9E燃機(jī)壓氣機(jī)防喘設(shè)備及其故障分析與處理

陳義兵

（江蘇國信淮安燃?xì)獍l(fā)電有限責(zé)任公司，江蘇淮安223002）

1.引言

對于9E燃?xì)鈮簹鈾C(jī)而言，它是我國從美國引進(jìn)的一種機(jī)組設(shè)備，這一設(shè)備具有重載式、單軸式以及快裝式的特點。這一設(shè)備運(yùn)行的主要機(jī)理大致如下：首先是由軸流式壓氣機(jī)對外界的空氣進(jìn)行一定程度上的吸收，當(dāng)吸收到了足夠的空氣之后，內(nèi)部的壓力就會有所增加。而在這種情況之下，空氣的溫度也隨之發(fā)生一定程度上的升高，在這種情況之下，壓送到燃燒室的空氣與噴嘴中的天然氣發(fā)生一定程度上的混合并燃燒，這樣一來就形成了溫度與壓力都相對較高的燃?xì)?，然后通過渦輪機(jī)膨脹做功。當(dāng)壓氣機(jī)處于運(yùn)行的狀態(tài)之下，如果進(jìn)入到壓氣機(jī)中的空氣流量出現(xiàn)一定程度上的減少，且逐漸減少并達(dá)到了某一個數(shù)值的時候，壓氣機(jī)的穩(wěn)定性就會遭到破壞。在這種情況之下，壓氣機(jī)中的空氣會產(chǎn)生較為強(qiáng)烈的脈動，與此同時壓力也會隨之產(chǎn)生較大程度上的波動，進(jìn)而促使壓氣機(jī)產(chǎn)生相對劇烈的振動，我們將這匯總現(xiàn)象稱之為壓氣機(jī)的喘振。防喘系統(tǒng)是9E燃機(jī)壓氣機(jī)中的重要組成部分，因為它運(yùn)行的是否正常將會對整個燃?xì)鈾C(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行造成較大程度上的影響。就目前狀況而言，9E燃機(jī)壓氣機(jī)防喘設(shè)備在運(yùn)行的過程之中，較常發(fā)生的故障主要表現(xiàn)在兩個方面，一方面為旋轉(zhuǎn)導(dǎo)葉動作延遲；另一方面主要表現(xiàn)為防喘導(dǎo)葉的防喘放氣閥打開延遲。而這些故障的存在將會直接導(dǎo)致機(jī)組的跳閘，需要采取有效措施進(jìn)行及時解決。

2.壓氣機(jī)的喘振

一般情況下，在壓氣機(jī)運(yùn)行的過程之中，如果進(jìn)入壓氣機(jī)的空氣容積流量出現(xiàn)一定程度上的減少，且逐漸減少并達(dá)到了某一個數(shù)值的時候，壓氣機(jī)的穩(wěn)定性就會遭到破壞。在這種情況之下，壓氣機(jī)中的空氣會產(chǎn)生較為強(qiáng)烈的脈動，與此同時壓力也會隨之產(chǎn)生較大程度上的波動，進(jìn)而促使壓力機(jī)產(chǎn)生相對劇烈的振動，我們將這匯總現(xiàn)象稱之為壓氣機(jī)的喘振。在壓氣機(jī)發(fā)生喘振之時，壓氣機(jī)仍然然保持著一定的轉(zhuǎn)動速度，而當(dāng)流量發(fā)生一定程度的減小時，氣流速度就會隨之下降，隨機(jī)就會產(chǎn)生正沖角，但是如果這一沖角較大，就會隨之出現(xiàn)二檔氣流分離狀況，這一狀態(tài)被我們稱之為失速現(xiàn)象，具體情況見圖1所示。當(dāng)處于失速現(xiàn)象之下，氣流的轉(zhuǎn)折角會出現(xiàn)一定程度上的增加，同時由于扭速與轉(zhuǎn)折角具有正比例關(guān)系，因此它也會隨著轉(zhuǎn)折角的增加而增加，進(jìn)而導(dǎo)致葉柵通道中沿氣流方向的壓力梯度增大。而氣流拐彎會產(chǎn)生一定的離心力場，這一離心力場的存在進(jìn)一步加劇了葉背的氣流分離。

在上圖中，u主要指的是動葉的速度，w指的是氣流相對動葉速度，i為沖角，而c則是氣流速度。

3.壓氣機(jī)防喘振措施

3.1 對IGV進(jìn)行有效設(shè)置

通過對壓氣機(jī)中的IGV進(jìn)行有效的設(shè)計，能夠在一定程度上促使葉片的角度發(fā)生相應(yīng)的改變。圖2顯示的主要是口導(dǎo)葉旋轉(zhuǎn)時工作葉片入口氣流沖角變化情況：

