燃氣輪機壓氣機喘振監(jiān)測方法研究

張宏偉，陳 佩，王宏澤，隋永楓，辛小鵬

(1． 杭州汽輪動力集團有限公司， 杭州 310022;2． 杭州汽輪機股份有限公司， 杭州 310022)

1 壓氣機喘振

不穩(wěn)定流動對于壓氣機和燃氣輪機性能和壽命的影響，是燃氣輪機壓氣機設(shè)計時需要重點關(guān)注的問題。壓氣機不穩(wěn)定流動中影響最大的是失速和喘振，旋轉(zhuǎn)失速是壓氣機葉柵通道內(nèi)出現(xiàn)了低流量區(qū)，但通過壓氣機的平均流量不變。而喘振是與旋轉(zhuǎn)失速完全不同的另一種氣流脈動，喘振發(fā)生時壓氣機內(nèi)部氣流沿軸向發(fā)生脈動。

喘振理論主要是通過壓氣機及其工作時所在的管網(wǎng)系統(tǒng)(見圖 1)所發(fā)生的氣流穩(wěn)定性問題，管網(wǎng)系統(tǒng)包括前面的進氣道、進氣室和壓氣機，后面的壓氣機排氣管道和排氣室(體積較大的容器)。通常所有喘振分析的結(jié)果，結(jié)論基本是一致的，在壓氣機流量-壓比特性線上的斜率為零或接近于零的正斜率壓氣機工作點上，壓氣機所在的系統(tǒng)就變成不穩(wěn)定了。當(dāng)系統(tǒng)不穩(wěn)定時，系統(tǒng)的阻尼是負的，任何微小的干擾都將使振幅增長。在臨界點，阻尼為零。但是當(dāng)流量變化時，系統(tǒng)的阻尼也發(fā)生變化。即系統(tǒng)的阻尼決定于流量脈動時壓氣機特性線上瞬時工作點處的斜率。當(dāng)流量脈動的振幅變?yōu)橛邢薮笾?，用以確定穩(wěn)定性的線性理論不再適用，如果系統(tǒng)的非線性使振蕩的幅值增大到出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)振蕩的某個極限值，則由于不穩(wěn)定性的緣故就發(fā)生喘振，所得出的振蕩循環(huán)稱為“極限循環(huán)”[1]。

圖1 壓氣機管網(wǎng)系統(tǒng)示意圖

壓氣機喘振時，在軸流壓氣機等轉(zhuǎn)速線上，壓氣機減小流量，隨著失速區(qū)的進一步發(fā)展，壓氣機和管路中全部氣體的流量和壓力將周期性、低頻率、大幅度地上下波動。這種頻率低、幅度大的氣流脈動一經(jīng)產(chǎn)生，則流經(jīng)整個壓氣機的連續(xù)穩(wěn)定流動被完全破壞，通常伴隨有強烈的機械振動。燃氣輪機運行時，控制壓氣機的運行工況不發(fā)生不穩(wěn)定流動、不運行至壓氣機特性線的喘振邊界之外，對于保護壓氣機和燃氣輪機安全運行起著關(guān)鍵作用，因此壓氣機的喘振邊界線是壓氣機性能的重要組成部分，它決定了壓氣機運行工況的喘振裕度。壓氣機如果沒有足夠的喘振裕度，燃氣輪機在啟動升轉(zhuǎn)速及帶負荷運行的穩(wěn)定運行都將遇到困難。喘振發(fā)生時，低頻率、高振幅的氣流振蕩是一種很大的激振力來源，它會導(dǎo)致強烈的機械振動和熱端超溫，并在極短的時間內(nèi)對燃氣輪機造成嚴(yán)重損壞。因此，在燃氣輪機運行時，應(yīng)該保證壓氣機運行工況具有足夠的喘振裕度，避免喘振的發(fā)生。喘振裕度Ms采用如下定義方式時，一般要求在20%左右。但是在某些情況下，壓氣機的喘振邊界會向下移動。

(1)

2 喘振邊界下降原因

導(dǎo)致壓氣機喘振邊界下降的原因有多種，常見的有隨機組運行時間增加而產(chǎn)生的壓氣機性能下降、進氣過濾器堵塞[2]、燃燒不穩(wěn)定[3]等原因。根據(jù)某燃氣輪機推測喘振的原因分析，可能是異常暴雨天氣導(dǎo)致進氣過濾器堵塞，產(chǎn)生了進氣畸變。圖 2是該過程中壓氣機進氣過濾器的壓差變化，從中可以看出，過濾器壓差明顯增大(正常情況下應(yīng)該低于1.0)，這表明過濾器部分通道阻塞，進氣阻力增大，發(fā)生進氣畸變的幾率非常高。

