1、第二十八卷 第一期，安徽电气工程职业技术学院学报 年 月 燃气轮机喘振故障研究与应对措施徐搏超收稿日期：作者简介：徐搏超（），男，安徽淮南人，中国大唐集团科学技术研究总院有限公司大唐华东电力试验研究院专业工程师，硕士，主要从事燃气轮机故障研究及处理工作。（中国大唐集团科学技术研究总院有限公司大唐华东电力试验研究院，安徽 合肥）摘 要：对燃气轮发电机组压气机喘振故障的发生机理进行了详细分析，结合现场案例介绍了压气机旋转失速以及喘振时的参数变化特征。基于对压气机喘振产生原因的分析，提出了机组防喘措施，为燃气轮机发电机组安全运行提供技术参考与借鉴。关键词：燃气轮机；喘振；故障特征；运行安全；解决措施
2、中图分类号：文献标识码：文章编号：（）（，）：，：；双碳时代背景下，火电机组肩负着新型电力系统中稳定电源的重任。燃气轮机由于相对清洁高效，成为煤机清洁化替代的方式之一。然而由于频繁调峰调频，燃气轮机气路故障造成的非停时间占总时间的 。在众多气路故障中，喘振发生时，压气机的出口压力、流量等参数会出现大幅度的波动，并伴有强烈的机械振动，导致压气机叶片断裂等严重事故，。因此，研究分析喘振发生机理及诱导因素，并掌握如何预防喘振事故发生至关重要。压气机喘振机理及其原因当前重型发电用燃气轮机采用集成化模式，压气机采用多级轴流式结构，如图 所示。多级轴流压气机特性曲线见图 所示。多级轴流式压气机的优势在于效
3、率高、能够实现大流量稳定供气，同时由于空气扩压程度大，更易发生喘振事故。当压气机流量大于设计流量时，即压气机设备运行在喘振边界线右侧，机组处于稳定状态；当压气机流量小于设计流量时，压气机设备越过喘振边界线，运行在左侧时，易诱发设备发生喘振事故。结合压气机叶片流道内工质流动进行分析，压气机发生喘振的机理在于：当空气流量持续减小，远低于设计流量时，流道内空气在压气机工作叶栅的进口处产生持续增大的正冲角，。这将使得空气偏离设计徐搏超：燃气轮机喘振故障研究与应对措施流道，在叶片的背弧侧产生气流附面层的脱离现象。由于惯性力的作用，气流在离开叶片背弧侧后会持续产生分离倾向，导致脱离区逐渐扩大，进而产生失速
4、团，见图。根据上述机理介绍，当压气机流量减小发生旋转失速后，失速团会逐渐发展恶化至整个压气机流道。在正冲角的工况下，流道内部扩张度增大，压气机的级压比逐渐增高，这使得后容腔室内的静压逐渐累积。当后容腔室内静压累积到大于流道内正向流动的气流压升时，在反压作用下，压气机内气流会出现逆向流动的情况。在回流释放后容腔室的静压后，压气机正向流动的气流又会增加，压气机会短暂恢复到正向流动。在随后的一段时间内，由于后容腔室静压的再次累积，上述过程会再次出现，即压气机的气流参数会出现周期性的振荡过程，这就是压气机的喘振现象，过程见图。图 多级轴流压气机轴侧图 图 多级轴流压气机特性线图 流量减小时叶栅中的气流
5、脱离现象图 喘振循环过程 常见原因及特征分析国内燃机相较于国外承担基本负荷的运行状态，运行方式更加灵活。现阶段调峰调频任务大量增加，低负荷运行时间增加，燃机发生喘振故障的概率明显增加。表 给出了近些年来国内一些燃机发生的喘振故障案例，。表 国内部分电厂燃气轮机喘振故障统计地区机型喘振原因特征广东静叶上形成垢层压力发生大幅波动福建排气通道堵塞发出沉闷声浙江气流旋转脱离流量和压力低频率剧烈波动，现场噪声巨大福建防喘阀失灵发生强烈的振动并有巨大响声广东叶片积垢巨大响声，烟囱有浓烟冒出江苏气流通道堵塞低频脉动燃气轮机发生喘振时，压力、流量参数变化存在明显规律性特征，由于气流在流动内剧烈变化，因而轴系振
