燃气轮机压气机旋转失速原因分析

刘建生

(大唐国际绍兴江滨热电有限责任公司， 浙江绍兴 312366)



运行与改造

燃气轮机压气机旋转失速原因分析

刘建生

(大唐国际绍兴江滨热电有限责任公司， 浙江绍兴 312366)

以某450 MW燃气发电机组为例，对压气机旋转失速的现象和参数变化情况进行阐述，对压气机旋转失速产生的机理进行分析，提出防止压气机旋转失速的相应措施，有助于解决燃气轮机压气机的类似故障。

燃气轮机； 压气机； 旋转失速

近几年我国燃气发电装机容量继续保持高速增长，截至2013年年底，我国燃气发电装机已达4 309万kW，占总装机容量的3.45%；发电量达1 143亿kW·h,占总发电量的2.19%。燃气发电已经超越核电，成为国内的第四大电源。相对而言，因我国燃气发电起步较晚，技术还不成熟，对燃气轮机(简称燃机)设备的缺陷处理技术还处于学习和发展阶段。

燃机压气机旋转失速是燃机发电机组启停阶段较为突出的问题，出现旋转失速会造成机组轴承振动突增，如果处理不当，会引起机组振动保护动作跳闸，并可能诱发喘振，造成压气机叶片断裂等恶性事故，因而得到了燃机发电厂和设备制造厂家的重视。笔者以某450 MW天然气燃机为例，对压气机旋转失速产生的原因进行分析，并提出防范措施。

1 失速故障现象

压气机旋转失速主要是根据机组转速和压气机出口压力等运行参数变化情况来判定，在启动升速过程中，如果在某一升速阶段压气机压力不升反降，同时伴随燃气轮机轴承振动和噪声突然增强，则可以初步判断为压气机旋转失速。

该机组装有2套M701F4型450 MW等级的F级燃气-蒸汽联合循环机组，压气机共有17级，压比为18，第6、11和14级安装有中间放气阀。在燃机启动期间放气阀打开，达到同步转速时该阀门关闭。燃机的1号轴承安装于透平尾部排气室内部，2号轴承安装于压气机进气室位置(见图1)。

图1 燃气轮机纵向剖面图

该公司1号机组在启动过程中出现压气机旋转失速，在燃气轮机升速至1 680 r/min时，位于压气机端的2号轴承振动突然增大，其中Y向轴振由28.38 μm瞬间升高至95.00 μm，同时压气机出口压力出现小幅波动，其变化趋势见图2。

图2 压气机旋转失速时有关参数的变化趋势

2 失速产生的机理

2.1 产生的过程

设备制造厂在设计和制造中充分考虑了压气机的不同运行工况，保证了压气机的每一级压比在合理的范围内。一般来说，压气机各级随着压力的升高，空气密度增大，压气机叶栅的体积通流能力的逐级减小，动静叶片高度减小，但通过各级的空气质量流量保持不变。在启动过程中的中、低转速阶段，由于压气机压比相对较小，压气机高压侧的体积流量会很大，气流速度很高，压气机后面几级的空气压缩不充分，会造成气流堵塞。压气机中的气流出现堵塞时，气流轴向速度减小，气流攻角增大，气流在叶片背弧侧发生脱离[1]，见图3(Cx为气流的轴向分速；U为动叶位移的速度)。

图3 压气机旋转失速产生的原理图

这种气流脱离现象在压气机前几级会更明显，脱离的气流会形成气团，在动静叶和各级之间形成涡流或扰流，分离的气团在动叶栅内部形成的失速区，以低于动叶栅圆周速的速度沿着与叶轮转向相反的方向转移，这种现象也称为旋转脱离或旋转失速。如果失速区堵塞严重，局部压力增大，就会造成压力剧烈波动，进而引发机组轴承振动。

2.2 启停过程中的必经阶段

在燃机启动过程中，压气机吸入大量的空气并对其进行压缩，向燃烧器提供燃烧用空气的同时，向高温部件提供冷却空气。图4为三菱M701F4型燃机压气机特性曲线。压气机在升速过程中会经过旋转失速区域，气流可能会脱离，并会引发轴承振动增强的现象[2]。因各制造厂在设计阶段已将旋转失速的影响控制在允许范围内，机组正常启停中并不会表现为机组轴承振动。

图4 压气机旋转失速特性曲线图

2.3 旋转失速和喘振的区别

如果压气机叶栅中出现的一处或多处旋转失速区进一步发展，导致整个叶栅流动受阻，则会引发喘振。喘振的表现为：失速区扩散到整个叶栅，压气机内部背压升高，甚至会出现逆流，最终流道完全被堵塞；压气机出口背压和流量急剧下降，堵塞缓解。机组喘振中压气机叶片受到压力冲击，摆动加剧，并会伴随强烈的轴承振动和噪声，严重时会造成叶片断裂脱落的设备损坏事故。表1为旋转失速与喘振时的不同表现。

表1 旋转失速与喘振时机组的表现对比

3 失速的原因分析

燃气轮机启动升速阶段，转速低于额定转速，压气机旋转失速虽然是机组启动升速阶段必然经过的阶段，但绝大多数情况下不足以引起轴承振动加强和压气机出口压力下降。经过对2号机组现场数据进行的采集分析，认为该机组压气机旋转失速故障主要有以下几个原因：

(1) 燃机压气机设计制造。压气机在设计阶段对旋转失速的影响考虑不足，没有采取措施避免；在压气机转子及其部件加工制造阶段把关不严，实际叶片、持环的加工尺寸超差；压气机转子装配过程中工艺不严，不满足设计要求，均有可能造成压气机启动中旋转失速。

