軸流式煤氣壓縮機(jī)失速分析與對策

龐璨

（寶山鋼鐵股份有限公司，上海 201900）

某電廠一臺以高爐煤氣為主要燃料的燃?xì)? 蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組（CCPP）中，由于總管中的煤氣壓力較低，不滿足燃?xì)廨啓C(jī)的設(shè)計要求，故而設(shè)計安裝了一組煤氣壓縮機(jī)，包括1 臺軸流式低壓煤氣壓縮機(jī)和1 臺離心式高壓煤氣壓縮機(jī)，2 臺壓縮機(jī)串聯(lián)布置。在實際使用的過程中，軸流式煤氣壓縮機(jī)出現(xiàn)了失速現(xiàn)象，對機(jī)組運行造成極大影響。本文對此現(xiàn)象進(jìn)行分析，回顧了失速現(xiàn)象發(fā)生后的處理過程，總結(jié)了應(yīng)對煤氣壓縮機(jī)失速的對策。

1 失速的定義、產(chǎn)生原因及現(xiàn)象

壓縮機(jī)失速是壓縮機(jī)的流量與轉(zhuǎn)速在超過某個臨界條件的情況下，壓縮機(jī)內(nèi)的氣體與葉片之間的沖角超出限值，引起葉片尾部的氣流產(chǎn)生紊流和分離的現(xiàn)象。在此，需要注意失速與喘振之間的關(guān)系。失速相較于喘振，其外在表現(xiàn)較為緩和，不會出現(xiàn)流量、壓力、振動的大幅度劇烈波動，壓縮機(jī)仍可以在此條件下繼續(xù)運行。但如果不及時處理失速，任由其繼續(xù)發(fā)展造成流道堵塞，就極有可能引發(fā)喘振。

軸流式壓縮機(jī)的葉片一般為機(jī)翼形，當(dāng)氣體從葉片入口端進(jìn)入時，會沿著葉片上、下兩側(cè)的表面流動，因此在葉片兩側(cè)的區(qū)域內(nèi)，氣體呈現(xiàn)流線形特征。氣體以速度Cl 從上一級靜葉或進(jìn)口導(dǎo)葉流向動葉，動葉以圓周速度U1 繞壓縮機(jī)的軸心旋轉(zhuǎn)，C1 和U1 都是以地面為參照物測得的。若以動葉為基準(zhǔn)來觀察氣體流入的情況，則氣流速度已不是C1，而是相對速度W1，它等于C1 和U1 的向量差，這個相對速度與葉片之間的角度就是沖角。3 個速度組成的速度三角形如圖1 所示。

圖1 壓縮機(jī)氣體速度三角形

當(dāng)系統(tǒng)阻力或葉片角度發(fā)生變化時，氣體進(jìn)入方向會偏離葉片的進(jìn)口角，與其形成正沖角。若沖角數(shù)值超過某個極限值之后，葉片背部的氣體流動工況就會發(fā)生惡化，原本流線形的氣體層無法繼續(xù)維持，葉片上側(cè)的末端出現(xiàn)渦流。此時，氣流作用于葉片的升力降低、阻力增大，壓縮機(jī)的壓頭降低，進(jìn)入失速狀態(tài)。在整個葉輪范圍內(nèi)可能會出現(xiàn)一個或多個失速區(qū)域，每個失速區(qū)域都會沿著與葉輪旋轉(zhuǎn)方向相反的方向運動，稱之為旋轉(zhuǎn)失速。通過對軸流式風(fēng)機(jī)特性曲線的分析，可以得到以下結(jié)論：在同一葉片角度下，出口壓力越高，越容易發(fā)生失速；在同一出口壓力條件下，葉片開度越大，越容易發(fā)生失速。

當(dāng)葉片經(jīng)過失速區(qū)域時，會受到交變力的激振作用，導(dǎo)致葉片疲勞損傷。如果失速頻率與葉片頻率一致，葉片會產(chǎn)生共振，并可能在較短時間內(nèi)斷裂。同時，氣體渦流會產(chǎn)生較大的噪聲，影響壓縮機(jī)的振動，降低壓縮機(jī)出口的流量和壓力，壓縮機(jī)驅(qū)動設(shè)備（如電機(jī)）的負(fù)荷也會降低。

