M701F4燃机启动过程旋转失速问题分析

黄明成

摘要：国产三菱M701F4机组曾在启动过程中多次出现压气机旋转失速现象。本文详细分析了M701F4燃机出现旋转失速的原理、试验监测手段和调整方法，并重点阐述了如何调整燃机启动工况以避免发生旋转失速现象。

关键词：燃气轮机；压气机；失速

1引言：

三菱M701F4燃机是在M701F3基础上进行放大并采用部分G级燃机技术的先进燃机机组，具有热效率高、起停快、污染小、自动化程度高等优点。在国产化的M701F4机组投运后，多个电厂的国产M701F4燃机在调试期间和商运后均出现旋转失速现象，其中部分燃机经过升速率更改、增加水洗次数、停机期间降低燃机轮间温度等措施，旋转失速现象有了一定好转，但没有从根本上解决旋转失速的问题。旋转失速问题的存在，严重影响机组运行的安全性和经济性。

本文根据叶轮机械理论对燃机压气机失速进行分析，并结合东方三菱的现场研究成果，对解决启机时的压气机旋转失速做以阐述。

2压气机旋转失速现象的发现

下面以某厂#1燃机为例，介绍燃机启动过程中典型的旋转失速的情况。

2014年4月29日#1燃机首次点火，之后因调试需要启机定速3000rpm共15次，其中有3次在转速升到1700—1900rpm左右出现以下现象：

（1）#1、#2轴承振动突然增大，尤其2Y达到160um以上，突变形态从形态上相似度很高）

（2）BPT温度有明显升高现象；

（3）进气滤差压下降；

（4）#1、#2轴承密封空气压力下降（#1、#2轴承密封空气取自压气机第6级抽气）；

（5）燃烧室壳体压力下降

（6）轴承的低频振动分量增大。

针对上述现象，三菱及东方汽轮机厂技术人员经过相关数据分析，判断燃机在转速1700—1900rpm区间出现旋转失速现象。

3旋转失速原因初探

3.1M701F4燃机压气机运行概述

M701F4机组压气机为17级的轴流式压气机，进口设置有一级进口可转导叶。在第6、11和14级静叶后分别设置防喘放气口和透平冷却空气的抽气口。抽出的空气用于冷却和密封以及用作机组启动和停止时的防喘控制措施。

M701F4机组最初的启动流程如下：

发出启动令，IGV开度由0%开启至约39.5%开度，压气机低压、中压防喘抽气阀自动开启（高压防喘抽气阀保持关闭）；SFC拖动机组升速到2000rpm时开始减出力，直至2200rpm左右脱扣；机组升速到2745rpm时，燃机IGV关闭到0%开度；转速到2815rpm左右时，压气机低压、中压防喘放气阀自动关闭。

3.2压气机系统的工作分析

对压气机系统的工作进行分析可知：当实际工作转速比设计转速有所下降时，压气机的压比要下降。这时末几级中，由于前面各级压比很低，由此该级前的压力低于设计压力，密度低于设计工况的密度，而比体积高于设计工况的比体积，因此体积流量相对的减少的较少，轴向速度减少的较少。[1]

而在前几级中，与设计工况相比较，其压力和密度却均有所增加，体积流量减少较多，因此轴向速度降低较多，由此产生正冲角，容易引起背弧脱离。从而得到以下的速度三角形。

从图3-2中可看出：当转速降低时，气流在头几级中攻角增大，而攻角增加得太甚时，就可能产生旋转脱离和喘振。在末几级中，攻角减小，这时增压值和效率就迅速降低。压气机就很有可能由于在前几级中发生强烈的旋转脱离现象而进入喘振工况。[2]

3.3M701F4机组启动情况分析

和设计工况下额定转速相比，燃机启动过程中，由于压气机压比相对较小，因此压气机高压侧的体积流量很大，气流速度很高。速度达到极限以后造成流道堵塞。

和设计工况下额定转速相比，燃机启动过程中气流出现堵塞时，其轴向速度减小，进而导致气流攻角增大，气流在叶片背弧侧发生分离。分离的气团在转子叶片内部形成失速区，以低于转子的转速在转子叶片内部旋转，旋转方向相对于转子旋转方向相反。失速区内部堵塞严重，压力增大，造成压力波动，进而引发振动。

