壓氣機(jī)喘振基本原理及控制手段研究

任帥 翟宇

（北京京能未來(lái)燃?xì)鉄犭娪邢薰?，北?102209）

壓氣機(jī)喘振基本原理及控制手段研究

任帥 翟宇

（北京京能未來(lái)燃?xì)鉄犭娪邢薰荆本?102209）

壓氣機(jī)喘振是燃?xì)鈾C(jī)組運(yùn)行中可能出現(xiàn)的損害較大的異常工況。由此，本文首先對(duì)壓氣機(jī)喘振機(jī)理與形成因素進(jìn)行分析，然后闡述避免壓氣機(jī)出現(xiàn)喘振故障的措施，最后論述北京京能未來(lái)燃?xì)鉄犭娪邢薰痉乐箟簹鈾C(jī)喘振的限制器及財(cái)務(wù)的保護(hù)措施。

壓氣機(jī)；喘振壓比；IGV

燃機(jī)的軸流式壓氣機(jī)主要在燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)組處于額定轉(zhuǎn)速下運(yùn)行。若未達(dá)到額定轉(zhuǎn)速，壓氣機(jī)前幾級(jí)往往會(huì)承載極高的空氣動(dòng)力負(fù)荷，從而使氣流在動(dòng)葉葉背處發(fā)生分離導(dǎo)致流速下降，受到超負(fù)荷的壓氣機(jī)就不能再生成必須的升壓，會(huì)出現(xiàn)被稱作壓氣機(jī)的喘振現(xiàn)象。

喘振發(fā)生時(shí)，壓氣機(jī)的輸出會(huì)變得不穩(wěn)定，壓氣機(jī)出口壓力產(chǎn)生周期性波動(dòng)，燃?xì)獍l(fā)電機(jī)產(chǎn)生劇烈振動(dòng)，這些壓力波動(dòng)同時(shí)產(chǎn)生脈沖性噪聲。燃?xì)獍l(fā)電機(jī)出現(xiàn)振動(dòng)且壓力波動(dòng)產(chǎn)生脈沖性噪聲，很容易導(dǎo)致壓氣機(jī)葉片因交變彎曲應(yīng)力而損壞，甚至還會(huì)引發(fā)葉片斷裂的事故［1］。

1 壓氣機(jī)喘振機(jī)理與形成因素

1.1 壓氣機(jī)喘振機(jī)理

喘振問(wèn)題的產(chǎn)生和氣流脫離問(wèn)題具有較大關(guān)聯(lián)。因?yàn)槿~輪不斷旋轉(zhuǎn)，氣流脫離問(wèn)題會(huì)逐漸蔓延到全部壓氣機(jī)通道，導(dǎo)致通道堵塞，而前方氣流堵塞會(huì)造成出口反壓降低，若是出口反壓過(guò)低，堵塞解除時(shí)容易使擁堵氣流瞬間涌出，進(jìn)入壓氣機(jī)的空氣流量大于壓氣機(jī)后方允許排除的流量，反壓立即增加，導(dǎo)致壓氣機(jī)中再次形成氣流堵塞現(xiàn)象［2-3］。氣流交替堵塞、暢通，從而造成壓氣機(jī)工作點(diǎn)沿共同工作線逐漸下移，越過(guò)喘振邊界，由此，燃?xì)廨啓C(jī)出現(xiàn)喘振現(xiàn)象。

1.2 壓氣機(jī)喘振形成的因素

導(dǎo)致壓氣機(jī)出現(xiàn)喘振現(xiàn)象的主要因素是偏離設(shè)計(jì)工況、操作失誤、氣流堵塞和環(huán)境因素等。

1.2.1 偏離設(shè)計(jì)工況。啟停狀態(tài)下，若氣體流量降低到某一范圍，則可能出現(xiàn)氣流脫離問(wèn)題而導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)失速。如果體積流量持續(xù)降低，會(huì)造成旋轉(zhuǎn)失速逐漸嚴(yán)重，如此一來(lái)，壓氣機(jī)內(nèi)很容易產(chǎn)生喘振現(xiàn)象。

1.2.2 防喘放氣閥沒(méi)有打開(kāi)。啟停狀態(tài)下，壓氣機(jī)中的空氣流量與壓力變化存在較大差距的情況下，防喘閥借助對(duì)進(jìn)出口氣流量進(jìn)行調(diào)節(jié)來(lái)避免喘振現(xiàn)象的出現(xiàn)。然而，如果防喘閥失靈或者空氣流量與壓力變化幅度超過(guò)一定范圍時(shí)，就可能導(dǎo)致喘振現(xiàn)象出現(xiàn)。