2 最早在失速的控制方法及研究方向

鑒于壓縮機(jī)失速現(xiàn)象對設(shè)備壽命和安全生產(chǎn)形成的極大危害，必須在壓縮機(jī)設(shè)計、制造、安裝、調(diào)試、使用和維護(hù)方面控制失速現(xiàn)象的發(fā)生，目前已有一些較為通用的分析、預(yù)防和處理失速的方法。主要包括以下4 個方面。

（1）在壓縮機(jī)的設(shè)計、制造和安裝環(huán)節(jié)，應(yīng)合理設(shè)計機(jī)械結(jié)構(gòu)，使壓縮機(jī)在目標(biāo)工況下具有足夠的失速裕度；正確安裝葉片等部件，防止因安裝誤差導(dǎo)致失速。

（2）在運行和維護(hù)過程中，應(yīng)盡量使壓縮機(jī)運行在設(shè)計工況中，避免過快的調(diào)節(jié)運行參數(shù)；注意定期維護(hù)壓縮機(jī)及相關(guān)設(shè)備，必要時進(jìn)行改造，防止系統(tǒng)阻力增加。

（3）在出現(xiàn)失速現(xiàn)象后，要根據(jù)壓縮機(jī)的壓力、流量、振動、噪聲和電流等參數(shù)，及時準(zhǔn)確地進(jìn)行判斷，并迅速采取降低系統(tǒng)阻力、降低壓縮機(jī)負(fù)荷等手段，使之脫離失速狀態(tài)。

（4）采用基于差壓檢測的失速監(jiān)測裝置，可以在線監(jiān)測壓縮機(jī)是否處于失速狀態(tài)，便于在第一時間發(fā)現(xiàn)和處理，降低可能的損失。

3 煤氣壓縮機(jī)相關(guān)工藝系統(tǒng)簡介

某電廠裝備的CCPP 發(fā)電機(jī)組采用高爐煤氣作為主要燃料，由于煤氣管網(wǎng)壓力達(dá)不到燃機(jī)設(shè)計要求，故配備了1 臺軸流式低壓煤氣壓縮機(jī)和1 臺離心式高壓煤氣壓縮機(jī)。

常溫常壓的煤氣先后經(jīng)低壓煤壓機(jī)、高壓煤壓機(jī)做2 次升壓，最后與空氣在燃燒器中燃燒。與煤氣壓縮機(jī)密切相關(guān)的閥門主要包括低壓煤壓機(jī)防喘振閥（V1，下同）、高壓煤壓機(jī)防喘振閥（V2，下同）和煤氣旁路閥（V3，下同），如圖2 所示。

圖2 煤氣系統(tǒng)工藝簡圖

該發(fā)電機(jī)組通過廠內(nèi)輔助蒸汽帶動汽輪機(jī)，將燃機(jī)轉(zhuǎn)速提升到點火轉(zhuǎn)速，而后使用輕油作為燃料提升至額定轉(zhuǎn)速并關(guān)閉V3 之后，兩臺煤壓機(jī)才投入運行，V1 和V2 逐漸關(guān)閉，機(jī)組負(fù)荷逐漸上升至額定負(fù)荷。而在機(jī)組停機(jī)時，機(jī)組負(fù)荷降至一定程度后，在額定轉(zhuǎn)速上直接脫扣。由此可見，煤壓機(jī)始終工作在軸系的額定轉(zhuǎn)速上，不存在任何降低轉(zhuǎn)速的可能，這與其它應(yīng)用場景中的壓縮機(jī)或風(fēng)機(jī)有著明顯的區(qū)別。

4 煤氣壓縮機(jī)失速及處理過程

該發(fā)電機(jī)組在2017 年6 月14 日和22 日的兩次啟動過程中，均出現(xiàn)了低壓煤壓機(jī)振動異常升高的現(xiàn)象。在這兩次啟動過程中，只有低壓煤壓機(jī)前后軸承測點的振動發(fā)生較大的變化，其余測點的振動則保持正常（與低壓煤壓機(jī)相鄰的高壓煤壓機(jī)和齒輪箱軸承振動略有上升）。因此，可以判斷這種振動是由于低壓煤壓機(jī)本身引起的。該煤壓機(jī)是一臺軸流式壓縮機(jī)，根據(jù)其特性，造成振動的最主要因素有失速和喘振。從當(dāng)時的現(xiàn)象來看，低壓煤壓機(jī)發(fā)生振動時，其出口壓力和喉部差壓有一定程度的下降，并在這種狀態(tài)下持續(xù)運行了5 分鐘以上。因此，可以判斷低壓煤壓機(jī)發(fā)生了失速，而不是喘振。兩次振動異常的具體過程如下。

