某工業(yè)型燃氣輪機油門故障及防喘放氣溫度試驗研究

魏昌淼， 吳一鳴， 李沛澤

(中國船舶集團有限公司第七〇三研究所無錫分部，江蘇 無錫 214151)

某工業(yè)型燃氣輪機密封于全封閉的箱裝體中運行。箱裝體由底架、通風及加熱系統(tǒng)、滅火系統(tǒng)、照明系統(tǒng)等組成，具有隔熱、隔聲和密封功能。燃氣輪機工作時，壓氣機、燃燒室、渦輪機匣溫度較高,表面散熱量很大,因此燃氣輪機在封閉的箱裝體內(nèi)運行時,表面的輻射、對流傳熱會使箱裝體內(nèi)溫度升高,如果不能充分地冷卻會造成電氣控制元器件及附件故障。某工業(yè)型燃氣輪機利用燃氣輪機的排氣動能引射空氣,在箱裝體內(nèi)建立連續(xù)的空氣流 ,空氣在排氣道中與燃氣輪機的排氣混合,實現(xiàn)對箱裝體的冷卻[1]。該冷卻方式不須要安裝專門的設(shè)備，既簡單又不消耗能源，被廣泛應(yīng)用于燃氣輪機箱裝體[2]。張智博等[3]對某型燃氣輪機箱裝體現(xiàn)有冷卻結(jié)構(gòu)能力不足、箱裝體內(nèi)腔室的溫度偏高問題提出了箱裝體冷卻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方案。史振等[4]以某型船用排氣引射裝置為原型進行了數(shù)值計算，發(fā)現(xiàn)引射系數(shù)小于 10%，不滿足冷卻通風要求。對引射器進行一維計算并確定最佳結(jié)構(gòu)尺寸，然后結(jié)合船上實際安裝布置情況，對改進的排氣引射裝置進行三維流場優(yōu)化設(shè)計。結(jié)果表明，優(yōu)化改進后的結(jié)構(gòu)引射系數(shù)提高，滿足設(shè)計要求。

某工業(yè)型燃氣輪機在實際運行過程中，出現(xiàn)了箱裝體內(nèi)油門卡滯現(xiàn)象，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)燃氣輪機防喘放氣功率區(qū)間(5%～30%功率)存在該情況。針對該情況，本文從箱裝體內(nèi)部冷卻出發(fā)，進行試驗研究及分析。

1 油門系統(tǒng)卡滯故障

油門系統(tǒng)故障會直接導致燃氣輪機停機等故障的發(fā)生[5]。某工業(yè)型燃氣輪機在使用過程中，出現(xiàn)了油門卡滯、油門不跟隨控制系統(tǒng)指令動作和油門不受控的故障，直接導致了燃氣輪機運行不受控，運行人員手動操作油門手柄使燃氣輪機降工況、停機。

經(jīng)過分析，多臺機組故障均發(fā)生在30%功率以下工況，而30%功率以上工況均未發(fā)生此故障。該型燃氣輪機在5%～30%功率區(qū)間為防喘放氣區(qū)間，壓氣機采用放氣來防止喘振發(fā)生，燃氣輪機壓氣機防喘放出的壓縮空氣直接排入箱裝體內(nèi)。油門卡滯故障可能由箱裝體空氣溫度升高造成，針對該現(xiàn)象進行了相關(guān)試驗研究。

2 箱裝體空氣溫度試驗研究

針對油門系統(tǒng)在燃氣輪機防喘放氣功率區(qū)間卡滯的故障，進行了箱裝體空氣溫度試驗研究。根據(jù)燃氣輪機結(jié)構(gòu)組成，對油門截面、燃燒室截面、動力渦輪截面進行溫度測量，如圖1所示。以A-A截面為例，從進氣往排氣端看，左上角為A1處溫度測點，順時針依次為A2、A3、A4、A5、A6、A7、A8處溫度測點。

圖1 燃氣輪機截面溫度測量分布圖

試驗過程，以10%功率為一檔，從空載逐級升功率，直至升至100%功率，記錄試驗全程截面數(shù)據(jù)。A-A截面中A3、A4、A6、A8處測點溫度變化趨勢如圖2所示，可見在5%～30%功率區(qū)間箱裝體空氣溫度升高較快，。

圖2 A-A截面溫度變化圖

5%～30%功率區(qū)間為防喘放氣閥打開區(qū)間，壓氣機將中間級空氣直接排入箱裝體。根據(jù)試驗實時運行數(shù)據(jù)，由壓氣機絕熱壓縮方程(1)可近似計算出防喘放出空氣溫度為T2，如圖3所示。

(1)

