū)堵塞嚴重，局部壓力增大，就會造成壓力劇烈波動，進而引發(fā)機組軸承振動。

2.2 啟停過程中的必經(jīng)階段

在燃機啟動過程中，壓氣機吸入大量的空氣并對其進行壓縮，向燃燒器提供燃燒用空氣的同時，向高溫部件提供冷卻空氣。圖4為三菱M701F4型燃機壓氣機特性曲線。壓氣機在升速過程中會經(jīng)過旋轉(zhuǎn)失速區(qū)域，氣流可能會脫離，并會引發(fā)軸承振動增強的現(xiàn)象[2]。因各制造廠在設(shè)計階段已將旋轉(zhuǎn)失速的影響控制在允許范圍內(nèi)，機組正常啟停中并不會表現(xiàn)為機組軸承振動。

圖4 壓氣機旋轉(zhuǎn)失速特性曲線圖

2.3 旋轉(zhuǎn)失速和喘振的區(qū)別

如果壓氣機葉柵中出現(xiàn)的一處或多處旋轉(zhuǎn)失速區(qū)進一步發(fā)展，導(dǎo)致整個葉柵流動受阻，則會引發(fā)喘振。喘振的表現(xiàn)為：失速區(qū)擴散到整個葉柵，壓氣機內(nèi)部背壓升高，甚至?xí)霈F(xiàn)逆流，最終流道完全被堵塞；壓氣機出口背壓和流量急劇下降，堵塞緩解。機組喘振中壓氣機葉片受到壓力沖擊，擺動加劇，并會伴隨強烈的軸承振動和噪聲，嚴重時會造成葉片斷裂脫落的設(shè)備損壞事故。表1為旋轉(zhuǎn)失速與喘振時的不同表現(xiàn)。

表1 旋轉(zhuǎn)失速與喘振時機組的表現(xiàn)對比

3 失速的原因分析

燃氣輪機啟動升速階段，轉(zhuǎn)速低于額定轉(zhuǎn)速，壓氣機旋轉(zhuǎn)失速雖然是機組啟動升速階段必然經(jīng)過的階段，但絕大多數(shù)情況下不足以引起軸承振動加強和壓氣機出口壓力下降。經(jīng)過對2號機組現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行的采集分析，認為該機組壓氣機旋轉(zhuǎn)失速故障主要有以下幾個原因：

(1) 燃機壓氣機設(shè)計制造。壓氣機在設(shè)計階段對旋轉(zhuǎn)失速的影響考慮不足，沒有采取措施避免；在壓氣機轉(zhuǎn)子及其部件加工制造階段把關(guān)不嚴，實際葉片、持環(huán)的加工尺寸超差；壓氣機轉(zhuǎn)子裝配過程中工藝不嚴，不滿足設(shè)計要求，均有可能造成壓氣機啟動中旋轉(zhuǎn)失速。

(2) 靜止變頻器(SFC)出力不足。在燃氣輪機啟動階段，SFC提供機組旋轉(zhuǎn)的初始動力，將轉(zhuǎn)速升至清吹轉(zhuǎn)速并完成燃燒器點火，在轉(zhuǎn)速升至2 200 r/min時退出運行。如果SFC出力不足，則會造成機組在升速過程中動力不足，升速慢；相比之下燃燒器投入燃料過多，透平葉片通道溫度(BPT)上升、燃燒室壓力升高，導(dǎo)致壓氣機背壓增加，壓比提高，流量降低，壓氣機運行的工況點在較低的等轉(zhuǎn)速線上迅速地向喘振線方向移動，同時氣流沖角變化，導(dǎo)致氣流脫離葉片，最終造成旋轉(zhuǎn)失速。

(3) 壓氣機葉片清潔度差，導(dǎo)致壓氣機效率降低。在整個燃氣輪機系統(tǒng)中，壓氣機耗功占到整個透平輸出功率的1/3，壓氣機效率下降不但會造成燃機出力降低，也會大幅增加壓氣機旋轉(zhuǎn)失速和喘振發(fā)生的概率。因此壓氣機應(yīng)根據(jù)外界環(huán)境的空氣質(zhì)量和壓氣機效率變化情況定期進行離線和在線水洗。

(4) 機組熱態(tài)啟動。燃機一般是按照溫態(tài)啟動工況進行設(shè)計，在燃機熱態(tài)啟動中，透平和壓氣機轉(zhuǎn)子動靜間隙較小，造成壓氣機流量、壓力變化偏離正常設(shè)計的啟動工況，壓氣機某一級或某幾級氣流堵塞，發(fā)生壓氣機旋轉(zhuǎn)失速，軸承振動增加。

(5) 對于啟動階段采用輔助蒸汽拖動的燃氣輪機，輔助蒸汽不足也會引起拖動力不足造成壓氣機旋轉(zhuǎn)失速，其原因和SFC出力不足相同。

4 失速的防范措施

從設(shè)計角度來看，燃機壓氣機啟動升速和正常運行過程中均應(yīng)處于安全可靠的運行范圍內(nèi)，不應(yīng)出現(xiàn)過大的壓力波動或軸承振動。如果壓氣機旋轉(zhuǎn)失速已經(jīng)表現(xiàn)為較大的軸承振動和壓氣機出口壓力波動，為防止機組振動惡化造成機組非停和誘發(fā)壓氣機喘振事故，必須采取有效措施進行控制。

