張宏偉，陳 佩，王宏澤，隋永楓，辛小鵬

(1． 杭州汽輪動(dòng)力集團(tuán)有限公司， 杭州 310022;2． 杭州汽輪機(jī)股份有限公司， 杭州 310022)

1 壓氣機(jī)喘振

不穩(wěn)定流動(dòng)對(duì)于壓氣機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)性能和壽命的影響，是燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)需要重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。壓氣機(jī)不穩(wěn)定流動(dòng)中影響最大的是失速和喘振，旋轉(zhuǎn)失速是壓氣機(jī)葉柵通道內(nèi)出現(xiàn)了低流量區(qū)，但通過(guò)壓氣機(jī)的平均流量不變。而喘振是與旋轉(zhuǎn)失速完全不同的另一種氣流脈動(dòng)，喘振發(fā)生時(shí)壓氣機(jī)內(nèi)部氣流沿軸向發(fā)生脈動(dòng)。

喘振理論主要是通過(guò)壓氣機(jī)及其工作時(shí)所在的管網(wǎng)系統(tǒng)(見(jiàn)圖 1)所發(fā)生的氣流穩(wěn)定性問(wèn)題，管網(wǎng)系統(tǒng)包括前面的進(jìn)氣道、進(jìn)氣室和壓氣機(jī)，后面的壓氣機(jī)排氣管道和排氣室(體積較大的容器)。通常所有喘振分析的結(jié)果，結(jié)論基本是一致的，在壓氣機(jī)流量-壓比特性線上的斜率為零或接近于零的正斜率壓氣機(jī)工作點(diǎn)上，壓氣機(jī)所在的系統(tǒng)就變成不穩(wěn)定了。當(dāng)系統(tǒng)不穩(wěn)定時(shí)，系統(tǒng)的阻尼是負(fù)的，任何微小的干擾都將使振幅增長(zhǎng)。在臨界點(diǎn)，阻尼為零。但是當(dāng)流量變化時(shí)，系統(tǒng)的阻尼也發(fā)生變化。即系統(tǒng)的阻尼決定于流量脈動(dòng)時(shí)壓氣機(jī)特性線上瞬時(shí)工作點(diǎn)處的斜率。當(dāng)流量脈動(dòng)的振幅變?yōu)橛邢薮笾螅靡源_定穩(wěn)定性的線性理論不再適用，如果系統(tǒng)的非線性使振蕩的幅值增大到出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)振蕩的某個(gè)極限值，則由于不穩(wěn)定性的緣故就發(fā)生喘振，所得出的振蕩循環(huán)稱為“極限循環(huán)”[1]。

圖1 壓氣機(jī)管網(wǎng)系統(tǒng)示意圖

壓氣機(jī)喘振時(shí)，在軸流壓氣機(jī)等轉(zhuǎn)速線上，壓氣機(jī)減小流量，隨著失速區(qū)的進(jìn)一步發(fā)展，壓氣機(jī)和管路中全部氣體的流量和壓力將周期性、低頻率、大幅度地上下波動(dòng)。這種頻率低、幅度大的氣流脈動(dòng)一經(jīng)產(chǎn)生，則流經(jīng)整個(gè)壓氣機(jī)的連續(xù)穩(wěn)定流動(dòng)被完全破壞，通常伴隨有強(qiáng)烈的機(jī)械振動(dòng)。燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行時(shí)，控制壓氣機(jī)的運(yùn)行工況不發(fā)生不穩(wěn)定流動(dòng)、不運(yùn)行至壓氣機(jī)特性線的喘振邊界之外，對(duì)于保護(hù)壓氣機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)安全運(yùn)行起著關(guān)鍵作用，因此壓氣機(jī)的喘振邊界線是壓氣機(jī)性能的重要組成部分，它決定了壓氣機(jī)運(yùn)行工況的喘振裕度。壓氣機(jī)如果沒(méi)有足夠的喘振裕度，燃?xì)廨啓C(jī)在啟動(dòng)升轉(zhuǎn)速及帶負(fù)荷運(yùn)行的穩(wěn)定運(yùn)行都將遇到困難。喘振發(fā)生時(shí)，低頻率、高振幅的氣流振蕩是一種很大的激振力來(lái)源，它會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)烈的機(jī)械振動(dòng)和熱端超溫，并在極短的時(shí)間內(nèi)對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)造成嚴(yán)重?fù)p壞。因此，在燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行時(shí)，應(yīng)該保證壓氣機(jī)運(yùn)行工況具有足夠的喘振裕度，避免喘振的發(fā)生。喘振裕度Ms采用如下定義方式時(shí)，一般要求在20%左右。但是在某些情況下，壓氣機(jī)的喘振邊界會(huì)向下移動(dòng)。

