进气条件变化下重型燃机压气机性能与稳定性研究

沈 琪

（杭州华电半山发电有限公司，浙江杭州 310015）

目前，全球一次能源消费逐渐呈现增长趋势，石油生产与消费总量保持稳定，新能源发展迅猛，以油气为主的石化能源仍占据能源市场主导地位，重型燃气轮机、重型燃机压气机需要保持稳定的发展趋势。重型燃气轮机运行水平可直接影响电厂发电情况，压气机是重型燃气轮机重要组成部分，保持其实际运行效率与稳定性较为重要。现阶段，重型燃机压气机研发过程中，需要细致分析不同经济条件变化下燃机压气机性能，评估重型燃机压气机稳定性。

1 重型燃机压气机性能研究

1.1 重型燃机压气机工况特征

重型燃气轮机的整机性能主要包括气机、涡轮机、燃烧室、外界负荷条件下展现的共性特征。在判断重型燃气轮机运行效能期间，需要重点分析该设备在设计工况下的技术性能指标，并研究其在偏离设计工况后工作性质的变化情况，评估燃气轮机综合性能指标[1]。重型燃气轮机在负荷、转速、大气或其他参数偏离情况下运行。

重型燃机气压机工况特性指运行效率与转速、流量间的关系，可使用绝对参数、相对参数值进行展现。

1.2 基本元叶栅法下重型燃机压气机建模

通常情况下，重型燃机压气机工作叶轮、静叶可共同组成轴流式压气机。在压气机实际运行期间，多级轴流式压气机是能源交换基本单元，在该压气机实际运行时，每级串联形成流道，形成压气机内流通空间。

在分析重型燃机压气机运行效果期间，在空气压缩不变化的情况下，压气机或部分进出密度值会始终保持平稳状态。压气机流量系数、入口流量系数存在紧密的联系[2]。在实际运行过程中，压气机内部入口流量系数值与各级叶栅的入射攻角度不会发生明显改变，实际运行效率保持在原有水平。

由此可见，重型燃气压气机的压气比、运行效率与流量系数存在密切关联，压气机的实际转速不会影响其自身运行水平。

重型燃机压气机的特征级是为了方便后期计算引入的概念，主要表示压气机平均级特征。依照特征机对压气机压缩过程进行虚拟分解，可直观表现压气机整体特性，并将此特性应用在后期重型燃机压气机稳定性判断、结构优化中。

2 重型燃机压气机性能模型建立

通过建立重型燃机压气机特性图，可精准判断燃气轮机整机运行期间的可行性。传统重型燃机压气机性能判断方式主要为构建压气机特性线，获得的特性判断结果与压气机实际运行情况存在误差[3]。为了保障重型燃机压气机特性得到精准评估，将配合使用基元叶栅法、随机回归方式，对重型燃气压气机建模手段进行完善、优化。

2.1 基元叶栅法

结合重型压气机实际运行要求，构建相应的压气机稳定流动模型。借助平均流线方向参数值，计算不同基元级压比、温比数值，使相关工作人员明确重型燃气压气机基元级串联比值，掌握重型燃机压气机工况变化特征。

在以构建重型压气机模型过程中，需要使用专项可行的基元叶栅技术方式，确保空气流速均匀相通，实际压缩值处于绝热状态。使用空气作为研究对象，压气机运行期间的温度变化较大，相关的定压比热值不可作为定值计算。

注重换算重型燃机压气机静态状态参数、滞止状态参数，设置压气机静温、滞止温度值，换算得到静压与滞止压力[4]。为了保证重型燃机压气机性能分析准确，应注重选择合理的相对坐标系，在坐标系内设置相对总温、总焓数，表示工质相对速度滞止为0，使温度、焓值可达到相对平稳的状态。

计算得到重型燃机压气机动叶栅进口参数值，依照动叶栅进口处的绝对速度、方向角度，进行进口速度三角形求解，获得相对速度值与方向角度值。计算压气机总温、总压量，严格依照动叶栅监考处的动态温度、动态压力值，获得进口总温、总压力。设置压气机冲角、落后角、总压损失系数，选择适宜的系数计算公式。

计算得到重型燃机压气机实际运行期间的动叶栅出口参数、动叶栅出口气流角度、出口总压力值，依照能量守恒方程式，获得动叶栅出口总温度。

对重型燃机压气机整机性能进行模型计算分析，通过上述计算获得的动叶栅、静叶栅出口参数值，确保计算的压力参数值准确，将其作为进口参数计算依据，使最终得到的基元级压比、温比值更精准。

