第三节 燃气轮机发电装置

③转子转动惯量的影响。 当用同样的启动功率和温升速率来启动机组时，转子转动 惯量越大者，所需要的启动加速时间就越长。 ④启动机功率选得越大时，机组的启动时间就越短。 增大启动机的功率和延长启动机脱扣的时间，是改善启动 过程特性的一条途径，但增大启动机功率将增加投资，启动机 脱扣的时间延迟也有一定限度。 ⑤尽量减少负载在启动时的耗功，使它基本接近于零。 电站的机组启动时发电机不发电，仅轴承等有少量耗功， 故负载耗功基本接近于零。但带动泵或气体压缩机时，它转动 后就要耗功，必须设法尽可能减少，如对于离心泵应关闭泵出 口阀，对于压缩机要打开出口放气阀或回流阀以及关小进口阀。 但对单轴燃气轮机带动泵或气体压缩机时，泵或压缩机旋转后 就要带动液体或气体流动而耗功，只好选用功率大的启动机(约 为额定功率的 10％~20％，甚至更高)。
(5)暖机、加速程序。 机组探测到点火成功后，进入暖机程序，在一个近似恒 定的燃料消耗率下缓慢升速直至暖机时间结束为止。 (6)继续加速程序。 暖机程序结束，增加燃料，机组继续加速至启动机脱扣 转速，启动机脱扣并停止运行(变频启动则停止向同步发电 机送电，电机由主动改为被动)。燃气轮机继续加速。 (7)加载程序。 燃气轮机到达运行转速(大于等于96％额定转速)，关闭 辅助润滑油泵和辅助液压油泵，润滑油和液压油改由主润滑 油泵和主液压油泵供给，压气机可调导叶开大，防喘阀关闭。 如果启动前选择了负荷点和自动方式，机组自动同期并网及 按设定的加载率加载到预选的负荷。如果没有选择负荷点， 则同期并网(自动或手动)后，可自动或手动加载。
(3)发动机自升速阶段 从启动机脱开开始，直到燃气轮机自己加速到准备加载 工况转速为止。在这个阶段中，启动机已脱扣退出工作，机 组将全靠燃气透平发出的剩余功率来使转子继续升速。 在这个阶段机wk.baidu.com将进一步加热，为了避免发生过大的热 应力，应对持续时间进行必要的控制。
通常，希望机组的启动时间尽可能短些。 对于轻型结构的燃气轮机来说，启动时间可以做到很短， 如航空型发动机在不到 lmin内就能启动并加载完毕。 对于固定式燃气轮机来说，气缸壁一般比较厚，转子尺 寸大，需要较长的加热时间，否则机体的不均匀温度场会引 起很大的热应力。因此重型机组启动时间比较长，一般为 10min以上；在紧急情况下，有些机组允许在3～5min内启动 完毕，但这会影响到机组的使用寿命。
“热悬挂”简称热挂，是燃气轮机在启动过程中可能发生 的一种故障，它发生在启动机脱扣之后，即在启动机脱扣后， 机组转速停止上升，运行声音异常，若继续增加燃料量，t3随 之升高，但转速却不上升，反而呈现下降的趋势，最终导致启 动失败。 产生热挂现象的主要原因是启动过程线比较靠近压气机喘 振边界，当启动机脱扣后剩余扭矩M显著减少，如果在脱扣前 操作不当，Gf 增加较快，t3比预定的高，运行点靠向喘振边界， 压气机中可能发生失速现象，ηc降低、Mc增大，启动机脱扣 后 M就可能变为零，转子停止升速，就像被“挂”住似的，故 称热挂。如果这时增加Gf ，就往往是适得其反。因此，在发 生热挂时可适当减少Gf ，使运行点下移离开喘振边界，压气 机脱离失速工况，然后才逐渐增加Gf ，若处理得好，就有可 能使机组脱离热挂而继续升速，避免启动的失败。
（1）燃气轮机启动过程中可能的故障
①没有控制好启动过程中燃气温度的增升规律。 当喷油量控制不当，常使机组的启动加速过程线接近于或是进入了喘振 区，那时透平进口温度太高，而转速却无法顺利地上升。 在我国自行设计制造的几台燃气轮机中，也曾发生过点火后燃气温度过 高而“热悬挂”导致启动失败的情况，而且在夏季运行时比较容易发生这种 故障。 ②燃油系统和点火系统发生故障。 例如喷油嘴被磨损，雾化质量严重恶化；燃油系统中存有空气，造成供 油脉动现象，或是由于点火器积炭，不能正常形成点火火炬等现象，都会导 致启动失败。 ③压气机通流部分污染。 致使压气机效率降低，特性曲线变坏，启动时压气机耗功增大，出现启 动机功率不足现象而导致启动失败。 ④透平通流部分结垢。 致使透平的阻力增加，因而，在启动过程中机组的运行线就会向压气机 的喘振边界线方向靠近，甚至进入喘振工况而使机组启动失败等。
