9E燃氣輪機的壓氣機控制和保護

摘 要：燃氣輪機是現(xiàn)代工業(yè)重要的動力設(shè)備，燃氣輪機的開發(fā)研制工作事關(guān)工業(yè)經(jīng)濟，特別是裝備工業(yè)的健康發(fā)展，對于國家國民經(jīng)濟總體發(fā)展都有著至關(guān)重要的影響。壓氣機是燃氣輪機的關(guān)鍵部分，也是開發(fā)燃氣輪機的基礎(chǔ)和前提。文章圍繞9E燃氣輪機的壓氣機控制和保護有關(guān)問題進行探討，首先介紹了軸流式壓氣機的功能與特性，其次對9E燃氣輪機壓氣機啟動過程進行了分階段分析、描述，最后對9E壓氣機的控制和保護技術(shù)措施進行了闡述和說明，對于優(yōu)化燃氣輪機壓氣機設(shè)計，提高壓氣機開發(fā)性能質(zhì)量有著一定參考作用。

關(guān)鍵詞：燃氣輪機；軸流式壓氣機；特性曲線；啟動過程；運行保護

引言

現(xiàn)代社會，機械化大生產(chǎn)成為社會生產(chǎn)活動的主流方式，機械設(shè)備廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，作為熱力發(fā)動機的主要種類，燃氣輪機在國民經(jīng)濟建設(shè)發(fā)展、國防安全等各個方面發(fā)揮出極為重要的作用，高性能燃氣輪機的開發(fā)生產(chǎn)一直以來都是國家發(fā)展工業(yè)所必須跨過的門檻。壓氣機是燃氣輪機的組成要素之一，其性能水平對于燃氣輪機的輸出功率、效率、運行可靠性和維修特性等方面有著直接且重要的影響。開發(fā)新型燃氣輪機，首先要進行新型壓氣機的開發(fā)設(shè)計。大流量、高壓比、高效率是當前壓氣機開發(fā)工作的主要方向。一般情況下，新型壓氣機的研制工作多數(shù)采用對原有型號進行設(shè)計優(yōu)化、放大、加級的方法來完成。

1 軸流式壓氣機的功能與特性分析

燃氣輪機是熱力發(fā)動機的一種主要類型，它使用連續(xù)流動的氣體作為工質(zhì)進行能量傳遞，通過高溫高壓氣流推動汽輪做功，實現(xiàn)熱能向機械能的轉(zhuǎn)換。在這個過程中，壓氣機作為工質(zhì)來源，將高壓空氣持續(xù)輸送至燃燒室，從而實現(xiàn)布雷頓循環(huán)的吸氣增壓過程。壓縮空氣進入燃燒室后與燃料混合劇烈燃燒，溫度和壓力急劇增大，燃燒后的燃氣進入透平，膨脹做功，推動壓氣機和外負荷轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動做功，從而完成一個完整的簡單循環(huán)。從上述討論可以看到，壓氣機的工作動力也來源與透平，是透平負載因子之一。實際上，在透平負載中，壓氣機消耗的能量占據(jù)著很大比例，約占透平負載的三分之二左右。作用于外部載荷的功僅占三分之一，這部分功稱之為有用功。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，近代大功率燃氣輪機普遍采用多級軸流式壓氣機技術(shù)，該項技術(shù)工作連續(xù)性好，供氣量較大，具有高壓比、壓縮效率高的特點。因此，9E燃氣輪機也采用了該項技術(shù)進行設(shè)計。需要注意的是，在進行多級軸流式壓氣機設(shè)計時，是按照設(shè)計條件進行設(shè)計的，但實際工作中，壓氣機的工作條件并非一直處于設(shè)計條件下，屬于非設(shè)計工況。非設(shè)計工況又稱之為變工況，具體可以分為平衡工況和不平衡工況兩種。其中平衡工況指的是燃氣輪機穩(wěn)定工況，即燃氣輪機處于全速空載、部分負荷、基本負荷下的工況條件，而不平衡工況則指的是燃氣輪機處于過渡階段的工況條件，主要包括燃氣輪機啟動、停機以及負荷升高、降低的過程中的工況。燃氣輪機平衡工況的幾大特征是功率平衡、工質(zhì)流量平衡、壓力平衡以及轉(zhuǎn)速平衡。

2 9E燃氣輪機壓氣機啟動過程技術(shù)分析

燃氣輪機的啟動是一個過程狀態(tài)，在這個過程中，機組轉(zhuǎn)速從零開始逐漸加速，一直到全速空載、并網(wǎng)，且?guī)е粱矩摵?。下面以用輕油作燃料的燃氣輪機為例對燃氣輪機啟動過程進行分析。

2.1 冷態(tài)加速階段

這是燃氣輪機啟動的第一步，首先有啟動設(shè)備驅(qū)動燃氣輪機進行冷加速，待轉(zhuǎn)速達到一定標準后，啟動邏輯繼電器，開始清吹作業(yè)，與此同時，轉(zhuǎn)速保持上升態(tài)勢，但加速度開始下降，直至轉(zhuǎn)速降低，整個清吹過程維持2.1分鐘。