2.2 随机森林方法回归计算

通过采用基元叶栅法对重型燃机压气机每级的叶栅进行重复计算，获得液压机总比、多变效率、出口温度、消耗功率流量之间的关系。依照某热电公司实测数据、基元叶栅计算方式，获得计算数据点，配合使用随机森林回归方式进行计算。

（1）建立随机森林模型。

将重型燃机压气机的转速、进口导叶开度、进口空气质量流量、进口温度、进口压力值输入计算系统内，设计相应的压气机计算模型[5]。确保燃机转速、进口导叶开度、进口开度值依照热电公司实际运行情况进行采集，并通过烟气体积流量计算结果，计算烟气进口质量流量值，总结进口气温质量流量调查结果。

（2）重型燃机压气机特性线。

通过设置燃气机特性模型，明确在不同工作状态下压气机总压比、多变效率情况。绘制总压力、多变效率、压气机特性曲线，对空气流量进行折合处理。依照压气机入口总温度、压气机入口总压力、空气质量流量等数值，计算空气折合流量。重型燃机压气机始终处于高效率运行范围下，仅使用随机森林方式建立的拟合模型，难以保障其可被应用于多工况范围内。需要将基元叶栅法与随机森林方式进行有机结合，并使用基元叶栅方式将理论计算点、实际参数数据相结合，对数据进行回归化处理，确保相关工作人员可明确不同运行环境下，重型燃机压气机质量流量、总压比、多变效率下的特性计算模型，直观展现重型燃机压气机特性。

3 重型燃机压气机实际运行稳定性

3.1 明确重型燃机压气机性能喘振边界

在重型燃机压气机运行过程中，喘振指一种特殊的不稳定运行状态，喘振问题出现后，压气机运行期间的各项性能将会受到直接影响，影响设备发电效果。为了保障重型燃机压气机运行性能，需要在燃气机通用特性曲线上表明喘振边界线，喘振情况与重型汽轮机系统实际运行状态密切相关。

确定重型燃机压气机运行工况时，应保障压气机在透平运行状态，燃气温度处于稳定[6]。设置压气曲线、燃气初温等温线，确保等温线可成为透平燃气初温恒定值、燃气运行工况线。设定各等折合转速线交点，确定更适宜的重型压气机运行状态工况点。

在运行工况发生明显改变的情况下，燃气的初始温度保持固定，透平进气燃气温度应始终维持在原有状态。设置压气机空气流量值、燃料流量值，计算出燃烧室能量平衡度。在确定透平燃气初温变化、运行工况点时，需要在计算等折和转数曲线，明确空气流量、压鼻、压气机进口空气温度值。如燃气温度数值明确，可利用燃烧室能量平衡值，计算得到实际燃料量。在计算所得的燃料量与燃气透平进口压力值保持一致的情况下，可认为该点是压气机实际运行期间的工况点。

3.2 重型燃机压气机运行稳定性

绘制重型燃机压气机的通用特性曲线，重型燃机压气机主要负责燃气启动与停止、燃气负荷控制、稳定频率等职责，需要在实际运行期间满足发电电站功率要求，防止出现燃机压气机超载问题，对压气机内部故障进行快速反应。

IGV温度控制器可调节燃气轮机的排气温度值，通过调整进口导向器，可使燃气室空气温度达到最佳状态。在压气机内存在一个从属位置控制开关，可通过输出信号函数控制IGV角度，并将此角度作为判断重型燃机压气机运行稳定性的重要依据。

为了保障重型燃机压气机运行安全，在不同进气条件下，部分压气机的IGV角度值需要始终处于设定范围期间，以控制最大角度限制。如果出现IGV显变化的情况下，压比与效率会进行相应改变，需要结合重型燃机压气机实际运行状态，将IGV角度控制在合理范围之内。

进气温度可对重型燃机压气机通用特征曲线造成明显影响，依照建立的特性模型可知，在进口处温度不断升高的情况下，压气机通用特性将会向左下方移动，压气机效率下降。依照理想气体常数与定压比热修正结果，发现在潮湿空气中气体常数大于干燥空气中气体常数的情况下，重型燃机压气机的折合转速降低，特征曲线向左下移动。

4 结语

重型燃机压气机性能、稳定性，可直接影响电厂发电水平，为了分析不同进气条件下重型燃机压气机形成特征，需要构建重型燃机压气机性能模型，绘制相应的压气机特征曲线，借助IGV角度、进气温度等参数数值，得到重型燃气轮机压气机稳定性能。应不断完善重型燃机压气机内部结构，从根本上降低重型燃机压气机故障问题发生概率，确保重型燃气压气机可在电厂运行过程中发挥重要作用。