壓氣機喘振基本原理及控制手段研究

任帥 翟宇

（北京京能未來燃氣熱電有限公司，北京 102209）

壓氣機喘振基本原理及控制手段研究

任帥 翟宇

（北京京能未來燃氣熱電有限公司，北京 102209）

壓氣機喘振是燃氣機組運行中可能出現的損害較大的異常工況。由此，本文首先對壓氣機喘振機理與形成因素進行分析，然后闡述避免壓氣機出現喘振故障的措施，最后論述北京京能未來燃氣熱電有限公司防止壓氣機喘振的限制器及財務的保護措施。

壓氣機；喘振壓比；IGV

燃機的軸流式壓氣機主要在燃氣輪發電機組處于額定轉速下運行。若未達到額定轉速，壓氣機前幾級往往會承載極高的空氣動力負荷，從而使氣流在動葉葉背處發生分離導致流速下降，受到超負荷的壓氣機就不能再生成必須的升壓，會出現被稱作壓氣機的喘振現象。

喘振發生時，壓氣機的輸出會變得不穩定，壓氣機出口壓力產生周期性波動，燃氣發電機產生劇烈振動，這些壓力波動同時產生脈沖性噪聲。燃氣發電機出現振動且壓力波動產生脈沖性噪聲，很容易導致壓氣機葉片因交變彎曲應力而損壞，甚至還會引發葉片斷裂的事故［1］。

1 壓氣機喘振機理與形成因素

1.1 壓氣機喘振機理

喘振問題的產生和氣流脫離問題具有較大關聯。因為葉輪不斷旋轉，氣流脫離問題會逐漸蔓延到全部壓氣機通道，導致通道堵塞，而前方氣流堵塞會造成出口反壓降低，若是出口反壓過低，堵塞解除時容易使擁堵氣流瞬間涌出，進入壓氣機的空氣流量大于壓氣機后方允許排除的流量，反壓立即增加，導致壓氣機中再次形成氣流堵塞現象［2-3］。氣流交替堵塞、暢通，從而造成壓氣機工作點沿共同工作線逐漸下移，越過喘振邊界，由此，燃氣輪機出現喘振現象。

1.2 壓氣機喘振形成的因素

導致壓氣機出現喘振現象的主要因素是偏離設計工況、操作失誤、氣流堵塞和環境因素等。

1.2.1 偏離設計工況。啟停狀態下，若氣體流量降低到某一范圍，則可能出現氣流脫離問題而導致旋轉失速。如果體積流量持續降低，會造成旋轉失速逐漸嚴重，如此一來，壓氣機內很容易產生喘振現象。

1.2.2 防喘放氣閥沒有打開。啟停狀態下，壓氣機中的空氣流量與壓力變化存在較大差距的情況下，防喘閥借助對進出口氣流量進行調節來避免喘振現象的出現。然而，如果防喘閥失靈或者空氣流量與壓力變化幅度超過一定范圍時，就可能導致喘振現象出現。

1.2.3 氣流通道堵塞。若通流內因結垢而出現堵塞，可能造成氣體流動阻力提高，進而導致體積流量降低，可能出現喘振現象。氣流通道堵塞一般是空氣過濾器堵塞或者葉片積垢等因素造成的。

1.2.4 環境因素。若外部環境空氣濕度增加，含水量較大的空氣進入壓氣機，其中的水分會導致流道中出現垢層，從而引發喘振。某廠機組因為雨水中含有初、精濾網上沉積的煙油和細塵附著于精葉，從而造成喘振現象。

2 避免壓氣機出現喘振故障的措施

2.1 安裝可調整導葉

針對機組在啟停狀態下壓氣機偏離設計工況的因素，可以在壓氣機進口位置設置流線型可調導葉（IGV）。啟停狀態下對IGV角度進行調整，從而合理調整出氣角的方向，對前幾級的靜葉片出氣角進行調整，避免壓氣機在運行狀態下出現偏離設計工況的問題。

2.2 中間級放氣

針對啟停狀態下防喘放氣閥沒有打開的問題，可以選擇以下策略：對防喘放氣閥的實際工作狀況進行監測，選擇進行中間放氣。實踐說明，燃機處于較小轉速時，壓氣機不穩定主要體現在“前喘后堵”。對于這一工況特征，選擇中間放氣，借助調整壓氣機流量來避免喘振。北京京能未來燃氣熱電有限公司設置了兩個五級防喘閥和一個十級防喘閥。