式中：T1為壓氣機進口空氣溫度，K；P2為放氣級壓力，Pa；P1為壓氣機進口空氣壓力，Pa；γ為空氣絕熱系數(shù)；T2為壓氣機防喘放氣級空氣溫度，K。

圖3 防喘放氣溫度圖

分析圖2、圖3數(shù)據(jù)，10%功率運行4 min后，A-A截面平均溫度約70 ℃，計算防喘放氣溫度為78 ℃；20%功率運行5 min后，A-A截面平均溫度約90 ℃，計算防喘放氣空氣溫度為92 ℃；30%功率運行5 min后，A-A截面平均溫度約97 ℃，計算防喘空氣放氣溫度為102 ℃。從圖2可見，在5%～30%功率區(qū)間A-A截面溫度升高較快，最高點到約110 ℃；而當燃氣輪機功率高于30%額定功率后，此時防喘放氣閥關(guān)閉，箱裝體空氣溫度急劇下降?？梢姺来艢鈱ο溲b體空氣溫度影響較大，30%功率時截面空氣溫度不能滿足相關(guān)附屬設(shè)備和電氣元器件的工作溫度不能超過75 ℃的要求。

該工業(yè)型燃氣輪機利用燃氣輪機的排氣動能引射空氣,在固定的進排氣及引射系統(tǒng)中，箱裝體內(nèi)壓力(負壓)表征著引射空氣量的大小。箱裝體負壓越大，引射空氣量越大；箱裝體負壓越小，引射空氣量越小。對箱裝體A-A截面進行壓力測量，負壓數(shù)據(jù)如圖4所示。在5%～30%功率區(qū)間，負壓低于空載負壓；當實時功率高于30%額定功率時，防喘放氣關(guān)閉，箱裝體負壓急劇增大?？梢姺来艢庵苯佑绊懴溲b體負壓，進而造成引射冷卻空氣量降低。

圖4 箱裝體A-A截面空氣壓力圖

3 防喘放氣優(yōu)化

通過以上分析，在防喘放氣功率區(qū)間，壓氣機壓縮后的一部分防喘空氣直接排入箱裝體內(nèi)，造成箱裝體溫度升高，尤其造成放氣閥附件的油門系統(tǒng)等元器件工作環(huán)境溫度升高，同時降低了箱裝體空氣負壓，進而降低冷卻空氣引射量。為避免防喘空氣直接排入箱裝體內(nèi)，對防喘進行優(yōu)化，將兩個防喘放氣閥通過引氣管路將放出的空氣直接引入箱裝體后端至排氣管處，如圖5所示，將防喘放氣對箱裝體環(huán)境溫度影響降到最低。

圖5 箱裝體防喘管路優(yōu)化圖

在采取優(yōu)化的防喘放氣措施后，進行試驗驗證。試驗過程，以10%功率為一檔，記錄試驗全程截面數(shù)據(jù)。A-A截面中A1、A3、A4、A5處測點溫度變化趨勢見圖6所示，在5%～30%功率區(qū)間箱裝體空氣溫度隨著功率的升高略微升高，最高約40 ℃，滿足相關(guān)附屬設(shè)備和電氣元器件的工作溫度不能超過75 ℃的要求。同時箱裝體空氣負壓隨著功率的升高逐漸增大，見圖7所示。因此冷卻空氣引射量也逐漸增加，未受到防喘放氣的影響。

圖6 箱裝體防喘管路優(yōu)化后A-A截面溫度圖

圖7 防喘管路優(yōu)化后A-A截面空氣壓力圖

優(yōu)化后的防喘放氣，避免了防喘放氣對箱裝體空氣溫度的影響。通過噪聲測量，在防喘放氣功率區(qū)間，箱裝體外周圍噪聲比優(yōu)化前降低了5 dB，運行人員的工作環(huán)境也得到了進一步改善。通過防喘放氣的優(yōu)化改進，在后續(xù)機組運行過程中，再未出現(xiàn)油門卡滯故障。

4 總結(jié)

針對某工業(yè)型燃氣輪機在運行過程中出現(xiàn)的油門卡滯不受控故障，通過分析，多臺機組故障均發(fā)生在5%～30%功率防喘放氣區(qū)間，防喘放出的壓縮空氣直接排入箱裝體內(nèi)。通過箱裝體空氣溫度試驗研究，在5%～30%功率區(qū)間箱裝體溫度升高較快，最高點到約110 ℃，而當燃氣輪機功率高于30%額定功率后，此時防喘放氣閥關(guān)閉，箱裝體空氣溫度急劇下降。為避免防喘放氣直接排入箱裝體內(nèi)，對防喘進行了引氣管路優(yōu)化，5%～30%功率放氣區(qū)間箱裝體空氣溫度隨著功率的升高略微升高，最高約40 ℃，滿足相關(guān)附屬設(shè)備和電氣元器件的工作溫度技術(shù)要求，同時比優(yōu)化前提高了箱裝體內(nèi)空氣負壓，降低箱裝體外空氣噪聲，優(yōu)化了運行人員工作環(huán)境。