9E燃气轮机的压气机控制和保护

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摘 要：燃气轮机是现代工业重要的动力设备，燃气轮机的开发研制工作事关工业经济，特别是装备工业的健康发展，对于国家国民经济总体发展都有着至关重要的影响。压气机是燃气轮机的关键部分，也是开发燃气轮机的基础和前提。文章围绕9e燃气轮机的压气机控制和保护有关问题进行探讨，首先介绍了轴流式压气机的功能与特性，其次对9E燃气轮机压气机启动过程进行了分阶段分析、描述，最后对9E压气机的控制和保护技术措施进行了阐述和说明，对于优化燃气轮机压气机设计，提高压气机开发性能质量有着一定参考作用。

关键词：燃气轮机；轴流式压气机；特性曲线；启动过程；运行保护

引言

现代社会，机械化大生产成为社会生产活动的主流方式，机械设备广泛应用于各行各业，作为热力发动机的主要种类，燃气轮机在国民经济建设发展、国防安全等各个方面发挥出极为重要的作用，高性能燃气轮机的开发生产一直以来都是国家发展工业所必须跨过的门槛。压气机是燃气轮机的组成要素之一，其性能水平对于燃气轮机的输出功率、效率、运行可靠性和维修特性等方面有着直接且重要的影响。开发新型燃气轮机，首先要进行新型压气机的开发设计。大流量、高压比、高效率是当前压气机开发工作的主要方向。一般情况下，新型压气机的研制工作多数采用对原有型号进行设计优化、放大、加级的方法来完成。

1 轴流式压气机的功能与特性分析

燃气轮机是热力发动机的一种主要类型，它使用连续流动的气体作为工质进行能量传递，通过高温高压气流推动汽轮做功，实现热能向机械能的转换。在这个过程中，压气机作为工质来源，将高压空气持续输送至燃烧室，从而实现布雷顿循环的吸气增压过程。压缩空气进入燃烧室后与燃料混合剧烈燃烧，温度和压力急剧增大，燃烧后的燃气进入透平，膨胀做功，推动压气机和外负荷转子转动做功，从而完成一个完整的简单循环。从上述讨论可以看到，压气机的工作动力也来源与透平，是透平负载因子之一。实际上，在透平负载中，压气机消耗的能量占据着很大比例，约占透平负载的三分之二左右。作用于外部载荷的功仅占三分之一，这部分功称之为有用功。随着科学技术的发展，近代大功率燃气轮机普遍采用多级轴流式压气机技术，该项技术工作连续性好，供气量较大，具有高压比、压缩效率高的特点。因此，9E燃气轮机也采用了该项技术进行设计。需要注意的是，在进行多级轴流式压气机设计时，是按照设计条件进行设计的，但实际工作中，压气机的工作条件并非一直处于设计条件下，属于非设计工况。非设计工况又称之为变工况，具体可以分为平衡工况和不平衡工况两种。其中平衡工况指的是燃气轮机稳定工况，即燃气轮机处于全速空载、部分负荷、基本负荷下的工况条件，而不平衡工况则指的是燃气轮机处于过渡阶段的工况条件，主要包括燃气轮机启动、停机以及负荷升高、降低的过程中的工况。燃气轮机平衡工况的几大特征是功率平衡、工质流量平衡、压力平衡以及转速平衡。

2 9E燃气轮机压气机启动过程技术分析

燃气轮机的启动是一个过程状态，在这个过程中，机组转速从零开始逐渐加速，一直到全速空载、并网，且带至基本负荷。下面以用轻油作燃料的燃气轮机为例对燃气轮机启动过程进行分析。

2.1 冷态加速阶段

这是燃气轮机启动的第一步，首先有启动设备驱动燃气轮机进行冷加速，待转速达到一定标准后，启动逻辑继电器，开始清吹作业，与此同时，转速保持上升态势，但加速度开始下降，直至转速降低，整个清吹过程维持2.1分钟。