4.1 第一次失速（6 月14 日）

0：35：25， 機(jī)組處于正常啟動狀態(tài)，負(fù)荷指令59.81MW，實際負(fù)荷60.14MW，煤氣流量226.87kNm3/h，高壓煤壓機(jī)防喘振閥（V2，下同）指令22.7%，低壓煤壓機(jī)入口導(dǎo)葉（IGV，下同）開度40.3°、防喘振閥（V1，下同）指令0.07%、出口壓力289.64kPa、喉部差壓4.46kPa、前部軸承振動16.93μm、后部軸承振動8.33μm。

0：35：50，低壓煤壓機(jī)前、后部軸承振動突升，出口壓力和喉部差壓有所下降，負(fù)荷指令59.81MW，實際負(fù)荷56.42MW，煤氣流量224.21kNm3/h，V2 指 令22.51%，IGV開度40.31°、V1 指令0.07%、出口壓力283.90kPa、喉部差壓4.19kPa、前部軸承振動49.67μm、后部軸承振動31.87μm。

0：40：55，機(jī)組負(fù)荷指令從59.81MW 降低至55.15MW，負(fù)荷指令55.15MW，實際負(fù)荷60.58MW，煤氣流量218.15kNm3/h，V2 指令22.45%，IGV 開度39.71°、V1 指令0.07%、出口壓力283.01kPa、喉部差壓4.10kPa、前部軸承振動54.37μm、后部軸承振動34.57μm。

0：42：02，低壓煤壓機(jī)前、后部軸承振動降低至正常水平，負(fù)荷指令55.15MW，實際負(fù)荷56.56MW，煤氣流量217.12kNm3/h，V2 指令23.91%，IGV 開度41.35°、V1 指令0.09%、出口壓力290.14kPa、喉部差壓4.06kPa、前部軸承振動17.28μm、后部軸承振動9.13μm。

4.2 第二次失速（6 月22 日）

0：57：20， 機(jī)組處于正常啟動狀態(tài)，負(fù)荷指令64.11MW，實際負(fù)荷58.32MW，煤氣流量223.96kNm3/h，V2指令23.22%，IGV 開度38.75°、V1 指令0.12%、出口壓力282.61kPa、喉部差壓4.23kPa、前部軸承振動10.58μm、后部軸承振動9.75μm。

0：57：38，低壓煤壓機(jī)前、后部軸承振動突升，出口壓力和喉部差壓有所下降，負(fù)荷指令64.11MW，實際負(fù)荷57.66MW，煤氣流量224.48kNm3/h，V2 指 令23.59%，IGV開度38.85°、V1 指令0.12%、出口壓力278.95kPa、喉部差壓3.99kPa、前部軸承振動49.53μm、后部軸承振動33.63μm。

1：02：21，切換高壓煤壓機(jī)防喘振控制系統(tǒng)響應(yīng)線，V2指令下降，負(fù)荷指令64.11MW，實際負(fù)荷58.25MW，煤氣流量216.87kNm3/h，V2 指令17.26%，IGV 開度41.81°、V1指令0.21%、出口壓力300.96kPa、喉部差壓4.10kPa、前部軸承振動62.00μm、后部軸承振動42.46μm。

1：02：28，機(jī)組負(fù)荷指令從64.11MW 降低至55.15MW，負(fù)荷指令55.15MW， 實際負(fù)荷60.76MW， 煤氣流量223.91kNm3/h，V2 指令17.23%，IGV 開度41.66°、V1 指令0.06%、出口壓力297.10kPa、喉部差壓4.33kPa、前部軸承振動58.28μm、后部軸承振動39.29μm。

1：04：51，低壓煤壓機(jī)前、后部軸承振動降低至正常水平，負(fù)荷指令55.15MW，實際負(fù)荷58.16MW，煤氣流量197.33kNm3/h，V2 指令19.78%，IGV 開度33.31°、V1 指令0.11%、出口壓力238.07kPa、喉部差壓3.10kPa、前部軸承振動10.48μm、后部軸承振動9.17μm。