（2）影响机组启动时间的一些因素
①压气机特性线的影响。 在点火转速之前，机组的转子是完全依靠启动机来带动的，转子加速的 快慢主要取决于启动机功率的大小； 当燃烧室点火后，透平发出的扭矩大大地增加了，因而在脱扣转速之前， 转子加速的快慢，取决于启动机和透平所发出的功率与扭矩的大小，即还取 决于透平前燃气初温的增升速率，也就是还取决于喷油量的多或少。 一般，不希望加大启动机的功率，但向燃烧室猛喷燃料以加快启动速度 也常常是不允许的，因为在低转速情况下透平前的燃气温度过高，就会使机 组的平衡运行点超越压气机的喘振边界线进入喘振工况。 为此，常在压气机的进口处安装可调导叶，启动时可调导叶处于关的位 置，不仅扩大了压气机的运行区，避免了发生喘振，同时还减少了空气流量 与压气机耗功，使启动过程加快或能选用功率较小的启动机。 例如在2万kW机组启动过程中，把压气机第一级人口可转导叶的安装角 由正常工作的80°关小到44°，它一方面可以减小启动过程中压气机所消 耗的功率，有利于转子的加速，还能使压气机的喘振边界线左移，有利于提 高燃气初温而机组却不至于进入喘振工况。
一、 燃气轮机的启动
1．启动过程 燃气轮机在静止状态时，机内通道中无气体流动，无法 向燃烧室加入燃料燃烧，不能产生有效功，只有依靠外界动 力(启动机)才能带动燃气轮机转子旋转加速，使机组启动起 来。 启动设备的作用是在燃气轮机启动的初始阶段带动机组 旋转，机组点火后拖动机组加速，直至机组达到自持转速。 一般，启动过程可分为三个阶段：
除上述两种启动方式外，还有一种时间更短的启动，称 为紧急启动(Emergency start)。 这是一种强制性启动，即在很短时间内超越正常程序强 行将机组从静止带至满负荷。由于这种启动对机组的损害太 大，除非万不得已，很少在实际使用。 每一次起停循环，对机组都会有潜在的危害，快速启动 和紧急启动至少会缩短机组的检修周期。有一种观点认为， 如果正常启动对检修周期的修正系数为1，则快速启动为2， 而紧急启动为20。即一次紧急启动对机组的影响相当于20次 正常启动。
2)启动状态 按机组启动前热部件的金属温度，燃气轮机的启动分 为冷态启动、温态启动和热态启动。 目前，比较笼统地区分上述启动状态所对应的停机时 间长度如下： 热态启动，小于10h； 温态启动，10~72h； 冷态启动，大于72h。 而联合循环装置的加载过程与简单循环装置有较大的 区别，而且对于冷态启动、温态启动和热态启动等三种状 态启动时的加载过程时间长短也不一样。其中冷态启动的 加载过程时间最长，与此对应，总的启动时间也最长，约 为3h；温态启动次之，启动时间约为2h；热态启动最短启 动，时间约为1h。当然，这也只是笼统的说法，说明该类 机组启动时间的大概范围。
②机体热应力的影响。 在启动过程中燃气初温增升太快时，机组的转子表面和气缸内壁就 会迅速地受热膨胀，而气缸外壁以及转子内部的温度却还来不及增升上 去，这样就会产生热应力。机组在这种情况下多次启动后，就有可能使 转子因热疲劳而开裂报废。为了避免发生这类事故，在启动时就不允许 使燃气初温增升得过于迅速，但这样就会增加机组的启动时间。 通常机体热应力的大小与许多因素有关，在温升率相同的前提下首 先与透平的结构形式有关。 例如BBC厂出品的6200kW列车电站用燃气轮机，就是一种重型结 构的转子，这种转子容易产生较大的热应力，因而机组的启动时间需要 增长到12~15min。 对于航空用轻型结构类型的机组来说，热应力比较小，它可以在较 高的温升率下启动。 此外热应力还与受热部件的材料有关，例如奥氏体钢，它的线膨胀 系数大，热应力也大，而珠光体钢的线膨胀系数小，热应力也相应地较 小。 当然透平的叶片、气缸和转子的冷却方式，对于所产生的热应力大 小也是有关系的。如果这些元件的冷却能够组织得很好，其表面温度就 低，内外温差就小，热应力当然就会减小。
第三节 燃气轮机发电装置运行