2.2 熱態(tài)加速階段

轉(zhuǎn)速達到一定標準后，進入點火作業(yè)。向燃燒室噴入燃料，并點火燃燒。燃氣劇烈燃燒放出大量的熱，氣壓升高，推動燃氣輪機轉(zhuǎn)速上升，直至達到脫扣轉(zhuǎn)速。這個過程稱之為熱態(tài)加速階段。首先是燃料經(jīng)由噴嘴進入燃燒室點火燃燒，機組開始暖機，燃料行程基準FSR降至暖機值，同時供油量下降，機組轉(zhuǎn)速下降趨勢減緩，轉(zhuǎn)速隨之開始上升。持續(xù)暖機60秒后，F(xiàn)SR開始下降，隨后又變大。成功點火后，燃氣輪機入口區(qū)域的溫度立即上升，出現(xiàn)輸出功率，壓氣機啟動過程特性線出現(xiàn)拐點，其后呈上升趨勢。

2.3 自升速階段

從機組達到脫扣轉(zhuǎn)速到進入全速空載這一過程是燃氣輪機啟動的自升速階段。在這個過程中，燃氣輪機依靠自身進行加速。待燃氣輪機的校正轉(zhuǎn)速n超過IGV（可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉溫度控制）開啟點之后，IGV開大，迅速升至IGV最小全速角57°。從壓氣機特性曲線上可以看到，曲線向右上方延伸，說明壓氣機喘振邊界線朝著流量增大的方向變動。

2.4 并網(wǎng)升負荷階段

這個階段以發(fā)電機并網(wǎng)為起點，以機組負荷達到基本負荷為終點。發(fā)電機并網(wǎng)后，系統(tǒng)關(guān)閉防喘放氣閥，由此導(dǎo)致位于放氣閥前面的增壓極空氣流量下降，壓氣機喘振邊界線向右移動。

3 9E壓氣機的控制和保護技術(shù)

9E壓氣機的控制和保護主要體現(xiàn)在對IGV和防喘放氣閥的控制以及對壓氣機運行的限制保護和對機組的遮斷保護方面。

3.1 IGV控制分析

燃氣輪機未啟動時，轉(zhuǎn)速較小，機內(nèi)通道氣體流動緩慢，無法滿足燃燒室內(nèi)燃料潮濕需求，導(dǎo)致有效功功率低，必須在外部啟動設(shè)備的幫助下才能使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速達到脫扣轉(zhuǎn)速程度。9E燃氣輪機在啟動時，通過將IGV角度維持在34°，控制氣體流速，使得壓氣機功耗降低，從而減輕了對啟動設(shè)備功率的需求，同時也使得壓氣機喘振邊界線流量減小的方向變動，提高了壓氣機工作穩(wěn)定性。

3.2 防喘放氣閥控制分析

啟機并網(wǎng)前和停機解列后的兩個階段是壓氣機喘振現(xiàn)象最容易發(fā)生的時候。針對這個問題，9E壓氣機在第11級設(shè)置了4個防喘放氣閥，當燃氣輪機處于上述兩個階段時，防喘放氣閥全部開啟，空氣流量增加，大大降低了喘振現(xiàn)象的發(fā)生。

3.3 壓氣機運行限制保護分析

作為旋轉(zhuǎn)式動力機械，壓比限制值是軸流式壓氣機的一個關(guān)鍵性能參數(shù)。當壓氣機處于正常工作狀態(tài)下，實際壓比位于運行范圍內(nèi)，而當壓氣機處于非設(shè)計工況條件下時，其實際壓比就有超過壓比機械限制值的危險，一旦壓比超標，就會造成輪機葉片損壞，引發(fā)安全事故。導(dǎo)致壓比超過限制值的原因較多，比如環(huán)境氣溫、IGV角度、燃燒溫度、燃燒室注水等，都是造成壓比超標的常見因素。實際工作中要注意對上述因素的控制。

3.4 機組遮斷保護分析

遮斷保護是壓氣機的最后一道保護措施，在可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉溫度控制或防喘放氣閥控制失靈或達不到應(yīng)有效果的情況下發(fā)揮作用，以防止生產(chǎn)事故的發(fā)生，保證系統(tǒng)安全。

4 結(jié)束語

壓氣機工作質(zhì)量直接關(guān)系到燃氣輪機的運行安全與穩(wěn)定，加強壓氣機控制和保護，對于維護燃氣輪機長期高效安全運行具有十分重要的基礎(chǔ)保障作用。壓氣機喘振是燃氣輪機壓氣機的常見工作病害，其發(fā)生前沒有預(yù)兆，發(fā)生時迅速出現(xiàn)，危害重大，為減少喘振現(xiàn)象出現(xiàn)，以及減少因?qū)⑹軗p壓氣機轉(zhuǎn)子送國外原廠修復(fù)而造成的成本，切實做好壓氣機控制與保護勢在必行。使用單位要采取積極措施，不斷優(yōu)化燃氣輪機運行狀況，延長機組使用壽命，提高燃氣輪機運行經(jīng)濟效益，從而保障企業(yè)生產(chǎn)正常、穩(wěn)定、高效進行。

參考文獻

[1]鄭建濤.燃氣輪機壓氣機喘振及其控制算法[J].燃氣輪機技術(shù)，2009，22（2）：23-25.