6、动特征明显，且现场常伴随这巨大噪声。喘振事故识别特征见图。安徽电气工程职业技术学院学报 第二十八卷 第一期图 喘振故障特征分析 压气机喘振故障案例分析压气机喘振故障一般由压气机流道内气路旋转失速恶化后引发，本文分别选取了现场旋转失速和深度喘振两个案例介绍压气机喘振故障。启机旋转失速案例分析某燃机电厂 号机组在设备水洗后启机，：机组转速上升至 时 号、号、号瓦振动开始上升，其中 方向振动值最大，振动值达到最大值 微米，在：机组转速 时各瓦振动值恢复正常，在此过程中压气机进出口压力发生波动，各参数趋势图见图。图 启机轴振和入口静压参数曲线从图 可以看出，压气机入口静压值持续变小，进口空气量减小。：
7、机组点火到：退出这段时间的参数细化比较见图。图 ：时段部分参数细化比较徐搏超：燃气轮机喘振故障研究与应对措施从图 可以看出，在：左右，电压值较平时正常启动降低 左右。此后，压气机侧轴振激增，压气机进气流量减小。对比同型号机组，该机组在 之间的升速率较高（相比于 号机），对 的出力要求更高。分析可能原因：出力不足，造成压气机设备流道内出现旋转失速现象。因此，建议以后机组启机降低 时段升速率。喘振非停事故某机组 月 日 日共运行了两次，其中第一次为 月 日 日的计划启停机运行，第二次是 月 日启动 月 日故障跳闸。如图 所示，月 日 日的运行中，：时压气机压比值为 ，至：时，压比降为 ，降幅约为
8、，随后计划停机。而在 月 日 日的运行中，：时，压气机压比为 ，随后便波动下降，至：时，压比降至 ，降幅约为 。机组出力在同时刻也出现相似变化，如图 所示。在 月 日 日的运行中，：时机组出力为 ，至：时，出力降为 ，降幅约为 ，不久后计划停机。而在 月 日 日的运行中，：时，出力为 ，随后便大幅下降，至：时，出力降至 ，降幅约为 。图 月 日 日压比变化情况 图 月 日 日机组出力变化情况 月 日 日与 月 日 日的运行中压气机排气温度及压力均出现了如图 与图 所示的在一个时间步长内（）异常波动。图中所示为机组 月 日 日的运行中机组出力下降后的压气机排气压力和排气温度的变化情况，其中排气温
9、度波动幅度约为 ，排气压力波动更为迅速，出现了幅度约为 的波动。图 月 日 日压气机排气温度变化图 月 日 日压气机排气压力变化对轴流压气机，叶轮的旋转会带动个别失速区迅速扩延至整个通道。在此过程中流道内产生周期性振荡，在机组出力及压比下降的过程中，往往伴随着压气机排气压力及温度的短期大幅波动，上图所示的安徽电气工程职业技术学院学报 第二十八卷 第一期压气机排气温度、压力的波动以及机组出力和压比的变化符合上述的喘振表现。分析同时段振动特性参数，在跳机前一次的计划启停机过程中，发生轴向位移的异常波动，说明在机组进入疑似喘振后产生了轴向的周期性震荡，并在轴向位移异常波动后不久轴振也突然增大，号轴振
10、 向振动由 升高至 左右，向振动由 升高至 ，显示此处有动静碰磨迹象，见图。图 月 日 日的运行时轴向位移及轴振对比图此外，该时间段还出现了相位角的异常变化。图 显示了 月 日 日三次启停机的相位角对比图，第一次启停机属于正常启停，其相位角较为稳定，没有发生大幅变化。而在图 显示的局部放大图中可以看出，月 日振动发生明显变化，相位角高周 往复震荡，且幅值和相位未出现阶跃性变化，说明此时压气机转子的平衡状态在无部件脱落的情况下被打破，存在动静结构的轻微碰磨。由于此时接近计划停机，因此并未造成更为严重的破坏、引起报警。在 月 日 日启机后，振动相位重复出现前一次的异常震荡，幅值仍存在明显波动，因此