1.2.3 氣流通道堵塞。若通流內(nèi)因結(jié)垢而出現(xiàn)堵塞，可能造成氣體流動(dòng)阻力提高，進(jìn)而導(dǎo)致體積流量降低，可能出現(xiàn)喘振現(xiàn)象。氣流通道堵塞一般是空氣過(guò)濾器堵塞或者葉片積垢等因素造成的。

1.2.4 環(huán)境因素。若外部環(huán)境空氣濕度增加，含水量較大的空氣進(jìn)入壓氣機(jī)，其中的水分會(huì)導(dǎo)致流道中出現(xiàn)垢層，從而引發(fā)喘振。某廠機(jī)組因?yàn)橛晁泻谐?、精濾網(wǎng)上沉積的煙油和細(xì)塵附著于精葉，從而造成喘振現(xiàn)象。

2 避免壓氣機(jī)出現(xiàn)喘振故障的措施

2.1 安裝可調(diào)整導(dǎo)葉

針對(duì)機(jī)組在啟停狀態(tài)下壓氣機(jī)偏離設(shè)計(jì)工況的因素，可以在壓氣機(jī)進(jìn)口位置設(shè)置流線型可調(diào)導(dǎo)葉（IGV）。啟停狀態(tài)下對(duì)IGV角度進(jìn)行調(diào)整，從而合理調(diào)整出氣角的方向，對(duì)前幾級(jí)的靜葉片出氣角進(jìn)行調(diào)整，避免壓氣機(jī)在運(yùn)行狀態(tài)下出現(xiàn)偏離設(shè)計(jì)工況的問(wèn)題。

2.2 中間級(jí)放氣

針對(duì)啟停狀態(tài)下防喘放氣閥沒(méi)有打開(kāi)的問(wèn)題，可以選擇以下策略：對(duì)防喘放氣閥的實(shí)際工作狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，選擇進(jìn)行中間放氣。實(shí)踐說(shuō)明，燃機(jī)處于較小轉(zhuǎn)速時(shí)，壓氣機(jī)不穩(wěn)定主要體現(xiàn)在“前喘后堵”。對(duì)于這一工況特征，選擇中間放氣，借助調(diào)整壓氣機(jī)流量來(lái)避免喘振。北京京能未來(lái)燃?xì)鉄犭娪邢薰驹O(shè)置了兩個(gè)五級(jí)防喘閥和一個(gè)十級(jí)防喘閥。

2.3 降低氣流阻力

為避免因?yàn)闅饬魍ǖ蓝氯鴮?dǎo)致喘振現(xiàn)象的出現(xiàn)，需要定期對(duì)通道進(jìn)行清理，做好級(jí)間壓差的監(jiān)測(cè)［4］，第一時(shí)間對(duì)葉柵積垢予以清理，降低流動(dòng)阻力，提高氣流體積流量。北京京能未來(lái)燃?xì)鉄犭娪邢薰疽话憔峭ㄟ^(guò)機(jī)組啟動(dòng)前的離線水洗清理葉片積鹽。

2.4 提高進(jìn)氣質(zhì)量

降低空氣濕度與含塵量也是預(yù)防喘振的有效措施。對(duì)環(huán)境空氣質(zhì)量予以監(jiān)測(cè)，尤其是在暴雨天氣或空氣含塵量較大的情況下，需要做好空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)。目前，進(jìn)氣系統(tǒng)濾網(wǎng)臟污問(wèn)題比較突出，盡管北京京能未來(lái)燃?xì)鉄犭娪邢薰疚丛虼顺霈F(xiàn)壓氣機(jī)喘振的現(xiàn)象，但長(zhǎng)時(shí)間高差壓、低質(zhì)量進(jìn)氣運(yùn)行勢(shì)必會(huì)污染壓氣機(jī)葉片清潔度。

3 北京京能未來(lái)燃?xì)鉄犭娪邢薰痉乐箟簹鈾C(jī)喘振的限制器及保護(hù)

3.1 北京京能未來(lái)燃?xì)鉄犭娪邢薰痉乐箟簹鈾C(jī)喘振的限制器

北京京能未來(lái)燃?xì)鉄犭娪邢薰救紮C(jī)控制器中與限制喘振直接有關(guān)的有以下2個(gè)。

①壓氣機(jī)壓比極限控制器。壓比極限控制器內(nèi)部定義了一個(gè)壓氣機(jī)穩(wěn)定極限曲線，亦即喘振邊界曲線，壓比極限控制器即防止壓氣機(jī)運(yùn)行工況越過(guò)此邊界。當(dāng)排氣壓比向喘振邊界曲線靠近時(shí)，控制器將通過(guò)開(kāi)大IGV直至關(guān)小燃料閥來(lái)保證壓比不越邊界。

