進氣條件變化下重型燃機壓氣機性能與穩定性研究

沈 琪

（杭州華電半山發電有限公司，浙江杭州 310015）

目前，全球一次能源消費逐漸呈現增長趨勢，石油生產與消費總量保持穩定，新能源發展迅猛，以油氣為主的石化能源仍占據能源市場主導地位，重型燃氣輪機、重型燃機壓氣機需要保持穩定的發展趨勢。重型燃氣輪機運行水平可直接影響電廠發電情況，壓氣機是重型燃氣輪機重要組成部分，保持其實際運行效率與穩定性較為重要。現階段，重型燃機壓氣機研發過程中，需要細致分析不同經濟條件變化下燃機壓氣機性能，評估重型燃機壓氣機穩定性。

1 重型燃機壓氣機性能研究

1.1 重型燃機壓氣機工況特征

重型燃氣輪機的整機性能主要包括氣機、渦輪機、燃燒室、外界負荷條件下展現的共性特征。在判斷重型燃氣輪機運行效能期間，需要重點分析該設備在設計工況下的技術性能指標，并研究其在偏離設計工況后工作性質的變化情況，評估燃氣輪機綜合性能指標[1]。重型燃氣輪機在負荷、轉速、大氣或其他參數偏離情況下運行。

重型燃機氣壓機工況特性指運行效率與轉速、流量間的關系，可使用絕對參數、相對參數值進行展現。

1.2 基本元葉柵法下重型燃機壓氣機建模

通常情況下，重型燃機壓氣機工作葉輪、靜葉可共同組成軸流式壓氣機。在壓氣機實際運行期間，多級軸流式壓氣機是能源交換基本單元，在該壓氣機實際運行時，每級串聯形成流道，形成壓氣機內流通空間。

在分析重型燃機壓氣機運行效果期間，在空氣壓縮不變化的情況下，壓氣機或部分進出密度值會始終保持平穩狀態。壓氣機流量系數、入口流量系數存在緊密的聯系[2]。在實際運行過程中，壓氣機內部入口流量系數值與各級葉柵的入射攻角度不會發生明顯改變，實際運行效率保持在原有水平。

由此可見，重型燃氣壓氣機的壓氣比、運行效率與流量系數存在密切關聯，壓氣機的實際轉速不會影響其自身運行水平。

重型燃機壓氣機的特征級是為了方便后期計算引入的概念，主要表示壓氣機平均級特征。依照特征機對壓氣機壓縮過程進行虛擬分解，可直觀表現壓氣機整體特性，并將此特性應用在后期重型燃機壓氣機穩定性判斷、結構優化中。

2 重型燃機壓氣機性能模型建立

通過建立重型燃機壓氣機特性圖，可精準判斷燃氣輪機整機運行期間的可行性。傳統重型燃機壓氣機性能判斷方式主要為構建壓氣機特性線，獲得的特性判斷結果與壓氣機實際運行情況存在誤差[3]。為了保障重型燃機壓氣機特性得到精準評估，將配合使用基元葉柵法、隨機回歸方式，對重型燃氣壓氣機建模手段進行完善、優化。

2.1 基元葉柵法

結合重型壓氣機實際運行要求，構建相應的壓氣機穩定流動模型。借助平均流線方向參數值，計算不同基元級壓比、溫比數值，使相關工作人員明確重型燃氣壓氣機基元級串聯比值，掌握重型燃機壓氣機工況變化特征。

在以構建重型壓氣機模型過程中，需要使用專項可行的基元葉柵技術方式，確保空氣流速均勻相通，實際壓縮值處于絕熱狀態。使用空氣作為研究對象，壓氣機運行期間的溫度變化較大，相關的定壓比熱值不可作為定值計算。

注重換算重型燃機壓氣機靜態狀態參數、滯止狀態參數，設置壓氣機靜溫、滯止溫度值，換算得到靜壓與滯止壓力[4]。為了保證重型燃機壓氣機性能分析準確，應注重選擇合理的相對坐標系，在坐標系內設置相對總溫、總焓數，表示工質相對速度滯止為0，使溫度、焓值可達到相對平穩的狀態。

計算得到重型燃機壓氣機動葉柵進口參數值，依照動葉柵進口處的絕對速度、方向角度，進行進口速度三角形求解，獲得相對速度值與方向角度值。計算壓氣機總溫、總壓量，嚴格依照動葉柵監考處的動態溫度、動態壓力值，獲得進口總溫、總壓力。設置壓氣機沖角、落后角、總壓損失系數，選擇適宜的系數計算公式。

計算得到重型燃機壓氣機實際運行期間的動葉柵出口參數、動葉柵出口氣流角度、出口總壓力值，依照能量守恒方程式，獲得動葉柵出口總溫度。

對重型燃機壓氣機整機性能進行模型計算分析，通過上述計算獲得的動葉柵、靜葉柵出口參數值，確保計算的壓力參數值準確，將其作為進口參數計算依據，使最終得到的基元級壓比、溫比值更精準。