通常，燃气轮机在高温、高转速下运行，而且运行工况常 常变化很快，热冲击等问题严重。 为了保证机组能够长期安全运行，并获得最长的运行寿命 与可用率以及最低的维修费用，对机组运行与维护都有严格 的要求，如不超温、不超速、不喘振、不超振，还有定期检 查与维修等。 虽然，现代的燃气轮机控制保护已全盘自动化，这有效地 提高了机组运行的可靠性和简化了机组的操作。 但更为重要的是，运行人员必须经过严格的培训，熟悉机 组的结构与系统、设备的工作原理与特性以及运行和维护的 要求，并认真执行操作规程。 一般，燃气轮机运行涉及机组启动与停机、加载与减载、 操作与故障处理以及维护等问题，本节侧重介绍简单循环燃 气轮机发电装置和不补燃余热锅炉型联合循环发电装置的启 动、运行与维护。
3.启动程序 (1)给出启动指令。 (2)启动指令发出后，主保护逻辑由0变为1。 有些机组在启动程序中设置了主保护逻辑， 目的是检 查启动条件是否具备，如需运行的马达和加热器处于供电状 态，可转导叶处于关小位置，压气机防喘阀打开，润滑油箱 的油温已达到允许启动的温度，曾有过的遮断(trip)已复归等。 如果具备启动条件，主保护逻辑由0变为1，允许启动。 否则不允许启动。 (3)相关的电动泵启动， 如辅助润滑油泵、辅助液压油泵、前置燃油泵、前置水 泵等等。
2.启动方式与状态
1)启动方式 按启动时间的长短，燃气轮机启动方式主要分为两种，即正常启动 (Normal start)和快速启动(Fast start)。 正常启动是按设定程序进行的一种启动，启动过程中需要暖机，严 格控制机组的加速率和加载率，避免在机体内产生过大的热应力，保证 机组启动过程中热应力在一个安全水平内。因此，这种启动方式所需时 间较长，重型机组大约需10~22min。 为适应简单循环燃气轮机发电装置调峰的需要，有些机组除正常启 动外，还设置了快速启动，这也是按设定程序进行的一种启动，但提高 了程序中的加速率和加载率，减少了暖机时间。因此，启动时间缩短， 过程中的热应力仍然在可以接受的水平内。 例如，GE公司的6B型机组，在用柴油机启动时，从静止到全速空载， 正常启动的时间为12min(包括柴油机暖机时间2min)，快速启动的时间为 7min10s，加载过程正常启动为4min，快速启动为2min，总的启动时间 分别为16min和9min10s。
(1)冷态加速阶段 在这个阶段中，由启动机带动燃气轮机冷加速，直到允 许向燃烧室中喷人燃料的点火转速为止。这时所需要的能量 主要是用来加速机组的转子，并克服轴承的摩擦功。通常， 单轴机组的点火转速大约等于额定转速的15％～20％。
(2)热态加速阶段 即从燃烧室开始喷人燃料并点火燃烧的瞬间起，一直到 启动机把机组转子增速到脱扣转速时为止。 通常，单轴燃气轮机的脱扣转速大约为额定转速的45 ％～60％。当机组达到脱扣转速时，就可不再需要启动机的 帮助而使转子继续加速上去，透平发出的功率将大于压气机 耗功(包括机组携带的辅助设备耗功与轴承耗功在内)，即还 有剩余功率，因此允许启动机脱扣和停止工作。 在这个阶段中，机组从冷态被逐渐加热到一定程度，因 而又被称为暖机阶段。第二阶段的持续时间控制是根据机组 结构形式而确定，以避免在机体中产生过大的热应力。
(4)冷拖、清吹、点火程序。 此时启动设备启动，拖动燃气轮机转子加速至清吹转速， 清吹程序开始，目的是用新鲜空气将存留在机组燃烧室及排 气通道内的空气置换，以清除可能残存在机组内的可燃物质， 清吹时间取决于空气置换时间，一般为l~6min。 清吹计时器结束计时后，进入点火程序，燃气轮机减速 至点火转速，给出点火信号，同时向燃烧室喷人燃料点火， 点火成功后进人暖机程序。 如果点火不成功，运行人员可以选择停机或重新点火， 若选择重新点火，则再次选择冷拖，机组将重新自动进入清 吹、点火程序。如再次点火失败，机组自动停机。
4.启动过程中问题与影响因素
在启动过程中，燃气轮机由冷态变为热态，热应力问题 严重，会对高温部件形成热冲击，影响机组寿命；压气机还 可能发生喘振问题，高压比机组的喘振问题将更为突出，需 要采取放气等防喘振措施。提高启动成功率对保证机组运行 的可靠性和可利用率是重要的。 在机组启动过程中，防止发生超温故障，不仅是机组安 全运行所必要的，而且也是保证机组能够顺利启动起来的关 键。另外，缩短启动时间对机组经济性和及时满足外界负荷 需求来说都是必要的，也是衡量机组启动性能的一个重要指 标。因此，有必要认真分析燃气轮机在启动过程中的问题与 影响因素。