影響燃氣輪機啟動時間的因素和出現的故障

摘 要:本文簡單介紹影響燃氣輪機啟動時間的因素和啟動中出現的故障，以保證機組安全運行和能夠順利啟動。

關鍵詞:燃氣輪機啟動燃機初溫壓氣機

中圖分類號:TK478文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)05(b)-0043-01

燃氣輪機的啟動是一個比較復雜的過程。在機組啟動之前，需要有一系列準備工作，并要求各種輔助設備預先處于正常工作狀態。

影響燃氣輪機啟動時間長短的因素是很多的，概括起來說，大致有以下幾個方面。

(1)壓氣機特性線的影響:我們知道，在點火轉速之前，機組的轉子是完全依靠啟動機來帶動的。當時轉子加速的快慢主要取決于啟動機功率的大小。當燃燒室點火之后，透平發出的扭矩大大地增加了，因而，在脫扣轉速之前，轉子加速的快慢，一方面取決于啟動機功率的大小，另一方面則取決于透平所發出的功率和扭矩的大小，也就是說取決于透平前燃氣初溫的增升速率，更直截了當地說，就是取決于噴油量的多或少。顯然，加大啟動機的功率是我們所不希望的。那么，為了加快啟動速度，是否可以采用向燃燒室蒙噴燃料，以求迅速提高的方法呢？事實告訴我們，這也是不能允許的。因為，在低轉速情況下，透平前的燃氣溫度過高的話，就會是機組的平衡運行點超越壓氣機的噴振邊界線，以致壓氣機進入噴振工況(參見圖1)，那時機組就無法再繼續啟動升速了。為了解決這個矛盾，我們可以在壓氣機的進口處安裝可轉導葉，例如在20000kW機組中，就是在n=0～95n0%的啟動過程中，把壓氣機第一級入口可轉導葉的安裝角，由正常工作時的80°關小到44°，它一方面可以減小啟動過程中壓氣機所消耗的功率，有利于轉子的加速，同時還能使壓氣機的噴振邊界左移(如圖1中使噴振線由a位移到b)，有利于提高燃氣初溫，而機組卻不至于進入噴振工況。

實線表示噴油量較少時機組的啟動加速過程線，虛線表示噴油量較多時機組的啟動加速過程線一般來說，壓比越高的壓氣機，在低轉速工況下就越容易進入噴振工況。因而當這種機組啟動時，燃氣初溫的限制就越大。

(2)轉子轉動慣量的影響:顯然，當用同樣的溫升速率和啟動功率來啟動機組時，轉子轉動慣量越大者，所需要的啟動加速時間就越長。

(3)機體熱應力的影響:很明顯，在啟動過程中燃氣初溫增升太快時，機組的氣缸內壁和轉子表面就會迅速地受熱膨脹，而氣缸外壁以及轉子內部的溫度卻還來不及增升上去，這樣就會產生熱應力。機組在這種情況下多次啟動后，就有可能使轉子因熱疲勞而開裂報廢。為了避免發生這類事故，在啟動時就不允許使燃氣初溫增升得過于迅速，但這樣就會增長機組的啟動時間。

通常機體熱應力的大小與許多因素有關。在溫升率相同的前提下，首先與透平的結構形式有關。例如BBC廠出品的6200kW列車電站用燃氣輪機，就是一種重型結構的轉子，這種轉子容易產生較大的熱應力，因而，機組的啟動時間需要增長到12～15min。對于航空用輕型結構類型的機組來說，熱應力比較小，它可以在較高的溫升率下啟動。所以，從啟動到帶上額定負荷，只需要45～60s就足夠了。

此外熱應力還與受熱部件的材料有關。例如奧式體鋼，它的細膨脹系數大，熱應力也大；而珠光體鋼的線膨脹系數小，熱應力也相應地較小。所以在透平部件中能用珠光體鋼的就應該盡量地采用珠光體鋼，非到不得已時才用奧氏體鋼。

透平的葉片、氣缸和轉子的冷卻方式，對于所產生的熱應力大小也是有關系的。如果這些元件的冷卻能夠組織得很好，其表面溫度就低，內外溫差就小，熱應力當然就會減小。

(4)減小機組各部分的阻力矩，必然可以縮短機組的啟動時間。目前，已有某些機組采用了在主軸承的下軸瓦上鉆設頂軸油孔的方案。當機組啟動時，首先向這些孔中注入高壓的頂軸潤滑，預先把轉子頂浮起來，這樣就可以減小啟動瞬間的摩擦阻力矩，使轉子能夠迅速地啟動起來。這種措施對于減小啟動機的啟動扭矩特別有效。

(5)啟動機功率選得越大時，機組的啟動時間當然就可以縮短。

在某些機組中，有時會發生機組啟動不起來的故障，原因當然很多。但是從燃氣輪機本身的角度上看，大體有以下幾個方面。

(1)壓氣機通流部分污染，效率降低，特性曲線變壞，致使啟動時壓氣機耗功量過大，在啟動機功率不足時，就容易使啟動失敗。

(2)燃油系統和點火系統發生故障。例如噴油嘴被磨損，霧化質量嚴重惡化；燃油系統中存有空氣，造成供油脈動現象；或是由于點火器積炭，不能起弧形成點火炬等現象，都會導致啟動失敗。

(3)沒有控制好啟動過程中燃氣輪機的增升規律。這是由于噴油量控制不當，過高，致使機組的啟動加速過程線接近于或是進入了噴振區的緣故。那時透平前的燃燒溫度很高，而轉速去無法順利地上升。例如BBCC廠出品的6200kW列車電站燃氣輪機在試燒原油時，曾有十幾次沒能啟動成功。當時，每次點火后，就上升到400℃以上。而這臺機組的說明書指明，啟動過程中機組的燃氣初溫不能超過380℃，否則就會發生噴振。經過仔細研究后終于發現，這是由于噴油嘴中控制點火噴油量的初始開度間隙，調整得過大了的緣故，經糾正后，機組就馬上啟動起來了。

在我國自行設計制造的幾臺燃氣輪機中，也曾發生過類似情況。一般來說，當機組在夏季運行時，點火噴油量應該給得少些，否則比較容易發生這種故障。

(4)透平通流部分結垢，致使透平的阻力增加，因而，在啟動過程中機組的運行線就會向壓氣機的噴振邊界線方向靠近，甚至進入噴振工況而使機組啟動失敗。

在機組啟動過程中，防止發生超溫故障，這不僅是機組安全運行的必要條件，而且也是保證機組能夠順利地啟動起來的關鍵。

參考文獻

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