進氣條件變化下重型燃機壓氣機性能與穩(wěn)定性研究

沈 琪

（杭州華電半山發(fā)電有限公司，浙江杭州 310015）

目前，全球一次能源消費逐漸呈現(xiàn)增長趨勢，石油生產(chǎn)與消費總量保持穩(wěn)定，新能源發(fā)展迅猛，以油氣為主的石化能源仍占據(jù)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(wěn)定的發(fā)展趨勢。重型燃氣輪機運行水平可直接影響電廠發(fā)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(wěn)定性較為重要?，F(xiàn)階段，重型燃機壓氣機研發(fā)過程中，需要細致分析不同經(jīng)濟條件變化下燃機壓氣機性能，評估重型燃機壓氣機穩(wěn)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(xiàn)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(shè)備在設(shè)計工況下的技術(shù)性能指標，并研究其在偏離設(shè)計工況后工作性質(zhì)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(zhuǎn)速、大氣或其他參數(shù)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(zhuǎn)速、流量間的關(guān)系，可使用絕對參數(shù)、相對參數(shù)值進行展現(xiàn)。

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(lián)形成流道，形成壓氣機內(nèi)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(wěn)狀態(tài)。壓氣機流量系數(shù)、入口流量系數(shù)存在緊密的聯(lián)系[2]。在實際運行過程中，壓氣機內(nèi)部入口流量系數(shù)值與各級葉柵的入射攻角度不會發(fā)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(shù)存在密切關(guān)聯(lián)，壓氣機的實際轉(zhuǎn)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(xiàn)壓氣機整體特性，并將此特性應(yīng)用在后期重型燃機壓氣機穩(wěn)定性判斷、結(jié)構(gòu)優(yōu)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(tǒng)重型燃機壓氣機性能判斷方式主要為構(gòu)建壓氣機特性線，獲得的特性判斷結(jié)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(yōu)化。

2.1 基元葉柵法

結(jié)合重型壓氣機實際運行要求，構(gòu)建相應(yīng)的壓氣機穩(wěn)定流動模型。借助平均流線方向參數(shù)值，計算不同基元級壓比、溫比數(shù)值，使相關(guān)工作人員明確重型燃氣壓氣機基元級串聯(lián)比值，掌握重型燃機壓氣機工況變化特征。

在以構(gòu)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(shù)方式，確?？諝饬魉倬鶆蛳嗤?，實際壓縮值處于絕熱狀態(tài)。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(guān)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(tài)狀態(tài)參數(shù)、滯止狀態(tài)參數(shù)，設(shè)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(yīng)注重選擇合理的相對坐標系，在坐標系內(nèi)設(shè)置相對總溫、總焓數(shù)，表示工質(zhì)相對速度滯止為0，使溫度、焓值可達到相對平穩(wěn)的狀態(tài)。

計算得到重型燃機壓氣機動葉柵進口參數(shù)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(jiān)考處的動態(tài)溫度、動態(tài)壓力值，獲得進口總溫、總壓力。設(shè)置壓氣機沖角、落后角、總壓損失系數(shù)，選擇適宜的系數(shù)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(shù)、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(shù)值，確保計算的壓力參數(shù)值準確，將其作為進口參數(shù)計算依據(jù)，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(guān)系。依照某熱電公司實測數(shù)據(jù)、基元葉柵計算方式，獲得計算數(shù)據(jù)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(zhuǎn)速、進口導葉開度、進口空氣質(zhì)量流量、進口溫度、進口壓力值輸入計算系統(tǒng)內(nèi)，設(shè)計相應(yīng)的壓氣機計算模型[5]。確保燃機轉(zhuǎn)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(jié)果，計算煙氣進口質(zhì)量流量值，總結(jié)進口氣溫質(zhì)量流量調(diào)查結(jié)果。

（2）重型燃機壓氣機特性線。

通過設(shè)置燃氣機特性模型，明確在不同工作狀態(tài)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(zhì)量流量等數(shù)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(yīng)用于多工況范圍內(nèi)。需要將基元葉柵法與隨機森林方式進行有機結(jié)合，并使用基元葉柵方式將理論計算點、實際參數(shù)數(shù)據(jù)相結(jié)合，對數(shù)據(jù)進行回歸化處理，確保相關(guān)工作人員可明確不同運行環(huán)境下，重型燃機壓氣機質(zhì)量流量、總壓比、多變效率下的特性計算模型，直觀展現(xiàn)重型燃機壓氣機特性。

3 重型燃機壓氣機實際運行穩(wěn)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(wěn)定運行狀態(tài)，喘振問題出現(xiàn)后，壓氣機運行期間的各項性能將會受到直接影響，影響設(shè)備發(fā)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(tǒng)實際運行狀態(tài)密切相關(guān)。

確定重型燃機壓氣機運行工況時，應(yīng)保障壓氣機在透平運行狀態(tài)，燃氣溫度處于穩(wěn)定[6]。設(shè)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(shè)定各等折合轉(zhuǎn)速線交點，確定更適宜的重型壓氣機運行狀態(tài)工況點。

在運行工況發(fā)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(yīng)始終維持在原有狀態(tài)。設(shè)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(zhuǎn)數(shù)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(shù)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(wěn)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(wěn)定頻率等職責，需要在實際運行期間滿足發(fā)電電站功率要求，防止出現(xiàn)燃機壓氣機超載問題，對壓氣機內(nèi)部故障進行快速反應(yīng)。

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

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(shè)定范圍期間，以控制最大角度限制。如果出現(xiàn)IGV顯變化的情況下，壓比與效率會進行相應(yīng)改變，需要結(jié)合重型燃機壓氣機實際運行狀態(tài)，將IGV角度控制在合理范圍之內(nèi)。

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(shù)與定壓比熱修正結(jié)果，發(fā)現(xiàn)在潮濕空氣中氣體常數(shù)大于干燥空氣中氣體常數(shù)的情況下，重型燃機壓氣機的折合轉(zhuǎn)速降低，特征曲線向左下移動。

4 結(jié)語

重型燃機壓氣機性能、穩(wěn)定性，可直接影響電廠發(fā)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(gòu)建重型燃機壓氣機性能模型，繪制相應(yīng)的壓氣機特征曲線，借助IGV角度、進氣溫度等參數(shù)數(shù)值，得到重型燃氣輪機壓氣機穩(wěn)定性能。應(yīng)不斷完善重型燃機壓氣機內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從根本上降低重型燃機壓氣機故障問題發(fā)生概率，確保重型燃氣壓氣機可在電廠運行過程中發(fā)揮重要作用。