(1) 對壓氣機升速過程中的轉(zhuǎn)速、壓力等參數(shù)進行綜合分析，調(diào)整啟動過程中的中間防喘放氣閥的開度[3]，避免空氣在壓氣機后幾級堵塞，造成前部空氣流量減少、氣流脫離現(xiàn)象的發(fā)生。實踐證明調(diào)整壓氣機防喘閥的開度是比較有效的措施。

(2) 對壓氣機動靜部分進行檢查。利用燃機大修機會，對壓氣機葉片的幾何尺寸、磨損情況進行檢查，確認動靜部分是否存在變形，抽檢動靜部分葉片的機械性能，校核其強度滿足設(shè)計要求；修復(fù)葉片表面的脫落涂層，對壓氣機動靜部分進行清理，保證壓氣機的工作效率。

(3) 提高壓氣機水洗效果。燃機制造廠對壓氣機的離線水洗和在線水洗都提出了相應(yīng)的要求，對離線水洗間隔和水洗步驟也給出了詳細的說明，選用質(zhì)量可靠的清洗劑能夠保證清洗效果和葉片不被腐蝕，提高壓氣機運行效率，避免壓氣機發(fā)生旋轉(zhuǎn)失速和喘振。

(4) 對葉片定期進行擦洗。對于運行小時較少的燃氣輪機，可以定期對壓氣機進口導(dǎo)葉(IGV)、首級動葉進行檢查擦洗，通過葉片擦洗可以去除粘附力較強的塵垢、油垢等雜質(zhì)，利用窺孔對壓氣機葉片的清潔度進行檢查，確定壓氣機葉片的臟污程度。

(5) 對SFC出力進行監(jiān)測。定期對SFC進行檢查和出力錄波監(jiān)測，保證SFC能夠達到正常的出力；對采用輔汽拖動的燃氣輪機，檢查輔助蒸汽的壓力、溫度和流量等參數(shù)，以確保符合要求。

(6) 定期檢查燃氣輪機進口空氣過濾器。進口空氣過濾器的過濾效果對壓氣機運行起著不容忽視的作用，因此進氣過濾器初過濾，精過濾均要滿足運行要求，如果過濾精度不合格，不但會加快壓氣機效率劣化速度，還會堵塞透平的冷卻通道，給透平的冷卻系統(tǒng)帶來嚴重危害。

5 結(jié)語

如何減少并消除燃氣輪機壓氣機旋轉(zhuǎn)失速帶來的隱患，是保證燃機安全啟動和運行的重要課題。通過某燃氣發(fā)電公司的國產(chǎn)化F級燃氣輪機壓氣機旋轉(zhuǎn)失速引起的軸承振動、壓氣機出口壓力下降等故障現(xiàn)象，分析了旋轉(zhuǎn)失速產(chǎn)生的機理，得出了壓氣機旋轉(zhuǎn)失速是由于燃機啟動過程中壓氣機后部堵塞，使前幾級動葉產(chǎn)生氣流脫離，導(dǎo)致壓氣機壓力劇烈波動，燃機軸承振動增大，并提出了調(diào)整壓氣機防喘放氣閥開度、提高水洗效果等防范措施，有效的解決了燃機壓氣機旋轉(zhuǎn)失速缺陷問題，為存在類似缺陷的燃氣發(fā)電機組提供了處理思路。

[1] 瞿虹劍, 徐剛, 王鑫. V94.3A型燃氣輪機喘振分析[J]. 上海電力, 2011(3): 224-226.

[2] 王遠宏, 董長海, 邵澤維. 燃氣輪機空氣壓縮機喘振原因及解決方法[J]. 能源技術(shù), 2005, 26(1): 39-40.

[3] 閻?？? PG9171E型燃機喘振現(xiàn)象分析[J]. 華東電力, 1999(2): 21-23.

Cause Analysis on Compressor Rotating Stall in a Gas Turbine

Liu Jiansheng

(Datang Internaltional Shaoxing Jiangbin Thermal Power Co., Ltd., Shaoxing 312366, Zhejiang Province, China)

Taking a 450 MW gas turbine generator set as an example, an introduction is presented to the compressor rotating stall and to the changes of relevant parameters, together with an analysis on the stall mechanism, and subsequently corresponding countermeasures were proposed, which may serve as a reference for treatment of similar faults of gas turbine compressors.

gas turbine; compressor; rotating stall

2016-03-16；

2016-07-19

劉建生(1960—)，男，高級工程師，主要從事發(fā)電廠汽輪機、燃氣輪機設(shè)備管理和檢修維護；燃煤發(fā)電、天然氣發(fā)電設(shè)備基建安裝等工作。E-mail: tianfangluntan@126.com

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1671-086X(2017)03-0193-03