圖2 某燃氣輪機進氣過濾器壓差變化

進氣畸變對壓氣機性能的影響是多方面的，除了使壓氣機的增壓比和效率比均勻進氣條件下降低外，更重要的是進氣畸變對壓氣機及其所在的壓縮系統(tǒng)的氣動穩(wěn)定性會造成重大影響。當(dāng)壓氣機進口發(fā)生畸變時，低流量或低總壓的部分氣流會以較大的沖角進入壓氣機轉(zhuǎn)子葉片排，在平均流量未達到喘振邊界之前，低流量部分已經(jīng)達到喘振邊界，因此會造成整臺壓氣機的失速提前。對于總溫畸變，高總溫部分的氣流不僅使壓氣機轉(zhuǎn)子的折合轉(zhuǎn)速降低，同時使折合流量降低，從而引發(fā)失速提前發(fā)生，進而使壓氣機發(fā)生喘振，進入不穩(wěn)定流動狀態(tài)，如圖3所示。

圖3 進氣畸變對壓氣機特性的影響

當(dāng)壓氣機喘振邊界下降后，原來穩(wěn)定工作區(qū)域變?yōu)椴环€(wěn)定工況時，在喘振即將或剛開始發(fā)生時，判斷壓氣機是否可能或已經(jīng)發(fā)生喘振，可以降低壓氣機喘振對燃氣輪機造成的損害。

3 喘振判斷信號的選擇

根據(jù)燃氣輪機喘振發(fā)生時的理論和實踐研究可知，喘振發(fā)生時的主要特征包括氣動參數(shù)的變化、燃氣輪機振動的變化和噪聲的增加等[4-5]。這幾種特征變化對應(yīng)的物理信號均可作為喘振判斷的信號。作為喘振判斷的信號，必須具備高度的準(zhǔn)確性和實時性。準(zhǔn)確性不高，未發(fā)生喘振而發(fā)出喘振響應(yīng)信號，影響燃氣輪機運行的穩(wěn)定性，在喘振發(fā)生后而沒有判斷出喘振則影響燃氣輪機運行的安全；信號反應(yīng)時間長，則導(dǎo)致喘振發(fā)生后不能及時反饋給控制程序進行燃氣輪機保護，從而對燃氣輪機造成破壞。燃氣輪機喘振時噪聲增大是其特征之一，但是燃氣輪機的運行現(xiàn)場環(huán)境噪聲一般較大，并且控制室與現(xiàn)場也存在一定的距離，根據(jù)噪聲來判斷喘振并不具備良好的準(zhǔn)確性和實時性的特點，因此排除噪聲信號。接下來將通過對某燃氣輪機運行數(shù)據(jù)中的氣動和振動信號分析，兼顧準(zhǔn)確性和實時性，對喘振判斷信號做出選擇。

氣動參數(shù)的變化包括壓氣機流量的軸向脈動，壓氣機出口壓力降低等。壓氣機出口壓力較容易測量，但是由于壓氣機的流量較大，則較難測量?；诖朔N原因，在某燃氣輪機的監(jiān)控輸出數(shù)據(jù)中，沒有壓氣機流量參數(shù)，因此需要通過其他測量數(shù)據(jù)間接監(jiān)控壓氣機的流量變化。流體流動的動力參數(shù)中，與流量直接相關(guān)的有流速、動量等參數(shù)，這些參數(shù)造成的各種物理效應(yīng)，均可以作為流量測量的物理基礎(chǔ)。從不同的物理效應(yīng)為基礎(chǔ)，可以形成多類流量測量方法，一般有容積法、速度法和質(zhì)量流量直接測量法等。由于壓氣機進氣流量較大，容積法和質(zhì)量流量直接測量法不適用。速度法測流量的原理是基于流體的一維流動連續(xù)性方程，流道截面上的平均流速和體積流量成正比，于是可以利用跟流速相關(guān)的各種物理現(xiàn)象去度量流量，如果可以獲得流體的密度參數(shù)，即可獲得流體的質(zhì)量流量。如果流道中有截面積變化，則在截面積不同的位置，流體的流速不同，兩個位置存在靜壓差，而該靜壓差與流體的流量有關(guān)，于是可表示為公式(2)流量-靜壓差函數(shù)關(guān)系。

Qm∝f(Δp)

(2)

式中：Qm為壓氣機流量；Δp為靜壓差。

圖4是根據(jù)運行監(jiān)測數(shù)據(jù)，推測某燃氣輪機發(fā)生了喘振時的信號變化，其中用Δp的變化來表征壓氣機流量的變化；Pout是壓氣機出口壓力的變化；V是燃氣輪機振動信號的變化。從圖中可以看出，靜壓差發(fā)生明顯變化的時間最早，隨后是壓氣機出口壓力，而燃氣輪機的振動信號在燃氣輪機跳機指令(第6秒)發(fā)出前幾乎無變化。因此從實時性出發(fā)，這三組信號中挑選靜壓差信號作為喘振判斷信號。