當(dāng)其以較低的速度進(jìn)行轉(zhuǎn)動時，前幾級就會出現(xiàn)相對過大的正沖角，而如果對導(dǎo)葉的角度進(jìn)行一定程度上的減小，就會進(jìn)一步促使葉柵進(jìn)口的絕對速度流入角也隨之減小，這樣一來就可以對偏離設(shè)計值的正沖角進(jìn)行有效的消除，并在此基礎(chǔ)之上對壓氣機(jī)低速區(qū)的穩(wěn)定工作范圍進(jìn)行一定程度上的擴(kuò)大。從實際情況來看，當(dāng)壓氣機(jī)處于低速運(yùn)轉(zhuǎn)的狀態(tài)之下，其前幾級是最為容易進(jìn)入到喘振工況當(dāng)中的。一般情況下，將第一級進(jìn)口導(dǎo)葉設(shè)計成可以旋轉(zhuǎn)的。

除此之外，對于可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉而言，我們在其根部還進(jìn)行了關(guān)于小齒輪的設(shè)置，通過轉(zhuǎn)動這些小齒輪就可以拉動導(dǎo)葉角度發(fā)生一定程度上的轉(zhuǎn)變，而液壓控制油動機(jī)操縱能夠?qū)?dǎo)葉動作造成一定程度上的影響。在這種情況之下，如果燃機(jī)的轉(zhuǎn)動速度逐漸升高并且升高到一定程度達(dá)到了固定值時，就達(dá)到了額定轉(zhuǎn)速的95%之前，此時，第1級進(jìn)口可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉的角度將保持一定的一致性，大約為34°左右；而當(dāng)機(jī)組的轉(zhuǎn)速已經(jīng)達(dá)到了額定速度的95%之時，可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉的角度就會迅速擴(kuò)大，達(dá)到57°左右。一般情況之下，直到負(fù)荷達(dá)到了33%左右，IGV才繼續(xù)打開，在負(fù)荷55%左右時IGV全部打開至84°。

3.2 中間放氣

對于放氣而言，它主要指的是從多級軸流式壓氣機(jī)通流部分中間的1個或者幾個截面將空氣引出，并將引出的空氣向大氣中進(jìn)行排出。圖3顯示的主要是中間放氣時壓氣機(jī)工作點的變化情況：

從上圖中，我們可以了解到如果壓氣機(jī)的工作點進(jìn)入到不穩(wěn)定邊界時，在這種情況之下放氣系統(tǒng)就會打開。而在此時前幾級的容積流量就會出現(xiàn)一定程度上的增加，與之相對應(yīng)的軸向速度以及流量系數(shù)也會隨之出現(xiàn)一定程度上的增加，這樣一來，就可以對因為沖角過大而引起的失速或者發(fā)生喘振的可能性進(jìn)行有效的消除。當(dāng)前幾級的工作條件得到改善之后，末級的空氣密度就會出現(xiàn)一定程度上的增加，這樣末級的流動條件也會得到一定程度上的改善。

在實際情況中，當(dāng)機(jī)組在啟動時也有可能進(jìn)入到喘振工況當(dāng)中去，為了對其進(jìn)行有效的避免，我們還在壓氣機(jī)的第10級后布置了4個防喘放氣閥。從機(jī)組的啟動開始，一直到機(jī)組轉(zhuǎn)速升高到95%額定轉(zhuǎn)速之前，始終保證這四個防喘放氣閥處于開啟狀態(tài)，而當(dāng)其處于開啟狀態(tài)之下，燃機(jī)的運(yùn)行線將會遠(yuǎn)離壓氣機(jī)的喘振邊界線，這樣一來，機(jī)組的穩(wěn)定工作狀態(tài)就會得到一定程度上的擴(kuò)大。當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)速超過額定轉(zhuǎn)速的95%之后，防喘放氣閥就會自動關(guān)閉。

4.防喘設(shè)備的常見故障及其處理措施分析

一般情況之下，在9E燃?xì)鈾C(jī)的控制系統(tǒng)之中，如果基準(zhǔn)開度達(dá)到了57°時，且此時如果實際的轉(zhuǎn)動速度也不低于額定轉(zhuǎn)速的98%，那么在這種情況之下IGV開度小于52°時的燃機(jī)跳閘。而如果IGV實際開度小于基準(zhǔn)開度7.5°，延時5SIGV故障報警。IGV實際開度大于基準(zhǔn)開度差值7.5°，延時5s跳閘，并發(fā)IGV故障報警。

