9E燃氣輪機的壓氣機控制和保護

摘 要：燃氣輪機是現代工業重要的動力設備，燃氣輪機的開發研制工作事關工業經濟，特別是裝備工業的健康發展，對于國家國民經濟總體發展都有著至關重要的影響。壓氣機是燃氣輪機的關鍵部分，也是開發燃氣輪機的基礎和前提。文章圍繞9E燃氣輪機的壓氣機控制和保護有關問題進行探討，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措施進行了闡述和說明，對于優化燃氣輪機壓氣機設計，提高壓氣機開發性能質量有著一定參考作用。

關鍵詞：燃氣輪機；軸流式壓氣機；特性曲線；啟動過程；運行保護

引言

現代社會，機械化大生產成為社會生產活動的主流方式，機械設備廣泛應用于各行各業，作為熱力發動機的主要種類，燃氣輪機在國民經濟建設發展、國防安全等各個方面發揮出極為重要的作用，高性能燃氣輪機的開發生產一直以來都是國家發展工業所必須跨過的門檻。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。開發新型燃氣輪機，首先要進行新型壓氣機的開發設計。大流量、高壓比、高效率是當前壓氣機開發工作的主要方向。一般情況下，新型壓氣機的研制工作多數采用對原有型號進行設計優化、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

燃氣輪機是熱力發動機的一種主要類型，它使用連續流動的氣體作為工質進行能量傳遞，通過高溫高壓氣流推動汽輪做功，實現熱能向機械能的轉換。在這個過程中，壓氣機作為工質來源，將高壓空氣持續輸送至燃燒室，從而實現布雷頓循環的吸氣增壓過程。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子轉動做功，從而完成一個完整的簡單循環。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。隨著科學技術的發展，近代大功率燃氣輪機普遍采用多級軸流式壓氣機技術，該項技術工作連續性好，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進行設計。需要注意的是，在進行多級軸流式壓氣機設計時，是按照設計條件進行設計的，但實際工作中，壓氣機的工作條件并非一直處于設計條件下，屬于非設計工況。非設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、工質流量平衡、壓力平衡以及轉速平衡。

2 9E燃氣輪機壓氣機啟動過程技術分析

燃氣輪機的啟動是一個過程狀態，在這個過程中，機組轉速從零開始逐漸加速，一直到全速空載、并網，且帶至基本負荷。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 冷態加速階段

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

2.2 熱態加速階段

轉速達到一定標準后，進入點火作業。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，推動燃氣輪機轉速上升，直至達到脫扣轉速。這個過程稱之為熱態加速階段。首先是燃料經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，機組轉速下降趨勢減緩，轉速隨之開始上升。持續暖機60秒后，FSR開始下降，隨后又變大。成功點火后，燃氣輪機入口區域的溫度立即上升，出現輸出功率，壓氣機啟動過程特性線出現拐點，其后呈上升趨勢。

2.3 自升速階段

從機組達到脫扣轉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速n超過IGV（可轉導葉溫度控制）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 并網升負荷階段

這個階段以發電機并網為起點，以機組負荷達到基本負荷為終點。發電機并網后，系統關閉防喘放氣閥，由此導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

9E壓氣機的控制和保護主要體現在對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，轉速較小，機內通道氣體流動緩慢，無法滿足燃燒室內燃料潮濕需求，導致有效功功率低，必須在外部啟動設備的幫助下才能使轉子轉速達到脫扣轉速程度。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定性。

3.2 防喘放氣閥控制分析

啟機并網前和停機解列后的兩個階段是壓氣機喘振現象最容易發生的時候。針對這個問題，9E壓氣機在第11級設置了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，大大降低了喘振現象的發生。

3.3 壓氣機運行限制保護分析

作為旋轉式動力機械，壓比限制值是軸流式壓氣機的一個關鍵性能參數。當壓氣機處于正常工作狀態下，實際壓比位于運行范圍內，而當壓氣機處于非設計工況條件下時，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，引發安全事故。導致壓比超過限制值的原因較多，比如環境氣溫、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，在可轉導葉溫度控制或防喘放氣閥控制失靈或達不到應有效果的情況下發揮作用，以防止生產事故的發生，保證系統安全。

4 結束語

壓氣機工作質量直接關系到燃氣輪機的運行安全與穩定，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，其發生前沒有預兆，發生時迅速出現，危害重大，為減少喘振現象出現，以及減少因將受損壓氣機轉子送國外原廠修復而造成的成本，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濟效益，從而保障企業生產正常、穩定、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，2009，22（2）：23-25.