3.4导致压气机失速的其他因素

（1）压气机叶片脏污的影响

压气机叶片脏污，影响压气机效率、流量，进而影响气流速度，使得旋转失速容易发生。

（2）SFC出力的影响

如启动升速阶段SFC出力偏小，将会有更多的燃料投入燃烧，进而使得压气机出口压力升高，导致流量减小，容易出现旋转失速。

（3）抽气流量的影响

如启动升速阶段压气机中、低压抽气中的某一级的抽气流量不够，也导致旋转失速容易出现。某台燃机检修时发现中压抽气口形状有误，与图纸相比，加工的抽气口截面减小，可导致抽气流量不够。

（4）压气机叶片质量的影响

此外，压气机叶片加工误差分布较大，这些叶片组合到一起使得旋转失速容易发生。经三菱东方调查，该现象是由于该批次燃机产出压力较大，压气机叶片生产过分外扩造成。自2014年下半年，东汽已经逐渐收回了抽检不合格的外扩厂家生产执照，并提高了质检要求。

4试验与分析

针对运行中出现的旋转失速，某电厂运行部门采取了停机后打开锅炉烟囱档板，燃机高盘冷却，擦洗IGV叶片，离线水洗（清洁剂浓度为5%）等措施，压气机失速现象有所改善，但还时有发生。为了彻底解决启动阶段压气机的旋转失速问题，三菱及东方联合国内某燃机电厂进行了针对性的试验和分析。

4.1试验目的

旋转失速问题主要由于气流堵塞造成，因此，设备厂家考虑在启动阶段增加额外的抽气量以消除气流堵塞，进而降低旋转失速的影响。

为了确认具体多少额外的抽气量既能降低旋转失速的影响，又能满足燃机启动过程中各部件功能的需要，三菱东方在某燃机电厂的#2燃机上实施了特殊测量试验。

4.2试验过程

第一阶段

在冷态、温态、热态、极热态下分别启动燃机，测量并分析相关的运行数据。通过测量，三菱东方确认导致旋转失速的直接原因是由于气流堵塞。

第二阶段

冷态启动燃机，在0～2100rpm期间分别开启HPBLV（高压防喘放气阀）为0%、25%、50%、75%、100%，确认HPBLV可以最大开启到100%。冷态启机，0～2100rpm期间全开HPBLV启动燃机，确认该措施有效。

在冷态启机时，0～2100rpm期间全开HPBLV，在不同IGV开度下启动燃机确认IGV裕度，再在冷态、温态、热态和极热态下分别启动燃机，最终确认该设定可行。

4.3试验结果

通过特殊测量试验，三菱东方确认了以下两个措施（初始方案）来解决旋转失速的可行性。

（1）将0～2100rpm高压防喘放气阀从全关变更为全开；

（2）将启动升速阶段的IGV开度从22°变更为21.5°。

三菱东方在若干台燃机上实施了以上两项措施为主的设定变更，变更后的燃机累计启动超过20次，其中包括冷态、温态、热态和极热态，无一发生旋转失速。

4.4试验结果优化

启动过程中0～2100rpm高压防喘放气阀全开会减少进入燃烧器的空气量，此时燃机排气温度BPT/EXT会比以往更高。机端情况下，BPT与BPTREF的裕度过小，燃机可能在启动升速过程中进入BPT温度控制，导致启动失败。因此，三菱东方对上述两项措施进一步进行优化和补充，最终结果如下：

（1）将高压防喘放气阀全开区间设定为0～2050rpm；

（2）将启动升速阶段的IGV开度从22°变更为21.5°（IGV角度从原启机过程打开到36.17%修改为37.23%）；

（3）机组原本启动时的升速率在900rpm以上都是2.25rpm/sec,现将1500～1900rpm区间的ACC由2.25rpm/sec变更为1.5rpm/sec；

（4）将SFC在2000rpm时开始退出变更为2200rpm时开始退出。

4.5优化后的情况

按上述修改后，燃机在启动过程中未再出现旋转失速。并且，通过对处理措施的优化，进一步确保了机组启动运行状态良好，燃机旋转失速问题得到了圆满解决。

5结论与建议

（1）M701F4机组在启动过程中旋转失速的直接原因是气流堵塞。

（2）生产厂家的加工工艺水平对压气机的运行状况有非常大的影响。

（3）针对国产M701F4机组可以普遍使用最终的启动优化方案来预防旋转失速的发生。