4.1 IGV動作延遲故障

某燃機(jī)發(fā)電廠的燃機(jī)在進(jìn)行啟動的過程之中因為存在著IGV故障，跳閘次數(shù)達(dá)到4次，具體的故障主要表現(xiàn)如下：當(dāng)燃?xì)鈾C(jī)啟動并處于升速的過程當(dāng)中，IGV的開啟十分緩慢，其難以進(jìn)行連貫的動作，最后會完全停止，停止的區(qū)間大致在40°～50°的范圍之內(nèi)。因此燃?xì)鈾C(jī)內(nèi)有達(dá)到52°以上，當(dāng)達(dá)到100%額定轉(zhuǎn)速之后，機(jī)組發(fā)生了跳閘現(xiàn)象。

針對這一故障，我們首先對其進(jìn)行了一定程度上的檢查，檢查的對象主要是液壓油油壓、液壓油濾網(wǎng)和伺服系統(tǒng)及其導(dǎo)葉執(zhí)行機(jī)構(gòu)，在對這幾個方面檢查之后，發(fā)現(xiàn)這幾個裝置均正常。然后我們又進(jìn)行了手動試驗，試驗結(jié)果為啟停IGV工作也正常，但是在液壓缸之內(nèi)，存在著較為特殊的喘流聲?；谶@一狀況，我們對液壓缸進(jìn)行了更換，并進(jìn)行了試驗。在更換之后，IGV導(dǎo)葉開始恢復(fù)正常工作，由此我們可以知道，液壓缸是導(dǎo)致IGV導(dǎo)葉難以及時開啟并達(dá)到57°的主要原因。

然后我們將更換下來的油缸進(jìn)行一定程度上的解體，然后對其外觀進(jìn)行了觀察，發(fā)現(xiàn)在油缸內(nèi)部的上下兩端存在著一定量的黑色機(jī)油，并在其中還尋在著一定的金屬顆粒。同時，活塞表面和缸體內(nèi)壁拉缸較為嚴(yán)重，在其表面存在著很多垂直方向的溝痕，有些較為嚴(yán)重溝痕的深度達(dá)到了0.2mm，并且單邊受力拉缸，由此我們可以看出在活塞上下移動的過程之中存在著一定程度上的偏心現(xiàn)象。當(dāng)活塞缸體與活塞桿的磨損出現(xiàn)進(jìn)一步的加劇之后，金屬顆粒會進(jìn)入到滑動間隙之中，活塞缸體摩擦力就出出現(xiàn)一定程度上的增加。在這種情況之下，原本存在于高壓側(cè)的液壓會繼續(xù)向低壓側(cè)進(jìn)行一定程度上的泄漏，此時液壓作用力就會出現(xiàn)一定程度上的降低。如果此時啟動機(jī)組，并在運(yùn)行的過程之中轉(zhuǎn)動速度逐漸增加并達(dá)到了85%的額定速度，在壓氣機(jī)之中已經(jīng)存在了較大的進(jìn)氣量，在此時進(jìn)口導(dǎo)葉存在了較大的風(fēng)阻力，再加之設(shè)備與設(shè)備之間的相互摩擦，這些因素綜合起來導(dǎo)致了IGV的開啟動作十分緩慢，嚴(yán)重時甚至出現(xiàn)了停止不動的狀況。而在進(jìn)行手動試驗的過程之中，IGV導(dǎo)葉并不存在著相應(yīng)的阻力，液壓缸面臨的主要問題主要是對設(shè)備與設(shè)備之間的摩擦力進(jìn)行有效克服，因此表現(xiàn)為動作正常。

對于燃機(jī)液壓油系統(tǒng)而言，其內(nèi)部的油主要來自于潤滑油系統(tǒng)，從實際情況來看，在運(yùn)行的過程之中經(jīng)常會出現(xiàn)液壓油濾網(wǎng)連續(xù)壓差高的狀況，這就說明油中仍然存在著一定的雜質(zhì)。目前狀況下，解決這一問題的主要措施是外接濾油系統(tǒng)對其進(jìn)行定期的濾油，并對潤滑油的油質(zhì)進(jìn)行有效的控制。除此之外，為了避免進(jìn)一步增加液壓缸的負(fù)荷，在平時進(jìn)行檢修的過程之中應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步加強(qiáng)檢查并潤滑液缸到可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉間的各個連接桿、連接齒輪，確保其完好且動作可靠。

