M701F4燃氣輪機啟動過程旋轉失速分析

許正武，劉云飛

(金華燃機發電有限責任公司，浙江 金華 321025)

燃氣輪機具有啟停迅速、熱效率高、污染較小等特點，近年來在我國電源點建設中得到較廣泛的應用。壓氣機作為燃氣輪機三大核心部件之一，其穩定運行關系著整個機組的安全。壓氣機的旋轉失速及喘振是燃氣輪機啟停階段面臨的較突出問題，一旦出現，將引起機組振動突增、葉片損傷，嚴重時會導致機組遮斷甚至壓氣機葉片斷裂。

某廠M701F4燃氣輪機為東方汽輪機有限公司生產的三菱 M701F4 型燃氣輪機，壓氣機為帶有進口可調導葉(IGV)的17級的高效率軸流式壓氣機，并設置有低壓、中壓和高壓防喘放氣閥，分別位于壓氣機第 6 級、第 11 級和第 14 級。啟動或停機期間，IGV調節壓氣機的空氣進氣流量，防喘閥放氣同時防止壓氣機喘振和失速。機組為單軸聯合循環發電機組，經靜態頻率轉換器(SFC)將發電機作為同步電動機后帶動機組啟動、點火，2 000 r/min時機組投汽輪機低壓缸冷卻蒸汽，約2 000 r/min時SFC退出運行。

1 事件概述

某日機組接調令啟動，在2 060 r/min高壓防喘閥關閉后，透平控制系統 (TCS)發#1、#2軸承振動高報警，兩軸承Y向軸承振動#1Y、#2Y振動值分別為185.3 um、287.5 um，振動期間機組發出轟鳴聲。運行人員檢查機組轉速、滑油壓力及溫度、透平葉片通道排氣溫度(BPT)等主要參數均正常，約5 s后振動高報警復歸，機組繼續升速至全速，檢查無異常后正常并網。振動高期間#2軸X、Y方向振動值都已經超過保護定值(200 um)，由于保護出口存在延時，保護未出口。振動過程中TCS報警記錄如表1。

表1 振動期間燃氣輪機報警記錄

2 軸流式壓氣機旋轉失速及喘振機理

旋轉失速是一種限制在壓氣機葉片附近的沿周向傳播的非軸對稱氣流脈動，是附面層分離的結果。如圖1所示，當流經壓氣機工作葉柵的空氣容積流量減小到一定程度，氣流正沖角增大到一定值，氣流在葉輪流道內形成與葉輪旋轉方向相同的一個或幾個失速團，失速團的繞軸角速度較低，從而在葉片非工作面產生邊界層分離，形成旋轉失速現象。這種加劇的氣流分層脫離最終造成壓氣機某級或某幾級葉片旋轉失速。當氣流發生較大脫離時，氣流就會朝葉柵進口倒流。氣流脫離往往先在某一個或幾個葉片上發生，隨空氣容積流量進一步減小，氣流脫離區并不固定在某一個葉片上，它會以一個與葉柵運動方向相反的方向移動，這種脫離現象又稱旋轉脫離[1]。

圖1 旋轉失速機理圖

當空氣流量繼續減小，旋轉脫離就會強化和發展，當發展到某種程度，由于氣流的強烈脈動，在整臺壓氣機中出現不穩定的喘振現象,壓氣機的流量和壓力就會發生大幅度的、低頻率的周期性波動，并伴隨低沉的喘振聲，甚至有空氣從壓氣機進口倒流出來，這時，壓氣機完全不能正常工作，進一步往往導致發生嚴重設備事故。

壓氣機旋轉失速一般原因有壓氣機設計階段考慮不足、制造裝配過程工藝不滿足設計要求、啟動裝置出力不足、壓氣機葉片清潔度較差、夏季進氣溫度升高后空氣密度下降等[2-4]。

3 事件分析

在機組軸承振動高報警時機組轉速為2 060 r/min，機組處于起動升速過程中，汽輪機正在投低壓缸冷卻蒸汽但尚未投入，機組滑油壓力、溫度均未突變，初步判斷機組軸承振動高與汽輪機運行情況無關，應為燃氣輪機運行工況所致。為便于分析、采集機組振動高報警前后3 min區間內廠級監控信息系統(SIS)數據，制作曲線，如圖2所示，對事件進行分析。選取的參數點包括：燃氣輪機透平側X/Y向軸承振動1X/1Y、燃氣輪機壓氣機側X/Y向軸承振動2X/2Y、壓氣機進口靜壓、壓氣機出口壓力、高壓防喘閥位置(1為“開”位置，0為“關”位置)。

圖2 機組振動高報警前后區間機組相關參數

從曲線看：在壓氣機高壓防喘閥關閉后，壓氣機出口壓力突降，由314 kPa降至254 kPa；壓氣機進口靜壓突增，由-0.37 kPa增至-0.007 6 kPa；燃氣輪機透平側及壓氣機側軸承振動均突增，燃氣輪機壓氣機側軸承振動增加尤為明顯。從振動高同時出現的壓氣機靜壓增高及壓氣機出口壓力下降情況看，當時有壓氣機進口處氣流倒流現象，后續機組振動恢復正常，應為典型的壓氣機旋轉失速現象。從曲線看2X振動有峰值后回落至0且保持30 s后恢復正常的情況，分析為旋轉失速期間振動高導致2X振動探頭異常，測得振動為0，并被本特利振動監測系統判為“故障”，該探頭被本特利振動監測系統旁路，TCS發“振動監視器故障”報警，待該探頭恢復正常后，再延時30 s恢復正常測量。

