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        9E燃?xì)廨啓C(jī)的壓氣機(jī)控制和保護(hù)

        2016-12-31 00:00:00曾勇
        科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2016年20期

        摘 要:燃?xì)廨啓C(jī)是現(xiàn)代工業(yè)重要的動(dòng)力設(shè)備,燃?xì)廨啓C(jī)的開發(fā)研制工作事關(guān)工業(yè)經(jīng)濟(jì),特別是裝備工業(yè)的健康發(fā)展,對于國家國民經(jīng)濟(jì)總體發(fā)展都有著至關(guān)重要的影響。壓氣機(jī)是燃?xì)廨啓C(jī)的關(guān)鍵部分,也是開發(fā)燃?xì)廨啓C(jī)的基礎(chǔ)和前提。文章圍繞9E燃?xì)廨啓C(jī)的壓氣機(jī)控制和保護(hù)有關(guān)問題進(jìn)行探討,首先介紹了軸流式壓氣機(jī)的功能與特性,其次對9E燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)啟動(dòng)過程進(jìn)行了分階段分析、描述,最后對9E壓氣機(jī)的控制和保護(hù)技術(shù)措施進(jìn)行了闡述和說明,對于優(yōu)化燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)設(shè)計(jì),提高壓氣機(jī)開發(fā)性能質(zhì)量有著一定參考作用。

        關(guān)鍵詞:燃?xì)廨啓C(jī);軸流式壓氣機(jī);特性曲線;啟動(dòng)過程;運(yùn)行保護(hù)

        引言

        現(xiàn)代社會(huì),機(jī)械化大生產(chǎn)成為社會(huì)生產(chǎn)活動(dòng)的主流方式,機(jī)械設(shè)備廣泛應(yīng)用于各行各業(yè),作為熱力發(fā)動(dòng)機(jī)的主要種類,燃?xì)廨啓C(jī)在國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)發(fā)展、國防安全等各個(gè)方面發(fā)揮出極為重要的作用,高性能燃?xì)廨啓C(jī)的開發(fā)生產(chǎn)一直以來都是國家發(fā)展工業(yè)所必須跨過的門檻。壓氣機(jī)是燃?xì)廨啓C(jī)的組成要素之一,其性能水平對于燃?xì)廨啓C(jī)的輸出功率、效率、運(yùn)行可靠性和維修特性等方面有著直接且重要的影響。開發(fā)新型燃?xì)廨啓C(jī),首先要進(jìn)行新型壓氣機(jī)的開發(fā)設(shè)計(jì)。大流量、高壓比、高效率是當(dāng)前壓氣機(jī)開發(fā)工作的主要方向。一般情況下,新型壓氣機(jī)的研制工作多數(shù)采用對原有型號進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化、放大、加級的方法來完成。

        1 軸流式壓氣機(jī)的功能與特性分析

        燃?xì)廨啓C(jī)是熱力發(fā)動(dòng)機(jī)的一種主要類型,它使用連續(xù)流動(dòng)的氣體作為工質(zhì)進(jìn)行能量傳遞,通過高溫高壓氣流推動(dòng)汽輪做功,實(shí)現(xiàn)熱能向機(jī)械能的轉(zhuǎn)換。在這個(gè)過程中,壓氣機(jī)作為工質(zhì)來源,將高壓空氣持續(xù)輸送至燃燒室,從而實(shí)現(xiàn)布雷頓循環(huán)的吸氣增壓過程。壓縮空氣進(jìn)入燃燒室后與燃料混合劇烈燃燒,溫度和壓力急劇增大,燃燒后的燃?xì)膺M(jìn)入透平,膨脹做功,推動(dòng)壓氣機(jī)和外負(fù)荷轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)做功,從而完成一個(gè)完整的簡單循環(huán)。從上述討論可以看到,壓氣機(jī)的工作動(dòng)力也來源與透平,是透平負(fù)載因子之一。實(shí)際上,在透平負(fù)載中,壓氣機(jī)消耗的能量占據(jù)著很大比例,約占透平負(fù)載的三分之二左右。作用于外部載荷的功僅占三分之一,這部分功稱之為有用功。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,近代大功率燃?xì)廨啓C(jī)普遍采用多級軸流式壓氣機(jī)技術(shù),該項(xiàng)技術(shù)工作連續(xù)性好,供氣量較大,具有高壓比、壓縮效率高的特點(diǎn)。因此,9E燃?xì)廨啓C(jī)也采用了該項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。需要注意的是,在進(jìn)行多級軸流式壓氣機(jī)設(shè)計(jì)時(shí),是按照設(shè)計(jì)條件進(jìn)行設(shè)計(jì)的,但實(shí)際工作中,壓氣機(jī)的工作條件并非一直處于設(shè)計(jì)條件下,屬于非設(shè)計(jì)工況。非設(shè)計(jì)工況又稱之為變工況,具體可以分為平衡工況和不平衡工況兩種。其中平衡工況指的是燃?xì)廨啓C(jī)穩(wěn)定工況,即燃?xì)廨啓C(jī)處于全速空載、部分負(fù)荷、基本負(fù)荷下的工況條件,而不平衡工況則指的是燃?xì)廨啓C(jī)處于過渡階段的工況條件,主要包括燃?xì)廨啓C(jī)啟動(dòng)、停機(jī)以及負(fù)荷升高、降低的過程中的工況。燃?xì)廨啓C(jī)平衡工況的幾大特征是功率平衡、工質(zhì)流量平衡、壓力平衡以及轉(zhuǎn)速平衡。