2.2 隨機森林方法回歸計算

通過采用基元葉柵法對重型燃機壓氣機每級的葉柵進行重復計算，獲得液壓機總比、多變效率、出口溫度、消耗功率流量之間的關系。依照某熱電公司實測數據、基元葉柵計算方式，獲得計算數據點，配合使用隨機森林回歸方式進行計算。

（1）建立隨機森林模型。

將重型燃機壓氣機的轉速、進口導葉開度、進口空氣質量流量、進口溫度、進口壓力值輸入計算系統內，設計相應的壓氣機計算模型[5]。確保燃機轉速、進口導葉開度、進口開度值依照熱電公司實際運行情況進行采集，并通過煙氣體積流量計算結果，計算煙氣進口質量流量值，總結進口氣溫質量流量調查結果。

（2）重型燃機壓氣機特性線。

通過設置燃氣機特性模型，明確在不同工作狀態下壓氣機總壓比、多變效率情況。繪制總壓力、多變效率、壓氣機特性曲線，對空氣流量進行折合處理。依照壓氣機入口總溫度、壓氣機入口總壓力、空氣質量流量等數值，計算空氣折合流量。重型燃機壓氣機始終處于高效率運行范圍下，僅使用隨機森林方式建立的擬合模型，難以保障其可被應用于多工況范圍內。需要將基元葉柵法與隨機森林方式進行有機結合，并使用基元葉柵方式將理論計算點、實際參數數據相結合，對數據進行回歸化處理，確保相關工作人員可明確不同運行環境下，重型燃機壓氣機質量流量、總壓比、多變效率下的特性計算模型，直觀展現重型燃機壓氣機特性。

3 重型燃機壓氣機實際運行穩定性

3.1 明確重型燃機壓氣機性能喘振邊界

在重型燃機壓氣機運行過程中，喘振指一種特殊的不穩定運行狀態，喘振問題出現后，壓氣機運行期間的各項性能將會受到直接影響，影響設備發電效果。為了保障重型燃機壓氣機運行性能，需要在燃氣機通用特性曲線上表明喘振邊界線，喘振情況與重型汽輪機系統實際運行狀態密切相關。

確定重型燃機壓氣機運行工況時，應保障壓氣機在透平運行狀態，燃氣溫度處于穩定[6]。設置壓氣曲線、燃氣初溫等溫線，確保等溫線可成為透平燃氣初溫恒定值、燃氣運行工況線。設定各等折合轉速線交點，確定更適宜的重型壓氣機運行狀態工況點。

在運行工況發生明顯改變的情況下，燃氣的初始溫度保持固定，透平進氣燃氣溫度應始終維持在原有狀態。設置壓氣機空氣流量值、燃料流量值，計算出燃燒室能量平衡度。在確定透平燃氣初溫變化、運行工況點時，需要在計算等折和轉數曲線，明確空氣流量、壓鼻、壓氣機進口空氣溫度值。如燃氣溫度數值明確，可利用燃燒室能量平衡值，計算得到實際燃料量。在計算所得的燃料量與燃氣透平進口壓力值保持一致的情況下，可認為該點是壓氣機實際運行期間的工況點。

3.2 重型燃機壓氣機運行穩定性

繪制重型燃機壓氣機的通用特性曲線，重型燃機壓氣機主要負責燃氣啟動與停止、燃氣負荷控制、穩定頻率等職責，需要在實際運行期間滿足發電電站功率要求，防止出現燃機壓氣機超載問題，對壓氣機內部故障進行快速反應。

IGV溫度控制器可調節燃氣輪機的排氣溫度值，通過調整進口導向器，可使燃氣室空氣溫度達到最佳狀態。在壓氣機內存在一個從屬位置控制開關，可通過輸出信號函數控制IGV角度，并將此角度作為判斷重型燃機壓氣機運行穩定性的重要依據。

為了保障重型燃機壓氣機運行安全，在不同進氣條件下，部分壓氣機的IGV角度值需要始終處于設定范圍期間，以控制最大角度限制。如果出現IGV顯變化的情況下，壓比與效率會進行相應改變，需要結合重型燃機壓氣機實際運行狀態，將IGV角度控制在合理范圍之內。

進氣溫度可對重型燃機壓氣機通用特征曲線造成明顯影響，依照建立的特性模型可知，在進口處溫度不斷升高的情況下，壓氣機通用特性將會向左下方移動，壓氣機效率下降。依照理想氣體常數與定壓比熱修正結果，發現在潮濕空氣中氣體常數大于干燥空氣中氣體常數的情況下，重型燃機壓氣機的折合轉速降低，特征曲線向左下移動。

4 結語

重型燃機壓氣機性能、穩定性，可直接影響電廠發電水平，為了分析不同進氣條件下重型燃機壓氣機形成特征，需要構建重型燃機壓氣機性能模型，繪制相應的壓氣機特征曲線，借助IGV角度、進氣溫度等參數數值，得到重型燃氣輪機壓氣機穩定性能。應不斷完善重型燃機壓氣機內部結構，從根本上降低重型燃機壓氣機故障問題發生概率，確保重型燃氣壓氣機可在電廠運行過程中發揮重要作用。