2.3 降低氣流阻力

為避免因為氣流通道堵塞而導致喘振現象的出現，需要定期對通道進行清理，做好級間壓差的監測［4］，第一時間對葉柵積垢予以清理，降低流動阻力，提高氣流體積流量。北京京能未來燃氣熱電有限公司一般均是通過機組啟動前的離線水洗清理葉片積鹽。

2.4 提高進氣質量

降低空氣濕度與含塵量也是預防喘振的有效措施。對環境空氣質量予以監測，尤其是在暴雨天氣或空氣含塵量較大的情況下，需要做好空氣質量監測。目前，進氣系統濾網臟污問題比較突出，盡管北京京能未來燃氣熱電有限公司未曾因此出現壓氣機喘振的現象，但長時間高差壓、低質量進氣運行勢必會污染壓氣機葉片清潔度。

3 北京京能未來燃氣熱電有限公司防止壓氣機喘振的限制器及保護

3.1 北京京能未來燃氣熱電有限公司防止壓氣機喘振的限制器

北京京能未來燃氣熱電有限公司燃機控制器中與限制喘振直接有關的有以下2個。

①壓氣機壓比極限控制器。壓比極限控制器內部定義了一個壓氣機穩定極限曲線，亦即喘振邊界曲線，壓比極限控制器即防止壓氣機運行工況越過此邊界。當排氣壓比向喘振邊界曲線靠近時，控制器將通過開大IGV直至關小燃料閥來保證壓比不越邊界。

②壓氣機排氣壓力變化梯度極限控制器。壓氣機排氣壓力變化梯度極限控制器主要是通過監視壓氣機壓比變化以防止燃機燃料量增加過快導致排氣溫度過高，其同時也具有防止燃料增加過快而導致壓氣機喘振的作用。

3.2 北京京能未來燃氣熱電有限公司燃機喘振保護

當轉速達到喘振邊界區時，在壓氣機的某一位置進行放氣可以防止壓氣機發生喘振。壓氣機沖擊產生的物理震動可以通過在進氣管道和壓氣機入口（第一級入口導葉前）之間的差壓來確定。在正常運行期間，進氣管道的壓力要高于壓氣機進口壓力。當發生喘振時，由于倒流將產生差壓的逆向升高，這種差壓變化可由差壓開關測量。

北京京能未來燃氣熱電有限公司壓氣機喘振檢測和壓氣機喘振保護的數據采集是通過三重冗余差壓開關MBA11CP001、MBA11CP102和MBA11CP003進行的。一旦超出轉子轉速極限值，壓氣機喘振保護就啟動。如果這三只壓力開關中有兩只的讀數超出設置極限值，就會觸發燃氣輪機跳閘。通過關閉相應的緊急關斷閥，跳閘使所有燃料系統隔斷。當壓氣機喘振保護系統作出響應時就發出報警信號“壓氣機喘振保護響應”。

4 結語

本文對燃機喘振的原理進行簡單介紹，同時簡述了北京京能未來燃氣熱電有限公司燃機相應的控制措施和保護原理，以期共同提高運行值班員對燃機運行、控制的理解。

［1］ 劉健鑫，任榮社，仇遠旺.燃氣輪機壓氣機喘振故障分析與防喘方法研究［J］.內燃機與動力裝置，2016（6）：1-4.

［2］ 楊曉琴.離心壓氣機減緩喘振及降噪效果的研究［D］.中北大學，2016.

［3］ 蘇三買，孫占恒，呂燁，等.壓氣機失速與喘振動態模型與仿真［J］.推進技術，2016（5）：960-965.

［4］ 徐鑒，陳振.時滯對軸流壓氣機喘振的影響［J］.中國科學：物理學力學天文學，2013（4）：380-389.

Basic Principle and Control Method of Compressor Surge

Ren ShuaiZhai Yu
（Beijing Jingneng Future Gas Power Company Limited，Beijing 102209）

Compressor surge is a possible abnormal condition in the operation of a gas unit.Thus,this pa?per firstly analyzed the formation mechanism and factors of compressor surge,then described the compres?sor surge to avoid fault measures,finally discussed the protective measures to prevent the compressor surge limiter and the financial future of Beijing Beijing Gas Power Co.Ltd.

compressor；surge pressure ratio；IGV

V235.1

A

1003-5168（2017）11-0070-02

2017-10-09

任帥（1981-），男，本科，助理工程師，研究方向：電廠發電運行。