圖4 運行數(shù)據(jù)中實時信號變化

某燃氣輪機從壓氣機進氣室到IGV之前的流道是收縮通道，通流面積有較大的減小，對氣流具有增速降壓的效果。從進氣室入口截面，到IGV的入口截面，氣流的速度增加，靜壓有較大幅度的變化。在該燃氣輪機的測量儀器布置系統(tǒng)圖中，于進氣室進口截面和IGV進口截面處安裝了多個引壓管，用來測量兩個截面處的壁面平均靜壓差值，該測量結(jié)果僅輸出到運行數(shù)據(jù)文件中，而不參與燃氣輪機的運行控制。

圖5是某臺燃氣輪機的運行數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果，分別對2015年5月和2016年5月在IGV全開并且相同壓比工況下，壓氣機進氣室進口和IGV進口截面處的靜壓差隨進氣溫度的變化情況進行了統(tǒng)計，橫坐標(biāo)是環(huán)境溫度，縱坐標(biāo)是靜壓差與相同環(huán)境溫度下的靜壓差平均值之比。從統(tǒng)計結(jié)果中可以看出，在相同進氣溫度時，壓氣機進氣室靜壓差輸出結(jié)果的波動范圍在±2%之內(nèi)，進氣室靜壓差輸出結(jié)果的穩(wěn)定性高，適用于作為監(jiān)測壓氣機流量變化的測量參數(shù)。

圖5 某臺燃氣輪機運行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

4 喘振判斷策略

根據(jù)燃氣輪機壓氣機變工況特性可知，壓氣機流量和折合轉(zhuǎn)速、壓比、IGV開度這三個變量相關(guān)。地面燃氣輪機一般以固定的物理轉(zhuǎn)速運行，此時折合轉(zhuǎn)速僅與進氣溫度有關(guān)。

(3)

因此壓氣機流量可看作是進氣溫度、壓比和IGV開度的函數(shù)：

Qm=f(Tin,π*,α)

(4)

式中：π*是壓比；α為IGV開度。

聯(lián)立公式(2)和公式(4)，推導(dǎo)出靜壓差和進氣溫度、壓比和IGV開度之間的函數(shù)關(guān)系：

Δp=f(Tin,π*,α)

(5)

通過壓氣機的特性圖(圖 3)可知，為了保證燃氣輪機的安全運行，壓氣機運行壓比不能超過極限壓比，極限壓比工況也是壓氣機安全運行時的最小流量工況。即壓氣機運行時的最小流量不能低于極限壓比工況，以避免壓氣機發(fā)生喘振的危險。由公式(2)可知，壓氣機流量和靜壓差Δp成正相關(guān)，因此只要保證Δp>Δplimit(極限壓比工況)，即可保證燃氣輪機的安全運行。

根據(jù)該燃氣輪機歷年的運行數(shù)據(jù)，采用統(tǒng)計的方法可以得到在不同壓比、進氣溫度、IGV開度下的壓氣機進氣室靜壓差值，通過對數(shù)據(jù)的歸納整理，總結(jié)出公式(5)，進一步推導(dǎo)出在極限壓比工況的靜壓差Δplimit。圖 6是統(tǒng)計并歸納整理出的ISO工況下，某燃氣輪機在不同IGV開度時的相對極限靜壓差(極限靜壓差與設(shè)計點的極限靜壓差之比)。

在燃氣輪機的運行過程中，當(dāng)壓氣機進氣室靜壓差Δp的測量值小于Δplimit時，即判斷壓氣機有可能發(fā)生喘振或已經(jīng)喘振，當(dāng)立即發(fā)出跳機指令，避免燃氣輪機發(fā)生重大安全事故。

圖6 不同IGV開度時相對極限靜壓差

5 結(jié)語

本文研究的壓氣機喘振監(jiān)測方法適用于某型號的燃氣輪機，利用其現(xiàn)有的運行數(shù)據(jù)輸出參數(shù)，不需要另行增加傳感器，彌補了其控制系統(tǒng)中沒有壓氣機喘振監(jiān)測的不足，對于提高燃氣輪機的安全運行具有重要的意義。在新開發(fā)的燃氣輪機中，也可以在控制系統(tǒng)中按照該方法設(shè)置壓氣機喘振監(jiān)控邏輯函數(shù)。

壓氣機的喘振是一種對燃氣輪機具有嚴(yán)重破壞后果的不穩(wěn)定流動現(xiàn)象，因此在燃氣輪機的運行過程中，除了喘振監(jiān)測保護邏輯之外，也應(yīng)當(dāng)預(yù)防喘振邊界的下降導(dǎo)致的壓氣機提前喘振，如加強在異常天氣對壓氣機進氣過濾器的監(jiān)測，定期的維護進氣過濾器和清洗壓氣機等。