        2 9E燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)啟動(dòng)過程技術(shù)分析

        燃?xì)廨啓C(jī)的啟動(dòng)是一個(gè)過程狀態(tài),在這個(gè)過程中,機(jī)組轉(zhuǎn)速從零開始逐漸加速,一直到全速空載、并網(wǎng),且?guī)е粱矩?fù)荷。下面以用輕油作燃料的燃?xì)廨啓C(jī)為例對燃?xì)廨啓C(jī)啟動(dòng)過程進(jìn)行分析。

        2.1 冷態(tài)加速階段

        這是燃?xì)廨啓C(jī)啟動(dòng)的第一步,首先有啟動(dòng)設(shè)備驅(qū)動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)行冷加速,待轉(zhuǎn)速達(dá)到一定標(biāo)準(zhǔn)后,啟動(dòng)邏輯繼電器,開始清吹作業(yè),與此同時(shí),轉(zhuǎn)速保持上升態(tài)勢,但加速度開始下降,直至轉(zhuǎn)速降低,整個(gè)清吹過程維持2.1分鐘。

        2.2 熱態(tài)加速階段

        轉(zhuǎn)速達(dá)到一定標(biāo)準(zhǔn)后,進(jìn)入點(diǎn)火作業(yè)。向燃燒室噴入燃料,并點(diǎn)火燃燒。燃?xì)鈩×胰紵懦龃罅康臒幔瑲鈮荷?,推?dòng)燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)速上升,直至達(dá)到脫扣轉(zhuǎn)速。這個(gè)過程稱之為熱態(tài)加速階段。首先是燃料經(jīng)由噴嘴進(jìn)入燃燒室點(diǎn)火燃燒,機(jī)組開始暖機(jī),燃料行程基準(zhǔn)FSR降至暖機(jī)值,同時(shí)供油量下降,機(jī)組轉(zhuǎn)速下降趨勢減緩,轉(zhuǎn)速隨之開始上升。持續(xù)暖機(jī)60秒后,F(xiàn)SR開始下降,隨后又變大。成功點(diǎn)火后,燃?xì)廨啓C(jī)入口區(qū)域的溫度立即上升,出現(xiàn)輸出功率,壓氣機(jī)啟動(dòng)過程特性線出現(xiàn)拐點(diǎn),其后呈上升趨勢。

        2.3 自升速階段

        從機(jī)組達(dá)到脫扣轉(zhuǎn)速到進(jìn)入全速空載這一過程是燃?xì)廨啓C(jī)啟動(dòng)的自升速階段。在這個(gè)過程中,燃?xì)廨啓C(jī)依靠自身進(jìn)行加速。待燃?xì)廨啓C(jī)的校正轉(zhuǎn)速n超過IGV(可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉溫度控制)開啟點(diǎn)之后,IGV開大,迅速升至IGV最小全速角57°。從壓氣機(jī)特性曲線上可以看到,曲線向右上方延伸,說明壓氣機(jī)喘振邊界線朝著流量增大的方向變動(dòng)。

        2.4 并網(wǎng)升負(fù)荷階段

        這個(gè)階段以發(fā)電機(jī)并網(wǎng)為起點(diǎn),以機(jī)組負(fù)荷達(dá)到基本負(fù)荷為終點(diǎn)。發(fā)電機(jī)并網(wǎng)后,系統(tǒng)關(guān)閉防喘放氣閥,由此導(dǎo)致位于放氣閥前面的增壓極空氣流量下降,壓氣機(jī)喘振邊界線向右移動(dòng)。

