压气机喘振基本原理及控制手段研究

任帅 翟宇

（北京京能未来燃气热电有限公司，北京 102209）

压气机喘振基本原理及控制手段研究

任帅 翟宇

（北京京能未来燃气热电有限公司，北京 102209）

压气机喘振是燃气机组运行中可能出现的损害较大的异常工况。由此，本文首先对压气机喘振机理与形成因素进行分析，然后阐述避免压气机出现喘振故障的措施，最后论述北京京能未来燃气热电有限公司防止压气机喘振的限制器及财务的保护措施。

压气机；喘振压比；IGV

燃机的轴流式压气机主要在燃气轮发电机组处于额定转速下运行。若未达到额定转速，压气机前几级往往会承载极高的空气动力负荷，从而使气流在动叶叶背处发生分离导致流速下降，受到超负荷的压气机就不能再生成必须的升压，会出现被称作压气机的喘振现象。

喘振发生时，压气机的输出会变得不稳定，压气机出口压力产生周期性波动，燃气发电机产生剧烈振动，这些压力波动同时产生脉冲性噪声。燃气发电机出现振动且压力波动产生脉冲性噪声，很容易导致压气机叶片因交变弯曲应力而损坏，甚至还会引发叶片断裂的事故［1］。

1 压气机喘振机理与形成因素

1.1 压气机喘振机理

喘振问题的产生和气流脱离问题具有较大关联。因为叶轮不断旋转，气流脱离问题会逐渐蔓延到全部压气机通道，导致通道堵塞，而前方气流堵塞会造成出口反压降低，若是出口反压过低，堵塞解除时容易使拥堵气流瞬间涌出，进入压气机的空气流量大于压气机后方允许排除的流量，反压立即增加，导致压气机中再次形成气流堵塞现象［2-3］。气流交替堵塞、畅通，从而造成压气机工作点沿共同工作线逐渐下移，越过喘振边界，由此，燃气轮机出现喘振现象。

1.2 压气机喘振形成的因素

导致压气机出现喘振现象的主要因素是偏离设计工况、操作失误、气流堵塞和环境因素等。

1.2.1 偏离设计工况。启停状态下，若气体流量降低到某一范围，则可能出现气流脱离问题而导致旋转失速。如果体积流量持续降低，会造成旋转失速逐渐严重，如此一来，压气机内很容易产生喘振现象。

1.2.2 防喘放气阀没有打开。启停状态下，压气机中的空气流量与压力变化存在较大差距的情况下，防喘阀借助对进出口气流量进行调节来避免喘振现象的出现。然而，如果防喘阀失灵或者空气流量与压力变化幅度超过一定范围时，就可能导致喘振现象出现。

1.2.3 气流通道堵塞。若通流内因结垢而出现堵塞，可能造成气体流动阻力提高，进而导致体积流量降低，可能出现喘振现象。气流通道堵塞一般是空气过滤器堵塞或者叶片积垢等因素造成的。

1.2.4 环境因素。若外部环境空气湿度增加，含水量较大的空气进入压气机，其中的水分会导致流道中出现垢层，从而引发喘振。某厂机组因为雨水中含有初、精滤网上沉积的烟油和细尘附着于精叶，从而造成喘振现象。

2 避免压气机出现喘振故障的措施

2.1 安装可调整导叶

针对机组在启停状态下压气机偏离设计工况的因素，可以在压气机进口位置设置流线型可调导叶（IGV）。启停状态下对IGV角度进行调整，从而合理调整出气角的方向，对前几级的静叶片出气角进行调整，避免压气机在运行状态下出现偏离设计工况的问题。

2.2 中间级放气

针对启停状态下防喘放气阀没有打开的问题，可以选择以下策略：对防喘放气阀的实际工作状况进行监测，选择进行中间放气。实践说明，燃机处于较小转速时，压气机不稳定主要体现在“前喘后堵”。对于这一工况特征，选择中间放气，借助调整压气机流量来避免喘振。北京京能未来燃气热电有限公司设置了两个五级防喘阀和一个十级防喘阀。

2.3 降低气流阻力

为避免因为气流通道堵塞而导致喘振现象的出现，需要定期对通道进行清理，做好级间压差的监测［4］，第一时间对叶栅积垢予以清理，降低流动阻力，提高气流体积流量。北京京能未来燃气热电有限公司一般均是通过机组启动前的离线水洗清理叶片积盐。

2.4 提高进气质量

降低空气湿度与含尘量也是预防喘振的有效措施。对环境空气质量予以监测，尤其是在暴雨天气或空气含尘量较大的情况下，需要做好空气质量监测。目前，进气系统滤网脏污问题比较突出，尽管北京京能未来燃气热电有限公司未曾因此出现压气机喘振的现象，但长时间高差压、低质量进气运行势必会污染压气机叶片清洁度。

3 北京京能未来燃气热电有限公司防止压气机喘振的限制器及保护

3.1 北京京能未来燃气热电有限公司防止压气机喘振的限制器

北京京能未来燃气热电有限公司燃机控制器中与限制喘振直接有关的有以下2个。

①压气机压比极限控制器。压比极限控制器内部定义了一个压气机稳定极限曲线，亦即喘振边界曲线，压比极限控制器即防止压气机运行工况越过此边界。当排气压比向喘振边界曲线靠近时，控制器将通过开大IGV直至关小燃料阀来保证压比不越边界。

②压气机排气压力变化梯度极限控制器。压气机排气压力变化梯度极限控制器主要是通过监视压气机压比变化以防止燃机燃料量增加过快导致排气温度过高，其同时也具有防止燃料增加过快而导致压气机喘振的作用。

3.2 北京京能未来燃气热电有限公司燃机喘振保护

当转速达到喘振边界区时，在压气机的某一位置进行放气可以防止压气机发生喘振。压气机冲击产生的物理震动可以通过在进气管道和压气机入口（第一级入口导叶前）之间的差压来确定。在正常运行期间，进气管道的压力要高于压气机进口压力。当发生喘振时，由于倒流将产生差压的逆向升高，这种差压变化可由差压开关测量。

北京京能未来燃气热电有限公司压气机喘振检测和压气机喘振保护的数据采集是通过三重冗余差压开关MBA11CP001、MBA11CP102和MBA11CP003进行的。一旦超出转子转速极限值，压气机喘振保护就启动。如果这三只压力开关中有两只的读数超出设置极限值，就会触发燃气轮机跳闸。通过关闭相应的紧急关断阀，跳闸使所有燃料系统隔断。当压气机喘振保护系统作出响应时就发出报警信号“压气机喘振保护响应”。

4 结语

本文对燃机喘振的原理进行简单介绍，同时简述了北京京能未来燃气热电有限公司燃机相应的控制措施和保护原理，以期共同提高运行值班员对燃机运行、控制的理解。

［1］ 刘健鑫，任荣社，仇远旺.燃气轮机压气机喘振故障分析与防喘方法研究［J］.内燃机与动力装置，2016（6）：1-4.

［2］ 杨晓琴.离心压气机减缓喘振及降噪效果的研究［D］.中北大学，2016.

［3］ 苏三买，孙占恒，吕烨，等.压气机失速与喘振动态模型与仿真［J］.推进技术，2016（5）：960-965.

［4］ 徐鉴，陈振.时滞对轴流压气机喘振的影响［J］.中国科学：物理学力学天文学，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

任帅（1981-），男，本科，助理工程师，研究方向：电厂发电运行。