與機組前日啟動工況各相關參數進行對比，除環境溫度稍有變化(機組正常啟動日環境溫度20.3 ℃，旋轉失速當日環境溫度18.6 ℃)外其余參數均無變化，因次日機組啟動均正常，判斷此次機組旋轉失速為一偶發現象。取機組正常啟動轉速、高壓防喘閥位置(1為“開”位置，0為“關”位置)與旋轉失速當日曲線進行對比(如圖3所示)，可看出旋轉失速當日高壓防喘閥關閉時間略早2 s。本機組啟動期間高壓防喘閥設置在2 050 r/min時關閉，環境溫度的細微變化導致了當日機組轉速上升略快，短短2 s時差造成壓氣機轉速和流量不匹配，壓氣機旋轉失速。

圖3 啟動轉速曲線

4 軸流式壓氣機旋轉失速及喘振預防措施

目前主要采用以下預防措施。

(1)調整啟停過程IGV角度

通過調整IGV葉片角度，可以有效控制旋轉失速、喘振的發生[5-7]。因部分同類型機組有壓氣機旋轉失速現象，根據設備制造商意見，該廠啟動過程中IGV的開度早已由投產初期的22°更改為21.5°，從此次旋轉失速看，啟動過程中IGV角度還需進一步優化。

(2)對啟動設備出力情況進行監視及檢查，確保啟動設備出力

通過對SFC等啟動設備出力情況進行錄波分析，監測啟動設備是否達到正常出力，對有輔助蒸汽參與啟動過程的燃氣輪機，應確保蒸汽壓力、溫度滿足要求。通過以上手段可減少壓氣機啟動期間載荷，遠離失速/喘振邊界。

此次旋轉失速發生前，該廠啟動過程中SFC退出轉速已由投產初期的2 000 r/min更改為2 200 r/min。

(3)確保防喘閥抽氣流量

從旋轉失速及喘振機理來看，通過增加壓氣機防喘抽氣流量也可以預防旋轉失速及喘振，目前燃氣輪機壓氣機均設計有啟停階段打開的防喘放氣閥。根據設備制造商意見，該廠先前已通過修改邏輯的方法，增加了啟動時高壓防喘放氣閥開啟邏輯(原先僅在停機階段開高壓防喘閥)，機組發啟動令至轉速達到2 050 r/min之前高壓防喘放氣閥打開，以提高啟動過程防喘抽氣流量。此外還增加了高壓防喘放氣閥保護邏輯，當轉速低于2 050 r/min且高壓防喘放氣閥非開，機組主保護動作；當轉速高于2 050 r/min延時20 s且高壓防喘放氣閥非關，機組主保護動作。此次旋轉失速的發生，表明之前采取的防旋轉失速措施仍不完善，啟動過程高壓防喘閥關閉時間需適當延遲。

(4)降低機組啟動升速率

燃氣輪機啟動加速過程中，壓氣機與其他部件運行的溫態共同工作線會往高壓比方向偏移，而該偏移趨近機組的失速/喘振邊界線，因此降低機組啟動升速率會將啟動過程中的共同工作線往低壓比方向移動，也就遠離了失速/喘振邊界線[8]。

此次旋轉失速發生前，因部分同類型機組有壓氣機旋轉失速現象，根據設備制造商意見，該機組在1 650 r/min至1 900 r/min的啟動過程中，升速率由135更改為90，但仍未能避免啟動過程旋轉失速的發生，需考慮將啟動過程機組升速率減緩的區間再適當放大。

(5)加強水洗或對壓氣機IGV及首級動葉進行清洗

目前各燃氣輪機主機制造廠對壓氣機離線水洗和在線水洗均有響應要求，選用質量可靠的清洗劑能保證清洗效果并提高壓氣機運行效率。除此之外，還可采用定期對IGV葉片和首級動葉定期檢查和人工清洗的方法，手動清理葉片上黏附能力較強的油污。利用孔窺確認壓氣機葉片清潔程度，或者監測壓氣機效率情況以安排水洗周期是比較完善的防范措施。此次旋轉失速距離機組壓氣機水洗僅間隔75 h，考慮到機組配套的水洗水箱無加熱裝置且無單獨的清洗劑藥箱，冷水洗滌和水洗期間葉片上附著的清洗劑不干凈可能對壓氣機運轉造成一定影響，目前水洗系統增加單獨清洗劑藥箱及水洗水箱，增加加熱裝置的改進措施已列入技改，待實施。

此外，通過定期檢查、更換壓氣機進氣濾網，或者將壓氣機進氣濾網精度提高至HEPA級別，也能減少壓氣機葉片磨損進而造成壓氣機性能下降及失速/防喘邊界的變化，預防壓氣機的失速、喘振。

5 總結

雖然發電用燃氣輪機機組均在設計、制造階段有所考慮，但在實際運行過程中，仍有可能出現壓氣機旋轉失速/喘振。壓氣機旋轉失速及喘振一般均伴隨機組振動及壓氣機進口靜壓和壓氣機出口壓力異常波動，因此可以基于壓氣機出口靜壓變化率進行喘振監測[9]。此外可利用壓氣機壓比及壓氣機排氣壓力變化梯度設置極限控制器來預防壓氣機旋轉失速/喘振。利用壓氣機進氣管道和壓氣機入口壓差(正常運行時該壓差為正)設置的喘振保護[4]可在壓氣機發生喘振時及時動作，防止壓氣機在喘振時對機組造成損壞，建議未設置喘振保護的各燃氣輪機電廠根據現場實際情況設置該保護。