(2) 静止变频器(SFC)出力不足。在燃气轮机启动阶段，SFC提供机组旋转的初始动力，将转速升至清吹转速并完成燃烧器点火，在转速升至2 200 r/min时退出运行。如果SFC出力不足，则会造成机组在升速过程中动力不足，升速慢；相比之下燃烧器投入燃料过多，透平叶片通道温度(BPT)上升、燃烧室压力升高，导致压气机背压增加，压比提高，流量降低，压气机运行的工况点在较低的等转速线上迅速地向喘振线方向移动，同时气流冲角变化，导致气流脱离叶片，最终造成旋转失速。

(3) 压气机叶片清洁度差，导致压气机效率降低。在整个燃气轮机系统中，压气机耗功占到整个透平输出功率的1/3，压气机效率下降不但会造成燃机出力降低，也会大幅增加压气机旋转失速和喘振发生的概率。因此压气机应根据外界环境的空气质量和压气机效率变化情况定期进行离线和在线水洗。

(4) 机组热态启动。燃机一般是按照温态启动工况进行设计，在燃机热态启动中，透平和压气机转子动静间隙较小，造成压气机流量、压力变化偏离正常设计的启动工况，压气机某一级或某几级气流堵塞，发生压气机旋转失速，轴承振动增加。

(5) 对于启动阶段采用辅助蒸汽拖动的燃气轮机，辅助蒸汽不足也会引起拖动力不足造成压气机旋转失速，其原因和SFC出力不足相同。

4 失速的防范措施

从设计角度来看，燃机压气机启动升速和正常运行过程中均应处于安全可靠的运行范围内，不应出现过大的压力波动或轴承振动。如果压气机旋转失速已经表现为较大的轴承振动和压气机出口压力波动，为防止机组振动恶化造成机组非停和诱发压气机喘振事故，必须采取有效措施进行控制。

(1) 对压气机升速过程中的转速、压力等参数进行综合分析，调整启动过程中的中间防喘放气阀的开度[3]，避免空气在压气机后几级堵塞，造成前部空气流量减少、气流脱离现象的发生。实践证明调整压气机防喘阀的开度是比较有效的措施。

(2) 对压气机动静部分进行检查。利用燃机大修机会，对压气机叶片的几何尺寸、磨损情况进行检查，确认动静部分是否存在变形，抽检动静部分叶片的机械性能，校核其强度满足设计要求；修复叶片表面的脱落涂层，对压气机动静部分进行清理，保证压气机的工作效率。

(3) 提高压气机水洗效果。燃机制造厂对压气机的离线水洗和在线水洗都提出了相应的要求，对离线水洗间隔和水洗步骤也给出了详细的说明，选用质量可靠的清洗剂能够保证清洗效果和叶片不被腐蚀，提高压气机运行效率，避免压气机发生旋转失速和喘振。

(4) 对叶片定期进行擦洗。对于运行小时较少的燃气轮机，可以定期对压气机进口导叶(IGV)、首级动叶进行检查擦洗，通过叶片擦洗可以去除粘附力较强的尘垢、油垢等杂质，利用窥孔对压气机叶片的清洁度进行检查，确定压气机叶片的脏污程度。

(5) 对SFC出力进行监测。定期对SFC进行检查和出力录波监测，保证SFC能够达到正常的出力；对采用辅汽拖动的燃气轮机，检查辅助蒸汽的压力、温度和流量等参数，以确保符合要求。

(6) 定期检查燃气轮机进口空气过滤器。进口空气过滤器的过滤效果对压气机运行起着不容忽视的作用，因此进气过滤器初过滤，精过滤均要满足运行要求，如果过滤精度不合格，不但会加快压气机效率劣化速度，还会堵塞透平的冷却通道，给透平的冷却系统带来严重危害。

5 结语

如何减少并消除燃气轮机压气机旋转失速带来的隐患，是保证燃机安全启动和运行的重要课题。通过某燃气发电公司的国产化F级燃气轮机压气机旋转失速引起的轴承振动、压气机出口压力下降等故障现象，分析了旋转失速产生的机理，得出了压气机旋转失速是由于燃机启动过程中压气机后部堵塞，使前几级动叶产生气流脱离，导致压气机压力剧烈波动，燃机轴承振动增大，并提出了调整压气机防喘放气阀开度、提高水洗效果等防范措施，有效的解决了燃机压气机旋转失速缺陷问题，为存在类似缺陷的燃气发电机组提供了处理思路。

[1] 瞿虹剑, 徐刚, 王鑫. V94.3A型燃气轮机喘振分析[J]. 上海电力, 2011(3): 224-226.

[2] 王远宏, 董长海, 邵泽维. 燃气轮机空气压缩机喘振原因及解决方法[J]. 能源技术, 2005, 26(1): 39-40.

[3] 阎保康. PG9171E型燃机喘振现象分析[J]. 华东电力, 1999(2): 21-23.

Cause Analysis on Compressor Rotating Stall in a Gas Turbine

Liu Jiansheng

(Datang Internaltional Shaoxing Jiangbin Thermal Power Co., Ltd., Shaoxing 312366, Zhejiang Province, China)

Taking a 450 MW gas turbine generator set as an example, an introduction is presented to the compressor rotating stall and to the changes of relevant parameters, together with an analysis on the stall mechanism, and subsequently corresponding countermeasures were proposed, which may serve as a reference for treatment of similar faults of gas turbine compressors.

gas turbine; compressor; rotating stall

2016-03-16；

2016-07-19

刘建生(1960—)，男，高级工程师，主要从事发电厂汽轮机、燃气轮机设备管理和检修维护；燃煤发电、天然气发电设备基建安装等工作。E-mail: tianfangluntan@126.com

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1671-086X(2017)03-0193-03