郭友瑞
青岛华丰伟业电力科技工程有限公司，山东青岛， 266100
Exploration on surge Protection of GE 6F Gas turbine
Guo You-rui
摘要：分析探讨GE 6F燃机所用压气机的喘振成因及保护原理，包含在具备孤岛功能机组上所采用的预防措施。
关键词：燃机 喘振保护 压气机 孤岛
Abstract:Analyze and discuss the surge cause and protection principle of the compressor used in GE 6F gas turbine,including precautions to be taken on units with island functions.
Key words:gas turbine;surge protection;compressor;island
1引言
喘振是透平式压缩机(也叫叶片式压缩机)在流量减少到一定程度时所发生的一种非正常工况下的震动。轴流式压缩机是透平式压缩机的一种形式，喘振对于轴流式压缩机有着很严重的危害。本文主要分析探讨如何产生喘振的主要因素及喘振保护的设置原理。
2概述
燃气轮机的轴流式压气机用于在透平发电机额定转速下运行。在低于额定转速的某个转速范围内，压气机前几级受到较高的空气动力负荷，以至于过度减速而在压气机翼型表面出现脱流现象。受到过负荷的压气机就不在能够生成必须的升压，会出现称作压气机喘振的现象，并且输送速率也变的不稳定。气流的破坏引起周期性倒流，客观上表现为压气机出口压力产生周期性波动，同时燃气发电机发生严重震动，以及与这些压力波动出现脉动噪声，轻则引起压气机叶片受到交变弯曲应力破坏，严重的会出现使叶片断裂的设备损坏事故。
3压气机喘振发生的机理
某GE 6F型燃机运行中，触发“排期分散度大”而跳机。事件发生前的参数变化如下：
BB1/2从0.07英寸/秒升至0.36英寸/秒；
CPD在0.55秒内从165psi降至57psi，继而出现波动；
TTXM从1197℉升高至1553℉；
CTIM从77℉ 升高至85℉；
IGV角度和CTD没有出现明显变化；
CBV在跳机时处于关闭状态，然后随逻辑正常打开；
TNH在振动开始上升后出现小幅下降。（趋势参见图1）
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3）压气机脏污严重，尤其是进气喇叭口、前端叶片，进气喇叭口上有较厚的沉积物。
4）进口可转导叶IGV角度偏差。IGV最大角度86°，实测角度为87.5° 至88°，偏差为1.5° 至2°；在IGV部分角度，如35°、 57°，IGV叶片实际角度最大偏差约为2.5°。
5）防喘放气阀CBV内漏。
通过上述检查，发生本次压气机喘振的影响因素主要包括：
1）进气系统达不到预期过滤效果，导致压气机脏污严重，可能是压气机喘振的影响因素之一。
2）IGV实际角度与命令/反馈角度偏差超限（最大偏差为2°），也是压气机喘振的影响因素之一；IGV部分叶片与其它叶片角度出现偏差（最大偏差为2.5° ），可能会对下游叶片产生低频的激励。
3）压气机防喘放气阀内漏亦是压气机后端喘振的影响因素之一。
4压气机喘振保护软件功能
在针对GE 6F机型的主保护内配置了压气机压比极限保护，其设计思路是压气机必须运行于低于它的极限压比之下：
CPRERR=CPRLIM-CPR-0.25；
CPRLIM=f（TNHCOR、csgv），即CPRLIM是压气机转速和IGV开度的函数，其作为压气机的运行控制边界，当CPR升高到接近CPRLIM的时候燃机保护动作，防止压气机压比超限。
在极冷的大气温度、IGV角度很小、燃烧初温很高、燃料组分的热值很低的情况下，有可能使压比接近于设计的压比极限值。
CPRERR被用于两个回路，一个是负荷控制回路FSRCPR，另一个是主保护回路；并网后L52GX=1，且L14HS=1，
（1）当压比偏置量CPRERR<0.05时，L69BHEN3=1，FSRCPR投入控制；当L69BHEN3=0，FSRCPR=FSRMAX；
（2）当CPRERR<-0.35时，延时3s，LCPRERR=1，则L3BHF3=1（IBH全开）L4POSTX=1，即CPR>CPRLIM+0.1成立时机组跳闸
当FSRCPR介入控制减负荷后仍没有限制住压气机压比，导致压比超限，主保护动作跳闸。
正常状态下，机组运行路径通过IBH、IGV、负荷限制，跳机等手段以远离OLL。