2.2 热态加速阶段

转速达到一定标准后，进入点火作业。向燃烧室喷入燃料，并点火燃烧。燃气剧烈燃烧放出大量的热，气压升高，推动燃气轮机转速上升，直至达到脱扣转速。这个过程称之为热态加速阶段。首先是燃料经由喷嘴进入燃烧室点火燃烧，机组开始暖机，燃料行程基准FSR降至暖机值，同时供油量下降，机组转速下降趋势减缓，转速随之开始上升。持续暖机60秒后，FSR开始下降，随后又变大。成功点火后，燃气轮机入口区域的温度立即上升，出现输出功率，压气机启动过程特性线出现拐点，其后呈上升趋势。

2.3 自升速阶段

从机组达到脱扣转速到进入全速空载这一过程是燃气轮机启动的自升速阶段。在这个过程中，燃气轮机依靠自身进行加速。待燃气轮机的校正转速n超过IGV（可转导叶温度控制）开启点之后，IGV开大，迅速升至IGV最小全速角57°。从压气机特性曲线上可以看到，曲线向右上方延伸，说明压气机喘振边界线朝着流量增大的方向变动。

2.4 并网升负荷阶段

这个阶段以发电机并网为起点，以机组负荷达到基本负荷为终点。发电机并网后，系统关闭防喘放气阀，由此导致位于放气阀前面的增压极空气流量下降，压气机喘振边界线向右移动。

3 9E压气机的控制和保护技术

9E压气机的控制和保护主要体现在对IGV和防喘放气阀的控制以及对压气机运行的限制保护和对机组的遮断保护方面。

3.1 IGV控制分析

燃气轮机未启动时，转速较小，机内通道气体流动缓慢，无法满足燃烧室内燃料潮湿需求，导致有效功功率低，必须在外部启动设备的帮助下才能使转子转速达到脱扣转速程度。9E燃气轮机在启动时，通过将IGV角度维持在34°，控制气体流速，使得压气机功耗降低，从而减轻了对启动设备功率的需求，同时也使得压气机喘振边界线流量减小的方向变动，提高了压气机工作稳定性。

3.2 防喘放气阀控制分析

启机并网前和停机解列后的两个阶段是压气机喘振现象最容易发生的时候。针对这个问题，9E压气机在第11级设置了4个防喘放气阀，当燃气轮机处于上述两个阶段时，防喘放气阀全部开启，空气流量增加，大大降低了喘振现象的发生。

3.3 压气机运行限制保护分析

作为旋转式动力机械，压比限制值是轴流式压气机的一个关键性能参数。当压气机处于正常工作状态下，实际压比位于运行范围内，而当压气机处于非设计工况条件下时，其实际压比就有超过压比机械限制值的危险，一旦压比超标，就会造成轮机叶片损坏，引发安全事故。导致压比超过限制值的原因较多，比如环境气温、IGV角度、燃烧温度、燃烧室注水等，都是造成压比超标的常见因素。实际工作中要注意对上述因素的控制。

3.4 机组遮断保护分析

遮断保护是压气机的最后一道保护措施，在可转导叶温度控制或防喘放气阀控制失灵或达不到应有效果的情况下发挥作用，以防止生产事故的发生，保证系统安全。

4 结束语

压气机工作质量直接关系到燃气轮机的运行安全与稳定，加强压气机控制和保护，对于维护燃气轮机长期高效安全运行具有十分重要的基础保障作用。压气机喘振是燃气轮机压气机的常见工作病害，其发生前没有预兆，发生时迅速出现，危害重大，为减少喘振现象出现，以及减少因将受损压气机转子送国外原厂修复而造成的成本，切实做好压气机控制与保护势在必行。使用单位要采取积极措施，不断优化燃气轮机运行状况，延长机组使用寿命，提高燃气轮机运行经济效益，从而保障企业生产正常、稳定、高效进行。

参考文献

[1]郑建涛.燃气轮机压气机喘振及其控制算法[J].燃气轮机技术，2009，22（2）：23-25.