(1)

2 喘振邊界下降原因

導(dǎo)致壓氣機(jī)喘振邊界下降的原因有多種，常見(jiàn)的有隨機(jī)組運(yùn)行時(shí)間增加而產(chǎn)生的壓氣機(jī)性能下降、進(jìn)氣過(guò)濾器堵塞[2]、燃燒不穩(wěn)定[3]等原因。根據(jù)某燃?xì)廨啓C(jī)推測(cè)喘振的原因分析，可能是異常暴雨天氣導(dǎo)致進(jìn)氣過(guò)濾器堵塞，產(chǎn)生了進(jìn)氣畸變。圖 2是該過(guò)程中壓氣機(jī)進(jìn)氣過(guò)濾器的壓差變化，從中可以看出，過(guò)濾器壓差明顯增大(正常情況下應(yīng)該低于1.0)，這表明過(guò)濾器部分通道阻塞，進(jìn)氣阻力增大，發(fā)生進(jìn)氣畸變的幾率非常高。

圖2 某燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣過(guò)濾器壓差變化

進(jìn)氣畸變對(duì)壓氣機(jī)性能的影響是多方面的，除了使壓氣機(jī)的增壓比和效率比均勻進(jìn)氣條件下降低外，更重要的是進(jìn)氣畸變對(duì)壓氣機(jī)及其所在的壓縮系統(tǒng)的氣動(dòng)穩(wěn)定性會(huì)造成重大影響。當(dāng)壓氣機(jī)進(jìn)口發(fā)生畸變時(shí)，低流量或低總壓的部分氣流會(huì)以較大的沖角進(jìn)入壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片排，在平均流量未達(dá)到喘振邊界之前，低流量部分已經(jīng)達(dá)到喘振邊界，因此會(huì)造成整臺(tái)壓氣機(jī)的失速提前。對(duì)于總溫畸變，高總溫部分的氣流不僅使壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子的折合轉(zhuǎn)速降低，同時(shí)使折合流量降低，從而引發(fā)失速提前發(fā)生，進(jìn)而使壓氣機(jī)發(fā)生喘振，進(jìn)入不穩(wěn)定流動(dòng)狀態(tài)，如圖3所示。

圖3 進(jìn)氣畸變對(duì)壓氣機(jī)特性的影響

當(dāng)壓氣機(jī)喘振邊界下降后，原來(lái)穩(wěn)定工作區(qū)域變?yōu)椴环€(wěn)定工況時(shí)，在喘振即將或剛開始發(fā)生時(shí)，判斷壓氣機(jī)是否可能或已經(jīng)發(fā)生喘振，可以降低壓氣機(jī)喘振對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)造成的損害。

3 喘振判斷信號(hào)的選擇

根據(jù)燃?xì)廨啓C(jī)喘振發(fā)生時(shí)的理論和實(shí)踐研究可知，喘振發(fā)生時(shí)的主要特征包括氣動(dòng)參數(shù)的變化、燃?xì)廨啓C(jī)振動(dòng)的變化和噪聲的增加等[4-5]。這幾種特征變化對(duì)應(yīng)的物理信號(hào)均可作為喘振判斷的信號(hào)。作為喘振判斷的信號(hào)，必須具備高度的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性。準(zhǔn)確性不高，未發(fā)生喘振而發(fā)出喘振響應(yīng)信號(hào)，影響燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性，在喘振發(fā)生后而沒(méi)有判斷出喘振則影響燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行的安全；信號(hào)反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，則導(dǎo)致喘振發(fā)生后不能及時(shí)反饋給控制程序進(jìn)行燃?xì)廨啓C(jī)保護(hù)，從而對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)造成破壞。燃?xì)廨啓C(jī)喘振時(shí)噪聲增大是其特征之一，但是燃?xì)廨啓C(jī)的運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境噪聲一般較大，并且控制室與現(xiàn)場(chǎng)也存在一定的距離，根據(jù)噪聲來(lái)判斷喘振并不具備良好的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性的特點(diǎn)，因此排除噪聲信號(hào)。接下來(lái)將通過(guò)對(duì)某燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)中的氣動(dòng)和振動(dòng)信號(hào)分析，兼顧準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性，對(duì)喘振判斷信號(hào)做出選擇。

