9FA增强型压气机改造后的防喘控制优化

【摘 要】为提高压气机叶片工作的可靠性，对9FA机组进行了增强型压气机包的升级。文章分析了压气机喘振的原因，提出了防止压气机喘振的措施。探讨了9FA机组增强型压气机包升级后的防喘控制优化。

【关键词】压气机;喘振;入口可转导叶;防喘放气阀

Optimizing Anti-surge Control in 9FA Compressor that adopts the Enhanced Compressor Package

LUO Shi-jie

（Zhang jiagang Huaxing Electric Power Co., Ltd. Ｊｉａｎｇｓｕ Ｚｈａｎｇｊｉａｇａｎｇ 215627）

【Abstract】In order to improve compressor vanes’ reliability, the Enhanced Compressor Package upgrade is done on 9FA gas turbine unit. This paper analyses the causes of compressor surge, and puts forward the available ways of preventing compressor surge. On this basis, this paper discusses optimizing anti-surge control in 9FA gas turbine unit that adopts the Enhanced Compressor Package.

【Key words】Compressor;Surge;IGV;Bleed valve

0.前言

张家港华兴电力有限公司两套燃汽－蒸汽联合循环机组是国家第一批“打捆招标”时引进的设备，主机选用美国GE公司的９FA燃机。燃机由压气机、燃气透平及燃烧部件组成，压气机共有18级叶片（编号为0-17）。自投运以来，两台机组相继发生了压气机静叶片晃动、叶根槽磨损、叶台凸起和填隙片移位问题，使压气机叶片的可靠性降低。为此，2010年3月份，对＃1机组按照GE公司第4个升级包对压气机进行了改造。

根据GE公司的要求，更换优化型的IGV（入口可转导叶）及全套IGV配件，S0（第一级静叶）、S1（第二级静叶）和S3（第四级静叶）级采用调整叶型新叶片，S14-S16采用大叶根曲面导轨叶片，并对防喘控制进行了优化。本文深入压气机喘振的原因，提出压气机喘振的措施，并对升级后的防喘控制优化及相关的重要保护进行阐述。

1.压气机喘振的原因

喘振是压气机的一种不稳定工作状态。喘振现象的发生与压气机通流部分中出现的气流脱离现象有密切的关系。

压气机在设计工况下工作时，气流进入工作叶栅的冲角接近零。当压气机体积流量偏离设计值时，在动叶和静叶流道中发生的气流脱离现象如图１所示。如果空气体积流量增大时，即气流的轴向速度增大，如果压气机的转速恒定不变，那么将产生负冲角。当空气体积流量继续增大时，使负冲角加大到一定程度，在叶片的内弧面上会发生气流边界层的局部脱离现象。但是由于气流沿着叶片的内弧侧流动时，在惯性力的作用下，气流的脱离区会朝着叶片的内弧面方向挤拢和靠近，会防止脱离区的进一步发展。

当流经压气机的空气体积流量减少时，气流进入工作叶栅的冲角为正冲角。在叶片的背弧侧产生气流边界层的脱离现象。并且只要出现这种脱离现象，脱离区就有不断发展扩大的趋势。这是由于当气流沿着叶片的背弧面流动时，在惯性力的作用下，存在着一种使气流离开叶片背面而分离出去的倾向。当压气机工作时，气流正冲角过大会在叶背引起气流分离，这就是失速现象。叶栅中出现的失速区不是静止不动的，它围绕着叶轮轴线以与叶轮转向相同的方向低于叶轮转速连续地旋转，称为旋转失速。

图1 当压气机体积流量偏离设计值时，在

动叶和静叶流道中发生的气流脱离现象

当压气机体积流量继续减少，致使旋转失速进一步发展后，在压气机中才会出现不稳定的喘振动现象。此时，压气机的流量和压力就会发生大幅度的、低频的周期性波动，并伴随有风啸似的喘振声。

2.防止喘振现象的措施

2.1压气机或燃机通道结垢导致流动阻力增加引起体积流量减少，容易导致喘振发生，故要定期对压气机或燃机通道进行清理，及时清除影响气流流动的叶栅结垢，减少阻力，从而增加气流体积流量。

2.2在压气机通流部分靠后的某一个或若干个截面上，采取安装防喘放气阀的措施，在非额定工况的启动过程中开启以减少流动阻力从而增加体积流量 ，同时也可以防止最后几级气流的旋转失速而引起的喘振现象。

2.3 燃料投入按顺滑的曲线规律进行，防止阶跃式的投放，可以防止压气机背压的突然增大使体积流量减少而导致喘振的发生。

2.4为防止气流的旋转失速在叶片发生不断加剧的气流脱离现象，可以在燃机启动过程中采取在压气机的第一级或前面若干级装设可转导叶，在启动过程中导向叶片转动一定的角度以改变气流进入叶栅的角度来减少正冲角的产生，以防喘振的发生。

2.5 在气温较高的时候，在压气机进口采取对空气进行降温的方式，一方面可以提高燃机的出力和效率，减小氮氧化物的排放；另一方面可以减少空气阻力从而减少振动的发生。

2.6 定期检查燃料调节阀的清洁和磨损情况，防止燃料的投入率偏离设计工况而导致压气机背压增加过快使体积流量减少而产生喘振。

3.增强型压气机包升级后防止压气机喘振的措施

对于增强型压气机包的升级，GE提供了阻止旋转失速方案（STARSS）。此方案通过防喘放气阀与IGV（入口可转导叶）的联合作用，STARSS可降低启动与停机时压气机在部分转速旋转失速条件下的气动力，尤其是RO和R4动叶。在机组启动期间，防旋转失速方案通过控制IGV和防喘放气阀来预先阻止失速，然后打开防喘放气阀同时减少IGV的角度来度过旋转失速期，从而使机组远离喘振工况。它通过减小失速的时间及使失速的频率远离叶片的共振频率来降低叶片的应力。而在停机过程中，仅控制IGV的角度即可达到此目的。