        3 9E壓氣機(jī)的控制和保護(hù)技術(shù)

        9E壓氣機(jī)的控制和保護(hù)主要體現(xiàn)在對IGV和防喘放氣閥的控制以及對壓氣機(jī)運(yùn)行的限制保護(hù)和對機(jī)組的遮斷保護(hù)方面。

        3.1 IGV控制分析

        燃?xì)廨啓C(jī)未啟動(dòng)時(shí),轉(zhuǎn)速較小,機(jī)內(nèi)通道氣體流動(dòng)緩慢,無法滿足燃燒室內(nèi)燃料潮濕需求,導(dǎo)致有效功功率低,必須在外部啟動(dòng)設(shè)備的幫助下才能使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速達(dá)到脫扣轉(zhuǎn)速程度。9E燃?xì)廨啓C(jī)在啟動(dòng)時(shí),通過將IGV角度維持在34°,控制氣體流速,使得壓氣機(jī)功耗降低,從而減輕了對啟動(dòng)設(shè)備功率的需求,同時(shí)也使得壓氣機(jī)喘振邊界線流量減小的方向變動(dòng),提高了壓氣機(jī)工作穩(wěn)定性。

        3.2 防喘放氣閥控制分析

        啟機(jī)并網(wǎng)前和停機(jī)解列后的兩個(gè)階段是壓氣機(jī)喘振現(xiàn)象最容易發(fā)生的時(shí)候。針對這個(gè)問題,9E壓氣機(jī)在第11級設(shè)置了4個(gè)防喘放氣閥,當(dāng)燃?xì)廨啓C(jī)處于上述兩個(gè)階段時(shí),防喘放氣閥全部開啟,空氣流量增加,大大降低了喘振現(xiàn)象的發(fā)生。

        3.3 壓氣機(jī)運(yùn)行限制保護(hù)分析

        作為旋轉(zhuǎn)式動(dòng)力機(jī)械,壓比限制值是軸流式壓氣機(jī)的一個(gè)關(guān)鍵性能參數(shù)。當(dāng)壓氣機(jī)處于正常工作狀態(tài)下,實(shí)際壓比位于運(yùn)行范圍內(nèi),而當(dāng)壓氣機(jī)處于非設(shè)計(jì)工況條件下時(shí),其實(shí)際壓比就有超過壓比機(jī)械限制值的危險(xiǎn),一旦壓比超標(biāo),就會(huì)造成輪機(jī)葉片損壞,引發(fā)安全事故。導(dǎo)致壓比超過限制值的原因較多,比如環(huán)境氣溫、IGV角度、燃燒溫度、燃燒室注水等,都是造成壓比超標(biāo)的常見因素。實(shí)際工作中要注意對上述因素的控制。

        3.4 機(jī)組遮斷保護(hù)分析

        遮斷保護(hù)是壓氣機(jī)的最后一道保護(hù)措施,在可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉溫度控制或防喘放氣閥控制失靈或達(dá)不到應(yīng)有效果的情況下發(fā)揮作用,以防止生產(chǎn)事故的發(fā)生,保證系統(tǒng)安全。

        4 結(jié)束語

        壓氣機(jī)工作質(zhì)量直接關(guān)系到燃?xì)廨啓C(jī)的運(yùn)行安全與穩(wěn)定,加強(qiáng)壓氣機(jī)控制和保護(hù),對于維護(hù)燃?xì)廨啓C(jī)長期高效安全運(yùn)行具有十分重要的基礎(chǔ)保障作用。壓氣機(jī)喘振是燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)的常見工作病害,其發(fā)生前沒有預(yù)兆,發(fā)生時(shí)迅速出現(xiàn),危害重大,為減少喘振現(xiàn)象出現(xiàn),以及減少因?qū)⑹軗p壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子送國外原廠修復(fù)而造成的成本,切實(shí)做好壓氣機(jī)控制與保護(hù)勢在必行。使用單位要采取積極措施,不斷優(yōu)化燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行狀況,延長機(jī)組使用壽命,提高燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)效益,從而保障企業(yè)生產(chǎn)正常、穩(wěn)定、高效進(jìn)行。

        參考文獻(xiàn)

        [1]鄭建濤.燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)喘振及其控制算法[J].燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù),2009,22(2):23-25.

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