氣動(dòng)參數(shù)的變化包括壓氣機(jī)流量的軸向脈動(dòng)，壓氣機(jī)出口壓力降低等。壓氣機(jī)出口壓力較容易測(cè)量，但是由于壓氣機(jī)的流量較大，則較難測(cè)量?；诖朔N原因，在某燃?xì)廨啓C(jī)的監(jiān)控輸出數(shù)據(jù)中，沒(méi)有壓氣機(jī)流量參數(shù)，因此需要通過(guò)其他測(cè)量數(shù)據(jù)間接監(jiān)控壓氣機(jī)的流量變化。流體流動(dòng)的動(dòng)力參數(shù)中，與流量直接相關(guān)的有流速、動(dòng)量等參數(shù)，這些參數(shù)造成的各種物理效應(yīng)，均可以作為流量測(cè)量的物理基礎(chǔ)。從不同的物理效應(yīng)為基礎(chǔ)，可以形成多類流量測(cè)量方法，一般有容積法、速度法和質(zhì)量流量直接測(cè)量法等。由于壓氣機(jī)進(jìn)氣流量較大，容積法和質(zhì)量流量直接測(cè)量法不適用。速度法測(cè)流量的原理是基于流體的一維流動(dòng)連續(xù)性方程，流道截面上的平均流速和體積流量成正比，于是可以利用跟流速相關(guān)的各種物理現(xiàn)象去度量流量，如果可以獲得流體的密度參數(shù)，即可獲得流體的質(zhì)量流量。如果流道中有截面積變化，則在截面積不同的位置，流體的流速不同，兩個(gè)位置存在靜壓差，而該靜壓差與流體的流量有關(guān)，于是可表示為公式(2)流量-靜壓差函數(shù)關(guān)系。

Qm∝f(Δp)

(2)

式中：Qm為壓氣機(jī)流量；Δp為靜壓差。

圖4是根據(jù)運(yùn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，推測(cè)某燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)生了喘振時(shí)的信號(hào)變化，其中用Δp的變化來(lái)表征壓氣機(jī)流量的變化；Pout是壓氣機(jī)出口壓力的變化；V是燃?xì)廨啓C(jī)振動(dòng)信號(hào)的變化。從圖中可以看出，靜壓差發(fā)生明顯變化的時(shí)間最早，隨后是壓氣機(jī)出口壓力，而燃?xì)廨啓C(jī)的振動(dòng)信號(hào)在燃?xì)廨啓C(jī)跳機(jī)指令(第6秒)發(fā)出前幾乎無(wú)變化。因此從實(shí)時(shí)性出發(fā)，這三組信號(hào)中挑選靜壓差信號(hào)作為喘振判斷信號(hào)。

圖4 運(yùn)行數(shù)據(jù)中實(shí)時(shí)信號(hào)變化

某燃?xì)廨啓C(jī)從壓氣機(jī)進(jìn)氣室到IGV之前的流道是收縮通道，通流面積有較大的減小，對(duì)氣流具有增速降壓的效果。從進(jìn)氣室入口截面，到IGV的入口截面，氣流的速度增加，靜壓有較大幅度的變化。在該燃?xì)廨啓C(jī)的測(cè)量?jī)x器布置系統(tǒng)圖中，于進(jìn)氣室進(jìn)口截面和IGV進(jìn)口截面處安裝了多個(gè)引壓管，用來(lái)測(cè)量?jī)蓚€(gè)截面處的壁面平均靜壓差值，該測(cè)量結(jié)果僅輸出到運(yùn)行數(shù)據(jù)文件中，而不參與燃?xì)廨啓C(jī)的運(yùn)行控制。

圖5是某臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)的運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，分別對(duì)2015年5月和2016年5月在IGV全開并且相同壓比工況下，壓氣機(jī)進(jìn)氣室進(jìn)口和IGV進(jìn)口截面處的靜壓差隨進(jìn)氣溫度的變化情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，橫坐標(biāo)是環(huán)境溫度，縱坐標(biāo)是靜壓差與相同環(huán)境溫度下的靜壓差平均值之比。從統(tǒng)計(jì)結(jié)果中可以看出，在相同進(jìn)氣溫度時(shí)，壓氣機(jī)進(jìn)氣室靜壓差輸出結(jié)果的波動(dòng)范圍在±2%之內(nèi)，進(jìn)氣室靜壓差輸出結(jié)果的穩(wěn)定性高，適用于作為監(jiān)測(cè)壓氣機(jī)流量變化的測(cè)量參數(shù)。