②壓氣機(jī)排氣壓力變化梯度極限控制器。壓氣機(jī)排氣壓力變化梯度極限控制器主要是通過(guò)監(jiān)視壓氣機(jī)壓比變化以防止燃機(jī)燃料量增加過(guò)快導(dǎo)致排氣溫度過(guò)高，其同時(shí)也具有防止燃料增加過(guò)快而導(dǎo)致壓氣機(jī)喘振的作用。

3.2 北京京能未來(lái)燃?xì)鉄犭娪邢薰救紮C(jī)喘振保護(hù)

當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到喘振邊界區(qū)時(shí)，在壓氣機(jī)的某一位置進(jìn)行放氣可以防止壓氣機(jī)發(fā)生喘振。壓氣機(jī)沖擊產(chǎn)生的物理震動(dòng)可以通過(guò)在進(jìn)氣管道和壓氣機(jī)入口（第一級(jí)入口導(dǎo)葉前）之間的差壓來(lái)確定。在正常運(yùn)行期間，進(jìn)氣管道的壓力要高于壓氣機(jī)進(jìn)口壓力。當(dāng)發(fā)生喘振時(shí)，由于倒流將產(chǎn)生差壓的逆向升高，這種差壓變化可由差壓開(kāi)關(guān)測(cè)量。

北京京能未來(lái)燃?xì)鉄犭娪邢薰緣簹鈾C(jī)喘振檢測(cè)和壓氣機(jī)喘振保護(hù)的數(shù)據(jù)采集是通過(guò)三重冗余差壓開(kāi)關(guān)MBA11CP001、MBA11CP102和MBA11CP003進(jìn)行的。一旦超出轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速極限值，壓氣機(jī)喘振保護(hù)就啟動(dòng)。如果這三只壓力開(kāi)關(guān)中有兩只的讀數(shù)超出設(shè)置極限值，就會(huì)觸發(fā)燃?xì)廨啓C(jī)跳閘。通過(guò)關(guān)閉相應(yīng)的緊急關(guān)斷閥，跳閘使所有燃料系統(tǒng)隔斷。當(dāng)壓氣機(jī)喘振保護(hù)系統(tǒng)作出響應(yīng)時(shí)就發(fā)出報(bào)警信號(hào)“壓氣機(jī)喘振保護(hù)響應(yīng)”。

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)燃機(jī)喘振的原理進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹，同時(shí)簡(jiǎn)述了北京京能未來(lái)燃?xì)鉄犭娪邢薰救紮C(jī)相應(yīng)的控制措施和保護(hù)原理，以期共同提高運(yùn)行值班員對(duì)燃機(jī)運(yùn)行、控制的理解。

［1］ 劉健鑫，任榮社，仇遠(yuǎn)旺.燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)喘振故障分析與防喘方法研究［J］.內(nèi)燃機(jī)與動(dòng)力裝置，2016（6）：1-4.

［2］ 楊曉琴.離心壓氣機(jī)減緩喘振及降噪效果的研究［D］.中北大學(xué)，2016.

［3］ 蘇三買，孫占恒，呂燁，等.壓氣機(jī)失速與喘振動(dòng)態(tài)模型與仿真［J］.推進(jìn)技術(shù)，2016（5）：960-965.

［4］ 徐鑒，陳振.時(shí)滯對(duì)軸流壓氣機(jī)喘振的影響［J］.中國(guó)科學(xué)：物理學(xué)力學(xué)天文學(xué)，2013（4）：380-389.

Basic Principle and Control Method of Compressor Surge

Ren ShuaiZhai Yu
（Beijing Jingneng Future Gas Power Company Limited，Beijing 102209）

Compressor surge is a possible abnormal condition in the operation of a gas unit.Thus,this pa?per firstly analyzed the formation mechanism and factors of compressor surge,then described the compres?sor surge to avoid fault measures,finally discussed the protective measures to prevent the compressor surge limiter and the financial future of Beijing Beijing Gas Power Co.Ltd.

compressor；surge pressure ratio；IGV

V235.1

A

1003-5168（2017）11-0070-02

2017-10-09

任帥（1981-），男，本科，助理工程師，研究方向：電廠發(fā)電運(yùn)行。