4.2 防喘放氣閥打開延遲

4.2.1控制閥故障

對于控制防喘放氣閥開關(guān)而言，其壓力氣源主要來自于壓氣機(jī)的排氣，其這一壓力氣源主要是由排氣缸的底部向外排出的。如果經(jīng)常對其進(jìn)行水洗，這樣一來，一些水分會進(jìn)入到壓力氣源的管道之中，即使其內(nèi)部設(shè)置了隔離閥，但是此時無法完全對隔離閥中管路的積水進(jìn)行清理干凈，此時電磁閥仍然會受到一定程度上的干擾。對于這一電磁閥而言，其閥芯和閥座套之間的間隙相對較小，因此在經(jīng)常接觸水分的狀況之下就會出現(xiàn)閥芯、彈簧銹蝕的狀況，這樣一來，就有可能對其正常工作造成一定程度上的影響。在啟動的過程之中，電磁閥關(guān)閉只會對壓氣機(jī)的效率造成一定程度的影響，而不會影響到喘振。但是，如果是在停機(jī)的過程之中，一旦出現(xiàn)了電磁閥延遲動作，就會對防喘放氣閥的打開造成較大程度上的影響，這時燃機(jī)的運(yùn)行線將向壓氣機(jī)的喘振邊界線靠近，這是非常危險的。在控制系統(tǒng)之中，存在著如下的邏輯：在防喘放氣閥打開反饋信號延遲11S后機(jī)組跳閘。

目前狀況下，對于這一問題的解決措施主要如下：在電磁閥壓力氣源進(jìn)口管底部開一個放水堵頭，在每次對其進(jìn)行水洗之后，將管內(nèi)的積水放掉，并在檢修使其對閥門進(jìn)行一定程度上的解體，并將其中的各個部件清洗干凈。但是運(yùn)用這一方法難以對積水問題進(jìn)行徹底性的解決，針對這一情況，可以將壓力氣源從燃機(jī)的霧化空氣冷卻器后的管道進(jìn)行引出，這樣一來，就可以對水分進(jìn)入電磁閥的問題進(jìn)行有效的解決。在這種情況之下，壓力氣源溫度也會得到一定程度上的減少，進(jìn)而對電磁閥和防喘放氣閥的工況進(jìn)行合理而有效的改善。

為確保防喘放氣閥的動作可靠，可以對其增加儀用空氣系統(tǒng)，利用儀用空氣在開機(jī)前對放喘放氣閥進(jìn)行有效的機(jī)械動作試驗，可增加電磁閥和防喘放氣閥在開機(jī)過程中動作的可靠性，減少燃?xì)廨啓C(jī)的啟停過程的喘振，保證機(jī)組安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

4.2.2閥體安裝位置的影響分析

對于燃機(jī)而言，它是一種調(diào)峰機(jī)組，因此它必須具有啟動停止快速的特點，一般情況之下，一日內(nèi)對燃機(jī)進(jìn)行啟動停止是十分正常的現(xiàn)象，然而在這種情況之下閥門在一定的時間之內(nèi)溫度變化十分頻繁，其變化速度相對較快。

通常在初始安裝階段燃機(jī)放喘放氣閥是安裝在燃機(jī)間內(nèi)，由于燃機(jī)間運(yùn)行中規(guī)定不允許人員進(jìn)入，因此，不便于運(yùn)行操作與檢修維護(hù)。而在實際情況中，燃?xì)怆姀S為了操作與檢修維護(hù)方便將防喘放氣閥改裝到燃機(jī)間外面，由于閥門內(nèi)外溫差大，冷卻速度過快，導(dǎo)致閥門動靜間隙過小，動作緩慢，甚至閥門卡死。除此之外，周圍環(huán)境污染對放喘放氣閥的啟閉有一定的影響，容易造成防喘放氣閥彈簧、氣缸活塞、傳動機(jī)構(gòu)等就會出現(xiàn)一定程度上的銹蝕，從而對閥門的正常工作造成較大程度的影響。

針對這一問題，目前狀況下采取的主要解決措施：一是個對防喘放氣閥進(jìn)行有效的保溫；二是在放喘放氣閥周圍設(shè)置操作間；這樣，可以有效避免因為外界的氣流直吹而導(dǎo)致閥門冷卻過快和內(nèi)溫差過大的問題。

5.結(jié)束語

本文主要針對9E燃機(jī)壓氣機(jī)防喘設(shè)備及其故障分析與處理進(jìn)行研究與分析。首先對壓氣機(jī)的喘振進(jìn)行了一定程度上的闡述，然后在此基礎(chǔ)之上從對IGV進(jìn)行有效設(shè)置以及中間放氣兩個方面分析了壓氣機(jī)防喘振措施。最后重點闡述了IGV動作延遲故障以及防喘放氣閥打開延遲這兩種防喘設(shè)備的常見故障，并在此基礎(chǔ)之上對其處理措施進(jìn)行了介紹。

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