4.3 兩次失速過程之間的異同

從上述過程可以看到，兩次失速均發(fā)生在軸流式的低壓煤壓機(jī)上。發(fā)生失速時，低壓煤壓機(jī)的出口壓力和喉部差壓均有所下降，表明當(dāng)時低壓煤壓機(jī)的通流能力的確有所降低，之后隨著IGV 的自動調(diào)節(jié)，壓力和差壓又逐漸恢復(fù)。但失速之后發(fā)生的軸承振動現(xiàn)象，一直到機(jī)組負(fù)荷降低后才消失。

但在第二次失速過程中，除了降低機(jī)組負(fù)荷之外，還采取了切換高壓煤壓機(jī)防喘振系統(tǒng)響應(yīng)線，進(jìn)而降低高壓煤壓機(jī)防喘振閥指令的措施。在采取這一措施之后，低壓煤壓機(jī)的振動逐漸下降，表明這一措施能夠有效地抑制低壓煤壓機(jī)的失速現(xiàn)象。

5 煤氣壓縮機(jī)失速原因分析及對策

5.1 失速過程與正常啟動過程的對比

通過與機(jī)組正常啟動狀態(tài)的比較，可以發(fā)現(xiàn)，在這兩次失速之前，V2 的指令較高、IGV 的開度較大、出口壓力較大，見表1。IGV 的角度和出口壓力實際上代表了壓縮機(jī)的葉片角度和系統(tǒng)阻力，也就是說，低壓煤壓機(jī)在出現(xiàn)失速之前，葉片的角度和系統(tǒng)的阻力相對較大。

5.2 失速原因分析

通過對比數(shù)據(jù)，可以得出低壓煤壓機(jī)發(fā)生失速的直接原因是IGV 角度相對較大，出口壓力（即系統(tǒng)阻力）相對較大，導(dǎo)致煤壓機(jī)工作點進(jìn)入失速區(qū)域。

表1 失速過程與正常啟動過程對比

對于IGV 來說，其控制目標(biāo)是通過調(diào)節(jié)IGV 的角度來調(diào)節(jié)煤氣的流量，并最終響應(yīng)機(jī)組負(fù)荷指令的要求。在整個機(jī)組運行的過程中，IGV 的角度控制均為自動狀態(tài)，由DCS 系統(tǒng)根據(jù)負(fù)荷指令進(jìn)行調(diào)節(jié)。從表1 的數(shù)據(jù)中可以看出，6 月14 日和22 日兩次啟動過程中，IGV 的開度比4 月17 日的相對較大，但煤氣流量卻基本持平甚至更低一些。從中可以看出，低壓煤壓機(jī)的通流能力在兩個月的時間內(nèi)有所下降。這是因為煤氣中的煙塵、焦油等雜質(zhì)在葉片上的積聚造成的，見圖3。為了維持一定的煤氣量，IGV 必須開得更大。因此，煤氣中的雜質(zhì)在低壓煤壓機(jī)葉片上的積聚，導(dǎo)致通流能力下降，是導(dǎo)致低壓煤壓機(jī)失速的原因之一。

對于系統(tǒng)阻力，在本機(jī)組中，低壓煤壓機(jī)的出口是中間冷卻器、高壓煤壓機(jī)和1 根從V2 回流的管道。因此，對于低壓煤壓機(jī)來說，其系統(tǒng)阻力主要來自于中間冷卻器、高壓煤壓機(jī)以及V2 回流煤氣。其中，中間冷卻器的阻力主要來自于其中的管路，如發(fā)生冷卻器漏水，其阻力會隨之上升。但考慮到從4 月17 日以來并未發(fā)現(xiàn)冷卻器漏水，因此可以排除這一設(shè)備造成阻力升高的可能。高壓煤壓機(jī)的阻力則由其內(nèi)部型式?jīng)Q定，由于其內(nèi)部葉片均是固定不可調(diào)式，且此段煤氣因溫度較高，很難在葉片上產(chǎn)生積垢，故也排除在外。V2 回流煤氣來自于高壓煤壓機(jī)出口，其壓力遠(yuǎn)高于低壓煤壓機(jī)的出口壓力。因此這股回流的煤氣必然會抬高低壓煤壓機(jī)出口管路的壓力，造成低壓煤壓機(jī)系統(tǒng)阻力增加，增加的程度隨著V2 開度增大而增大。從失速過程的數(shù)據(jù)以及表1 可以看出，低壓煤壓機(jī)發(fā)生振動時，V2 開度明顯高于振動發(fā)生之前，也比4 月17 日明顯偏高，由此帶來的阻力必然也更高。而V2 開度是根據(jù)高壓煤壓機(jī)的運行工況，由防喘振控制裝置自動調(diào)節(jié)的。該裝置中應(yīng)用了兩組防喘振響應(yīng)線，分別對應(yīng)機(jī)組啟動和正常運行的狀態(tài)。其中，應(yīng)用于機(jī)組啟動的響應(yīng)線更加遠(yuǎn)離喘振線，故而在同等條件下，其喘振裕度相對較低，V2 的開度相應(yīng)較高。一直以來，兩組響應(yīng)線的切換觸發(fā)點均為V2 全關(guān)。所以，在失速發(fā)生時，高壓煤壓機(jī)防喘振控制裝置使用了機(jī)組啟動的響應(yīng)線，造成V2 開度相對較大。因此，V2 開度偏大，也是引起低壓煤壓機(jī)失速的原因之一。