3.1预防旋转失速方案所要求硬件的变动

3.1.1 防喘放气阀的改造

原设计使用压气机末级抽气（AD-1）经过滤后作为防喘放气阀的控制气源，在机组停运时，无法对防喘放气阀进行操作检查。另外，它的气源品质没有全厂仪用空气系统好，压力也没有全厂仪用空气系统稳定。对此，将原AD-1抽气过滤器出口堵死，防喘放气阀操作气源改为全厂仪用空气，可在机组停运后随时进行防喘放气阀的试验。另外原防喘放气阀只有开限位，现增加了关限位，并将关限位信号设为SOE点，可以更全面及时监视防喘放气阀的状态。预防旋转失速方案要求防喘放气阀的关闭时间小于3 s，开启时间小于5 s。

3.1.2 IGV的改造

更换优化叶型的IGV，全套IGV配件，齿条齿轮等，更换新的油动机。IGV的油缸限位由原先的26°～90°改为21°～92.5°，对伺服阀进行了校验，并在就地测量IGV的角度，确认IGV实际位置与指令相一致。

3.1.3 操作画面的修改

将防喘放气阀的关闭信号增加到CBV试验画面（如图２所示），在机组转速低于420 r/m且没有点火条件下，通过点击试验按钮，可试验防喘放气阀的动作及限位开关的反馈情况。

3.2 预防旋转失速方案的控制策略

3.2.1 入口可转导叶（IGV）的防喘控制

机组修正转速的计算：

=n＊■

-机组修正转速 单位：％

n-机组转速 单位：％

CTIM－压气机入口空气温度 单位：℃，介于-62.2℃和60℃之间。

显然，在压气机入口空气温度等于59℉（15℃）时，修正转速等于机组实际转速。

机组在部分转速下IGV的开度由修正转速决定。当机组启动时，IGV角度为29°，当TNHCOR大于76.3%，IGV角度由29°关至23°。在修正转速大于85.56%至88.69％时IGV开度由下式决定：

V=（－81.06）×6.42

V－IGV开度指令 单位：°

-机组修正转速 单位：％

以后随着机组转速的上升IGV保持最小运行角49°不变。当机组解列停机时，机组修正转速小于88.69%直至84.64%时，IGV按（TNHCOR－81.06）×6.42，由49°关至23°，随后一直保持23°。当修正转速小于72％时，IGV开至29°。

3.2.2 防喘放气阀的控制

防喘放气阀关位试验：在机组转速小于420 r/m 且没有着火时通过点击试验按钮进行防喘放气阀关位试验或机组刚启动自动可进行防喘放气阀的试验，试验持续时间为20 s。此时防喘放气阀将关闭，如果此时没有显示阀门关位信号，机组将禁止启动。

在机组启动过程中，当机组修正转速大于71％时，自动关闭第13级抽气防喘放气阀，至机组修正转速大于76％时，自动打开第13级抽气防喘放气阀。在机组停机过程中，防喘阀在机组解列后一直打开。

3.3 防止旋转失速方案中IGV及防喘放气阀保护

3.3.1 防喘放气阀的保护逻辑：

(1)当机组启动时进行防喘放气阀试验时，如果压气机第9级、13级四个防喘放气阀任一关位信号不显示时，机组将跳闸。

(2)当机组在全速以下，且无关闭防喘放气阀指令达5 s，如果9级防喘放气阀任一开位信号不显示时，机组将跳闸。

(3)在机组启动修正转速大于71％且小于76％时，发出第13级防喘放气阀关闭指令5 s后，如果防喘放气阀关位信号不显示将自动停机。

(4)如果在机组修正转速大于78％时且小于全速时，13级防喘放气阀任一开位不显示，机组将跳闸。

(5)当发电机解列且没有自动停机命令时，机组将自动保持全速状态2分钟，以便操作人员点击启动（START）按钮，维持机组全速，待处理好防喘放气阀后再点击停机（STOP）按钮停机。

3.3.2 IGV的保护

如果IGV角度小于20.5°或大于30°机组将不允许启动。当机组全速时，如果IGV角度小于39.5°，机组将跳闸。因IGV的油缸最小限位为21°，与报警的定值20.5°很接近，且用户不能随意修改定值，故需定期校验IGV，确保IGV的反馈与就地实际位置相一致。

4.结束语

9FA燃机增强型压气机包升级后，对IGV及防喘放气阀控制提出了更高的要求。在日常维护工作中，尤其需检查防喘放气阀的限位开关及IGV的测量装置LVDT工作情况，以便机组在启停时，防止失速的方案能够正确地得以执行，以降低压气机叶片的应力，并顺利地通过旋转失速期，从而使压气机远离喘振，保证设备的安全运行。

【参考文献】

［１］清华大学电力工程系燃气轮机教研组.燃气轮机（上册）[M].北京：水利电力出版社，1978.

［２］焦树建.燃气-蒸汽联合循环[M].北京：机械工业出版社，2000.

［３］杨顺虎.燃气-蒸汽联合循环发电设备及运行.北京：中国电力出版社，2003．

作者简介：罗时杰（1976—），男，江苏淮安人，

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