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5压气机喘振预防措施
1）按照OEM及其供应商的要求，定期更换进气过滤器和维护进气系统。
2）将初滤和高效滤的压差报警定值前移，提前报警。
3）按照PSIB20151211A，每48运行小时在线水洗15分钟；按照GEK111895，定期进行离线水洗。
4）按照F级压气机水洗规范GEK111895的描述，机组性能由于压气机下降2-3%，建议进行水洗。压气机流量下降5%，压气机需要进行水洗。建议水洗完成后，内窥镜观察一下压气机干净程度。
5）定期检查IGV，校验IGV角度，每年和每次计划检修进行校验。
6）定期巡检CBV泄漏，做好阀前阀后温度跟踪记录。
7）进气差压突变，需要引起重视，观察压气机性能变化。机组启动前，重新检查所有过滤器状态。
8）定期校验变送器如96AP、96CS、96CD、96BD、96TD、96EP等。
9）按照GER3620，对压气机、燃烧部件、透平部件等保持至少每年一次的孔探检查。
10）可以考虑增加卡件PAIC，增加压气机失速检测。
11）可以考虑增加ARES软件块，计算压气机流量对比于全新压气机的损失。
6压气机喘振的其它方式
1）旁通门打开机制
通过检查63TF 压力开关，其逻辑如下：
a.进气过渡段配置有来自控制系统GT SpeedTronic的压力开关(63TF-2A，63TF-2B)。根据0414，当压降值到达设定值21mbar时，仪器仪表传递压力信号，燃气轮机通过切断电磁铁的电源来开启旁通门。
b.燃及启动前, 旁通门必须处于关闭状态。此时电磁铁不通电而且旁通门必须在自重的作用下处于关闭状态。当它们都检测到关闭信号时(L33AG_S=1)，电磁铁通电，L20AFX=1，旁通门锁紧在关闭位置。
c.机组运行期间, 当检测到进气压差非常大时,意味着3个进气压差开关(63TF)中的2个处于开启状态，此时L86TFHH=1，机组会跳机；而且电磁铁失电L20AFX=0，同时允许旁通门在进气流的作用下开启。
d.当进气总差压达到7英尺水柱时，旁通门应该开始开启。
e.当进气总差压达到9英尺水柱时，旁通门应该完全开启。
2）针对电网薄弱地区的喘振保护设置（GE TIL 11977）
电网薄弱地区，部分6F燃机具备孤岛功能，当外部电网剧烈震荡时，触发燃机控制逻辑的喘振保护跳开燃机主变高压侧开关，燃机进入孤岛运行方式。
这是为了在转子减速过快后端有回流风险的低频事件中保护压缩机的喘振前端。这就意味着，压缩机的转速大大降低，在这个速率下，它失去了工作能量的输入，它将无法克服下游背压(CPD)；因此，气流可能会反向流动，导致压气机叶片发生碰撞。这将损害压缩机部件、进气过滤器等。
具体Mark VIe控制逻辑设置如下：
KTAKAS_1HZ=燃机减速率喘振保护#1，-2；
KTAKAS_05HZ=燃机减速率喘振保护#2，-1；
L3TNHA_NGG1=燃机减速率<-2%，延时160ms；
L3TNHA_NGG05=燃机减速率<-1%，延时280ms；
KTNH98=燃机转速喘振保护常数，98；
L3TNH_98=燃机转速低于98%，频率低于49Hz。
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L52LT_SURGE（喘振保护连锁燃机主变高压侧开关分闸）的触发条件：①在转速低于98%，频率低于49Hz条件下；②燃机减速率<-2%，延时160ms或者燃机减速率<-1% ，延时280ms；③防喘振保护投入；④喘振保护投入；⑤燃机发电机出口开关GCB在合闸位。
喘振保护触发52L跳闸信号。
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机组在线信号消失，在孤岛投入，燃机发电机出口开关52G合闸条件下，燃机进入孤岛频率控制模式。
尽管GE在控制逻辑中对转速的变化幅度、相应时间设置并不十分合理，有可能导致机组与电网提前解列，加剧局地电网的崩溃。但其是基于电网异常频率下压气机喘振预测研究的结果，目前还没进一步的优化结果。
7结论
总之，通过以上诸项措施，可以有效地防止在压气机中发生具有破坏性的喘振现象，有利于扩大整台机组稳定工作的工况范围。
8参考文献
［1］焦树建.燃气-蒸汽联合循环[M] .北京：机械工业出版社，2000.
［2］变进口参数压气机运行的防喘振保护措施.《燃气轮机技术》1989年03期
【作者简介】
姓名：郭友瑞 工作单位：青岛华丰伟业电力科技工程有限公司 职务：检修经理