圖3 低壓煤壓機(jī)葉片上的積垢

綜上所述，低壓煤壓機(jī)發(fā)生失速的原因是由于煤氣質(zhì)量較低，導(dǎo)致低壓煤壓機(jī)葉片積垢，引起其通流能力下降，加上高壓煤壓機(jī)防喘振控制裝置的響應(yīng)線設(shè)置導(dǎo)致V2 開度相對較大，使得低壓煤壓機(jī)的葉片角度和系統(tǒng)阻力相對提高，最終引起失速現(xiàn)象的發(fā)生。

5.3 對策

由于IGV 始終為DCS 系統(tǒng)自動控制，無法手動操作，故在本機(jī)組中無法采用人工調(diào)節(jié)IGV 的方式來防止失速。對于因煤氣質(zhì)量導(dǎo)致的葉片積垢，在外來煤氣質(zhì)量得到根本改善之前，這個問題只能依靠在機(jī)組停機(jī)檢修時，對葉片進(jìn)行清洗的被動處理方法。

對于V2 開度，在對相關(guān)趨勢記錄進(jìn)行了分析后可以得知，在失速發(fā)生之前，V2 處于20%～25%的開度范圍內(nèi)的時間可達(dá)20 ～30min。這表明，在這段時間內(nèi)，高壓煤壓機(jī)的喘振裕度一直維持在同一個水平上，工況比較穩(wěn)定，具備防喘振響應(yīng)線切換的條件。而在V2 開度穩(wěn)定在20%～25%后切換響應(yīng)線，就會使喘振裕度上升，V2 的開度便可以減小，從而降低回流煤氣對低壓煤壓機(jī)出口壓力的影響。因此，提前將高壓煤壓機(jī)的防喘振響應(yīng)線切換到正常運行的狀態(tài)，可以有效減少低壓煤壓機(jī)出口管道中的壓力，進(jìn)而減小低壓煤壓機(jī)出現(xiàn)失速的可能性。

6 結(jié)語

低壓煤壓機(jī)的失速現(xiàn)象對發(fā)電機(jī)組的正常啟動造成極大的影響，使得機(jī)組負(fù)荷無法繼續(xù)上升，啟動程序無法結(jié)束，尤其是6 月14 日的啟動更是以失敗告終。通過對異?，F(xiàn)象的分析整理以及對壓縮機(jī)原理的解讀，最終找到了失速的原因，基于現(xiàn)有條件提出并驗證了解決的辦法，取得了良好的效果。自2017 年6 月22 日啟動至今，該機(jī)組在歷次（共7 次）啟動過程中未發(fā)生低壓煤壓機(jī)失速現(xiàn)象。但是，由于沒有配置失速監(jiān)測裝置，無法提前預(yù)知失速的發(fā)生，使得現(xiàn)場設(shè)備管理人員只能被動應(yīng)對壓縮機(jī)失速，不利于設(shè)備的長期穩(wěn)定運行。因此，下一步有必要研究增加針對煤氣壓縮機(jī)失速的監(jiān)測功能，做到提前預(yù)警、提前處置，杜絕失速現(xiàn)象的發(fā)生。