M701F4燃机启动过程旋转失速问题分析

M701F4燃机启动过程旋转失速问题分析

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

3.1 M701F4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]

3.3 M701F4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