圖5 某臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

4 喘振判斷策略

根據(jù)燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)變工況特性可知，壓氣機(jī)流量和折合轉(zhuǎn)速、壓比、IGV開度這三個(gè)變量相關(guān)。地面燃?xì)廨啓C(jī)一般以固定的物理轉(zhuǎn)速運(yùn)行，此時(shí)折合轉(zhuǎn)速僅與進(jìn)氣溫度有關(guān)。

(3)

因此壓氣機(jī)流量可看作是進(jìn)氣溫度、壓比和IGV開度的函數(shù)：

Qm=f(Tin,π*,α)

(4)

式中：π*是壓比；α為IGV開度。

聯(lián)立公式(2)和公式(4)，推導(dǎo)出靜壓差和進(jìn)氣溫度、壓比和IGV開度之間的函數(shù)關(guān)系：

Δp=f(Tin,π*,α)

(5)

通過(guò)壓氣機(jī)的特性圖(圖 3)可知，為了保證燃?xì)廨啓C(jī)的安全運(yùn)行，壓氣機(jī)運(yùn)行壓比不能超過(guò)極限壓比，極限壓比工況也是壓氣機(jī)安全運(yùn)行時(shí)的最小流量工況。即壓氣機(jī)運(yùn)行時(shí)的最小流量不能低于極限壓比工況，以避免壓氣機(jī)發(fā)生喘振的危險(xiǎn)。由公式(2)可知，壓氣機(jī)流量和靜壓差Δp成正相關(guān)，因此只要保證Δp>Δplimit(極限壓比工況)，即可保證燃?xì)廨啓C(jī)的安全運(yùn)行。

根據(jù)該燃?xì)廨啓C(jī)歷年的運(yùn)行數(shù)據(jù)，采用統(tǒng)計(jì)的方法可以得到在不同壓比、進(jìn)氣溫度、IGV開度下的壓氣機(jī)進(jìn)氣室靜壓差值，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的歸納整理，總結(jié)出公式(5)，進(jìn)一步推導(dǎo)出在極限壓比工況的靜壓差Δplimit。圖 6是統(tǒng)計(jì)并歸納整理出的ISO工況下，某燃?xì)廨啓C(jī)在不同IGV開度時(shí)的相對(duì)極限靜壓差(極限靜壓差與設(shè)計(jì)點(diǎn)的極限靜壓差之比)。

在燃?xì)廨啓C(jī)的運(yùn)行過(guò)程中，當(dāng)壓氣機(jī)進(jìn)氣室靜壓差Δp的測(cè)量值小于Δplimit時(shí)，即判斷壓氣機(jī)有可能發(fā)生喘振或已經(jīng)喘振，當(dāng)立即發(fā)出跳機(jī)指令，避免燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)生重大安全事故。

圖6 不同IGV開度時(shí)相對(duì)極限靜壓差

5 結(jié)語(yǔ)

本文研究的壓氣機(jī)喘振監(jiān)測(cè)方法適用于某型號(hào)的燃?xì)廨啓C(jī)，利用其現(xiàn)有的運(yùn)行數(shù)據(jù)輸出參數(shù)，不需要另行增加傳感器，彌補(bǔ)了其控制系統(tǒng)中沒(méi)有壓氣機(jī)喘振監(jiān)測(cè)的不足，對(duì)于提高燃?xì)廨啓C(jī)的安全運(yùn)行具有重要的意義。在新開發(fā)的燃?xì)廨啓C(jī)中，也可以在控制系統(tǒng)中按照該方法設(shè)置壓氣機(jī)喘振監(jiān)控邏輯函數(shù)。

壓氣機(jī)的喘振是一種對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)具有嚴(yán)重破壞后果的不穩(wěn)定流動(dòng)現(xiàn)象，因此在燃?xì)廨啓C(jī)的運(yùn)行過(guò)程中，除了喘振監(jiān)測(cè)保護(hù)邏輯之外，也應(yīng)當(dāng)預(yù)防喘振邊界的下降導(dǎo)致的壓氣機(jī)提前喘振，如加強(qiáng)在異常天氣對(duì)壓氣機(jī)進(jìn)氣過(guò)濾器的監(jiān)測(cè)，定期的維護(hù)進(jìn)氣過(guò)濾器和清洗壓氣機(jī)等。