11、判断此次压气机转子一直存在轻微碰磨。图 月 日 日三次启停机的振动相位角对比徐搏超：燃气轮机喘振故障研究与应对措施图 月 日 日两次启停时机组振动参数进一步分析喘振诱发原因，经了解后发现，该地区在 月 日突遇局部大雨，降雨量增加会降低压气机进口过滤系统工作效率，相关参数如图 所示。图 月 日 日两次启机后的滤网差压变化如图 所示，在 月 日 日启机后，已经出现了二级滤网差压及总滤网差压的迅速、大幅增加，这种现象在 月 日 日启机后再次出现。由于这两次的滤网差压的突增趋势是可重复的，即从正常值上升后又降为正常值，因此可以排除滤网被遮盖或者被黏住（否则在上升后无法回归正常值）。且两次的启机后重复发
12、生这种现象，推测可能与该地区局部降雨量的突增有关。历史数据显示，每次滤网差压的突增后，都引起了包括机组出力及压比下降、压气机排气压力及温度波动、振动异常等疑似喘振现象，分析滤网差压的突增为此次故障的直接原因。防喘措施根据上述理论和实际案例分析，从机组设计和运行维护两方面提出压气机防喘措施。机组设计方面（）安装可调导叶。针对机组在启停机等小流量工况中压气机偏离设计工况这一现象，当前设计厂商普遍在压气机进口安装可调导叶（）。当流量减小时，通过调整导叶角度，减小气流进口攻角，进而防止气流在背弧区域发生旋转失速。当前 公司 级、西门子 等先进燃气轮机均设计了多级可调静叶，进一步增强压气机的调节能力。（
13、）中间级放气。当压气机流道部分区域内产生旋转失速团时，流道内会出现气流堵塞现象，引起安徽电气工程职业技术学院学报 第二十八卷 第一期后容腔室的静压累积。通过在中间级设置放气口，将堵塞的气路团排出压气机流道，实现对压气机流道的保护。（）设计双转子压气机。当前单轴、高压比压气机个别级中的轴向分速度与圆周速度变化不协调，当把压气机分成高、低压两个转子后，就可以分别改变两个转子的转速，以适应工况变化时首、末级协调工作的要求。运行维护方面（）压气机进口过滤系统的状态对机组的安全性与经济性有着较大的影响。因此，进气滤网差压作为反映过滤系统效率的指标应得到重视。定期检查各级滤网状况，重新核实并规范设置各级滤
14、网差压报警值，以避免由差压报警设置的不合理带来的机组喘振风险的增加。合理安排反吹装置，避免压气机进口滤网持续结垢，影响进气流量。（）压气机内部流道的清洁程度也影响了设备运行效率，在结垢或者磨损的流道中，气路更容易发生气体脱离现象。因此，可根据压气机效率下降状态安排水洗，并定期查看叶片表面状态。若机组水洗周期过于频繁，可安排更换过滤效果更好的滤芯。结论本文对压气机喘振故障的形成机理、故障特征等进行了详细介绍，并结合现场实际案例，对机组发生旋转失速以及喘振故障的参数特征进行识别和诊断。针对喘振故障，从机组设计和运行维护两方面提出压气机防喘措施。参考文献：清华大学热能工程系动力机械与工程研究所，深圳南山热电股份有限公司 燃气轮机与燃气蒸汽联合循环装置 北京：中国电力出版社，：曹昳劼 基于压力、振动、声音信号的压气机喘振故障诊断和监测 上海：上海交通大学，杨忠学，孙大生 轴流式压缩机喘振特性的研究 流体机械，（）：邱晋刚 大型增压机组的喘振分析与对策 通用机械，（）：王玉平 燃气轮机压气机喘振分析 燃气轮机技术，（）：梁佩宇，肖阳 型燃气轮机喘振与热挂故障的分析 燃气轮机技术，（）：朱启宝，汪鸿振 燃机振动研究 噪声与振动控制，（）：责任编辑：夏勇